CN110468265A - 一种深孔超声振动冲击强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔内表面超声振动冲击强化装置及方法，涉及深孔内表面强化处理装置技术领域，本发明装置通过超声弯曲振动换能器将超声电源所产生的高频信号转化为弯曲机械振动，变幅杆将换能器输出端的高频机械振动的振动幅值放大后传递给超声冲击头，进而撞击零件内孔表面。旋转辅助系统为弯曲振动换能器提供径向旋转，从而单次处理就达到较高覆盖率。本发明的装置适用于深孔类零部件的强化，不仅具有能耗低、设备体积小、工作现场环境无污染和对工件表面强化效果好的优点，而且强化方向不需要限定在垂直方向上，可以多角度多位置进行冲击；工作时不需要重复填充喷丸，具有一定的实用性。

Description

一种深孔超声振动冲击强化装置及方法

技术领域

本发明涉及深孔内表面强化处理装置技术领域，具体涉及一种深孔超声振动冲击强化方法及设备。

背景技术

随着制造工业的飞速发展，一些零件和设备常用于高温、高压、高速等苛刻条件下，例如飞机叶片、汽轮机转子、汽车上齿轮，曲轴，连杆等，这些零件承受的交变应力工况复杂，疲劳失效问题日益突出，而设备构件中连接孔处常常成为疲劳失效的关键部位。孔边应力集中大和大量的潜在裂纹是导致构件疲劳破坏的主要原因。对以往的飞机构件疲劳失效统计显示：有70％的疲劳裂纹源于紧固件孔，发生在孔边破坏事故占整个机体疲劳破坏事故的90％以上。因此，改善构件的疲劳性能关键就是要对孔壁强化以提高孔的抗疲劳度。

工业界广泛应用的喷丸强化工艺是一种有效的表面微动防护手段，它通过对零件表层实施冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力。冷作硬化使零件的强度有所提高，残余压应力则会消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的拉应力，材料晶格的畸形使零件在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命。深孔零件强化所需的覆盖面积大于一般孔零件，如何提高效率，降低成本，控制孔壁面质量是其难点。传统通过对孔壁施加塑性变形层达到强化目的的强化技术诸如孔冷挤压、干涉配合、滚压等，其效率低，适应性低且容易提高孔壁表面粗糙度，降低表面质量。

传统机械喷丸已经在孔类零件强化中得到广泛的应用。长杆喷枪通过机械装置固定，喷嘴经柔性接头与喷枪相连接，用这种柔性内孔喷丸装置强化深孔零件，虽能够保证长深孔零件的内壁喷丸质量，但是传统喷丸主要以机械离心力或者压缩空气作为动力源，其处理方法存在能耗大，工作环境存在由破碎的弹丸颗粒产生的粉尘污染，工作设备庞大不方便移动等缺点。随着工业技术的飞速发展，设备的工作条件越来越复杂多变，对构件的疲劳寿命要求越来越高，传统喷丸已渐渐不能满足工业生产的要求。超声喷丸处理技术是一种基于传统喷丸基础上发展而来的新型表面强化技术。其作用机理虽与传统机械喷丸相似，但相较传统喷丸，超声喷丸的设备体积小，能耗低，引入工件表面的残余压应力值更高、残余压应力层更深，提高材料表面的疲劳抗性、耐腐蚀性和硬度。以喷丸为介质的超声喷丸强化深孔零件时，所需喷丸丸粒较多，容易造成工作环境污染，且强化效果一般。

在已公开的现有技术中，专利CN107338350A，2017.11.10公开了一种利用超声振动头轴向振动带动喷丸撞击内孔表面以达到表面强化的装置。其工作原理是通过超声波发生器产生的高频电振荡信号发送给换能器，换能器将接收到的电振荡信号转换为高频机械振动，变幅杆将换能器输出端的高频机械振动的振动幅值放大后传递给超声振动头，进而来带动喷丸撞击零件内孔表面。但此方法在强化内孔表面时，喷丸方向限定在垂直方向上；超声振动头在垂直方向上带动喷丸，多数丸粒则以垂直于振动头的方向向上运动，面对深孔类零件强化时并不能有效的撞击内孔表面，其强化效率较低，效果不佳。专利CN107471118A，2017.12.15公开了一种内孔表面的可调反射式超声喷丸强化装置。该装置通过超声振动装置激励腔室里的喷丸来撞击孔壁，而多数丸粒以接近垂直于超声振动头上表面的方向向上运动与深入孔内的锥面相碰撞后被反射出去，改变了运动方向，再以接近垂直的角度撞击待加工零件的孔壁。对于深孔类零件来说，随着孔的深度增加，深入孔内的锥面与孔壁形成的夹角越小，这限制了丸粒对孔壁的冲击。

本发明针对深孔强化问题，借助撞针强化时获得良好孔壁质量且无需反复装填弹丸的优点，提出一种深孔类零部件的超声冲击强化方法及装置。

发明内容

针对上述出现的问题，本发明提出一种深孔超声振动冲击强化方法及装置，工作时该装置能够实现多角度多工位冲击强化，不需要装填喷丸丸粒且冲击装置也可以根据零件孔径大小进行设计，具有一定的适应性，实现对深孔零部件的快速有效强化。

本发明的技术方案为：

本发明的一种深孔超声振动冲击强化装置包括超声弯曲振动系统、旋转辅助系统和冲击装置；所述的旋转辅助系统连接于超声弯曲振动系统，为弯曲振动提供径向旋转；所述的冲击装置在超声弯曲振动系统的外部，连接于超声弯曲振动系统的下端；所述的冲击装置之上而下依次包括撞杆、撞针套筒；所述的撞针安装在撞针套筒内形成环形阵列，在撞针套筒内构成冲击头。超声弯曲振动换能器将超声电源所产生的高频信号转化为弯曲机械振动，变幅杆将换能器输出端的高频机械振动的振动幅值放大后传递给超声冲击头，进而撞击零件内孔表面。旋转辅助系统为弯曲振动换能器提供径向旋转，使得冲击头能够在整个圆周方向上冲击内孔表面，从而单次处理就达到较高覆盖率。

进一步，所述的超声弯曲振动系统包括超声波发生器、弯曲振动换能器和超声变幅杆；所述的弯曲振动换能器之上而下依次包括螺杆、前盖板、压电陶瓷片、后盖板、弯曲振动圆板；其中，螺杆、前盖板、压电陶瓷片和后盖板组成纵向振动换能器；所述的纵向振动换能器与弯曲振动圆板组成模式转换弯曲换能器；所述的超声波发生器与压电陶瓷片相连。螺杆、前盖板、压电陶瓷片、后盖板组成夹心式压电陶瓷纵向换能器。

进一步，所述的超声变幅杆设置为圆锥型的超声变幅杆；圆锥型超声变幅杆的大端通过双头螺柱与弯曲振动换能器相连；小端通过螺纹连接冲击装置的撞杆。

进一步，所述的旋转辅助系统之上而下包括电动机、联轴器、驱动轴、内壳体；通过轴承在内壳体的外部连接有外壳体，所述的内壳体通过轴承在与支架相固定的外壳体中转动。

进一步，伺服电机驱动器控制电动机的转向和转速，电动机经联轴器带动驱动轴转动，驱动与内壳体通过螺钉相连接，所述的内壳体与超声变幅杆波节点处的圆形法兰盘通过螺钉相连；当内壳体转动时，驱动超声变幅杆随其一起转动，即装置的旋转运动通过电动机、联轴器、驱动轴、内壳体、超声变幅杆、撞杆、撞针套筒最终传递到撞针。本发明的超声振动冲击强化装置通过上述的原理运作适用于深孔类零部件，包括轴向方向竖直或者沿斜向方向的强化，不仅具有能耗低、设备体积小、工作现场环境无污染和对工件表面强化效果好的优点，而且强化方向不需要限定在垂直方向上，可以多角度多位置进行冲击；工作时不需要重复填充喷丸；撞针工具头形状以及撞杆尺寸可以根据需要进行设计调整，灵活性强，具有一定的实用性。

进一步，所述的冲击装置中冲击头类型还包括球面冲击头A其通过螺钉与撞杆相连接，本发明的装置可以将球面冲击头引入作为冲击装置，这在现有技术中是很少见的。

本发明还公开了深孔超声振动冲击强化装置的强化方法，其特征在于，方法如下：

1)超声波振动为动力源，超声波发生器与与纵向换能器中压电陶瓷片相连，超声波发生器将交流电转化为高频电振荡信号；压电陶瓷片在高频电信号的作用下产生纵向振动，纵振激励圆板共振产生弯曲振动；

2)所述的纵向振动换能器与弯曲振动圆板组成模式转换弯曲换能器，在该纵弯耦合模式转换型弯曲振动换能器的作用下，高频电振荡信号转化为同等频率的换能器弯曲机械振动，再经过超声变幅杆的放大与聚能作用将机械振动幅值放大，进而弯曲振动换能器带动撞杆在径向方向上撞击孔壁；

3)旋转辅助系统将产生的圆周方向上旋转运动通过电动机、联轴器、驱动轴、内壳体、变幅杆及撞针套筒最终传递到撞针，使撞针在能够在整个圆周方向上循环冲击内孔。

上述方法中通过撞针反复击打内孔表面，使表面材料产生塑性变形，引入残余压应力并提高工件的力学性能。沿孔轴向方向上的运动可以通过手持设备或机械手臂夹持轴向进给。环形撞针阵列的设计，使得各个撞针在运动过程中的轨迹会填补相互之间的空隙，当转速与移动速度为一定组合时，撞针冲击形成的凹坑阵列会覆盖整个内孔表面，从而提高了超声加工时的覆盖率。

本发明与现有技术的有益效果在于：

(1)将冲击介质由弹丸改为柱状撞针，工作时不需反复装填弹丸；撞针工具头形状可根据需要进行设计；设备体积小，方便手持和移动；以喷丸介质的超声强化装置，喷丸方向限制在竖直方向上。本发明冲击强化可以多角度、多工位进行，灵活性强；

(2)将旋转运动附加在超声振动系统上，使撞针能够在整个圆周方向上循环冲击内孔表面；环形撞针套筒通过螺钉连接在冲击头上，撞针安装在套筒内形成环形阵列，设计出可单次处理就能达到较高覆盖率的超声冲击设备；(3)本发明超声冲击强化装置中的冲击装置可以根据不同孔径大小设计，该装置按照需求适用于不同深度、不同孔径大小的小批量、多样化内孔类零件的强化，具有一定的适应性。

附图说明

图1为本发明深孔超声振动冲击强化装置结构示意图；

图2为本发明深孔超声冲击强化一实例的结构剖视图；

图3为A-球面冲击头；

其中，1-电动机；2-联轴器；3-驱动轴；4-内壳体；5-外壳体；6-轴承；7-撞针套筒；8-撞针；9-撞杆；10-超声变幅杆；11-弯曲振动圆板；12-后盖板；13-压电陶瓷片；14-前盖板；15-预应力螺杆；16-工作台；17-零件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种超声振动冲击强化装置，其包括超声弯曲振动系统、旋转辅助系统和冲击装置。

所述的超声弯曲振动系统包括：超声波发生器、弯曲振动换能器和超声变幅杆。所述弯曲振动换能器包括螺杆15、前盖板14、压电陶瓷片13、后盖板12、弯曲振动圆板11。其中，螺杆15、前盖板14、压电陶瓷片13和后盖板12组成纵向振动换能器，纵向振动换能器与弯曲振动圆板11组成模式转换弯曲换能器。超声波发生器与纵向换能器中压电陶瓷片13相连，超声变幅杆10大端通过双头螺柱与弯曲振动换能器相连，小端通过螺纹连接撞杆9。压电陶瓷堆具有压电效应，通过加载电压信号使陶瓷堆产生位移变化。超声波电源传入的高频电信号通过陶瓷堆的压电效应转化为同等频率纵向机械振动。纵振换能器前端加载一个可弯曲振动的圆板,通过纵振激励圆板的弯振，达到共振，实现纵弯耦合模式转换型弯曲机械振动。

所述的旋转辅助系统主要包括：电动机1、联轴器2、驱动轴3、内壳体4、外壳体5、轴承6。伺服电机驱动器控制电动机1的转向和转速，电动机1经联轴器2带动驱动轴3转动，驱动轴3与内壳体4通过螺钉相连接，内壳体4通过轴承6在与支架相固定的外壳体5中转动。内壳体与超声变幅杆的波节点处设计的圆形法兰盘通过螺钉相连，当内壳体转动时，会驱动变幅杆随其一起转动；这样装置的旋转运动通过电动机、联轴器、驱动轴、内壳体、变幅杆、撞杆、撞针套筒传递到撞针。

所述的冲击装置包括：撞针8、环形撞针套筒7和撞杆9。环形撞针套筒7通过螺钉连接在撞杆9上，撞针8安装在套筒7内形成环形阵列。所述的撞针8为柱面撞针。本发明将冲击介质由弹丸改为撞针，工作时不需要反复装填喷丸且喷丸方向不用限定于垂直方向上，可多角度多位置冲击强化，具有较好的灵活性。将旋转运动附加在超声振动系统中，使撞针能够在整个圆周方向上撞击孔壁。环形撞针阵列的设计，可单次处理就能达到较高覆盖率。

如图2所示，该超声振动冲击强化装置包括超声弯曲振动系统、旋转辅助系统和冲击装置。在弯曲振动系统中，超声波发生器和弯曲换能器的频率范围为20KHz左右。该实例中零件孔径直径为16mm，深度为35mm，贯穿孔零件17固定在工作台16上，环形撞针套筒内装有直径为1mm的柱面撞针阵列。

超声波发生器将工频50Hz的电信号转化为20KHz左右的高频电振荡信号，弯曲振动换能器将高频电信号转化为同频率的弯曲机械振动；圆锥型变幅杆大端通过双头螺柱连接弯曲振动换能器，变幅杆将弯曲振动换能器输出端的机械振动放大幅值(20～120μm)后传递给撞杆9，撞杆9带动撞针8在径向方向上撞击孔壁；旋转辅助系统中，伺服电机驱动器控制电动机的转向和转速，电动机经联轴器带动驱动轴转动；驱动轴通过螺钉与内壳体相联，内壳体通过轴承在与支架相固定的外壳体中转动；内壳体与圆锥型变幅杆的波节点处设计的圆形法兰盘通过螺钉相连，当内壳体转动时，会驱动变幅杆随其一起转动，这使得撞针能够在整个圆周方向上冲击孔的内壁；在弯曲振动和旋转运动的协调作用下，撞针一方面冲击孔的内表面同时也在做旋转运动，大大提高了撞针一次冲击时的覆盖率。本实例中，在孔轴向方向上的运动，由手持设备轴向进给完成。在超声振动冲击强化下，深孔表面残余压应力值较高、表面粗糙程度较小、设备功耗低，便携好且工作环境绿色无污染。如图3所示，冲击装置中冲击头类型还包括球面冲击头A,其通过螺钉与撞杆9相连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种深孔超声振动冲击强化装置，其特征在于，所述的装置包括超声弯曲振动系统、旋转辅助系统和冲击装置；所述的旋转辅助系统连接于超声弯曲振动系统，为弯曲振动提供径向旋转；所述的冲击装置在超声弯曲振动系统的外部，连接于超声弯曲振动系统的下端；所述的冲击装置之上而下依次包括撞杆(9)、撞针套筒(7)；所述的撞针(8)安装在撞针套筒(7)内形成环形阵列，在撞针套筒(7)内构成冲击头。

2.根据权利要求1所述的一种深孔超声振动冲击强化装置，其特征在于，所述的超声弯曲振动系统包括超声波发生器、弯曲振动换能器和超声变幅杆(10)；所述的弯曲振动换能器自上而下依次包括螺杆(15)、前盖板(14)、压电陶瓷片(13)、后盖板(12)、弯曲振动圆板(11)；其中，螺杆(15)、前盖板(14)、压电陶瓷片(13)和后盖板(12)组成纵向振动换能器；所述的纵向振动换能器与弯曲振动圆板(11)组成模式转换弯曲换能器；所述的超声波发生器与压电陶瓷片(13)相连。

3.根据权利要求2所述的一种深孔超声振动冲击强化装置，其特征在于，所述的超声变幅杆(10)设置为圆锥型的超声变幅杆；圆锥型超声变幅杆(10)的大端通过双头螺柱与弯曲振动换能器相连；小端通过螺纹连接冲击装置的撞杆(9)。

4.根据权利要求1所述的一种深孔超声振动冲击强化装置，其特征在于，所述的旋转辅助系统之上而下包括电动机(1)、联轴器(2)、驱动轴(3)、内壳体(4)；通过轴承(6)在内壳体(4)的外部连接有外壳体(5)，所述的内壳体(4)通过轴承(6)在与支架相固定的外壳体(5)中转动。

5.根据权利要求4所述的一种深孔超声振动冲击强化装置，其特征在于，伺服电机驱动器控制电动机(1)的转向和转速，电动机(1)经联轴器(2)带动驱动轴(3)转动，驱动轴(3)与内壳体(4)通过螺钉相连接，所述的内壳体(4)与超声变幅杆(10)波节点处的圆形法兰盘通过螺钉相连；当内壳体(4)转动时，驱动超声变幅杆(10)随其一起转动，即装置的旋转运动通过电动机(1)、联轴器(2)、驱动轴(3)、内壳体(4)、超声变幅杆(10)、撞杆(9)、撞针套筒(7)最终传递到撞针(8)。

6.根据权利要求1所述的一种深孔超声振动冲击强化装置，其特征在于，所述的冲击装置中冲击头类型还包括球面冲击头A,其通过螺钉与撞杆(9)相连接。

7.根据权利要求1～6任一所述的一种深孔超声振动冲击强化装置的强化方法，其特征在于，方法如下：

1)超声波振动为动力源，超声波发生器与与纵向换能器中压电陶瓷片(13)相连，超声波发生器将交流电转化为高频电振荡信号；压电陶瓷片(13)在高频电信号的作用下产生纵向振动，纵振激励圆板共振产生弯曲振动；

2)所述的纵向振动换能器与弯曲振动圆板(11)组成模式转换弯曲换能器，在该纵弯耦合模式转换型弯曲振动换能器的作用下，高频电振荡信号转化为同等频率的换能器弯曲机械振动，再经过超声变幅杆的放大与聚能作用将机械振动幅值放大，进而弯曲振动换能器带动撞杆在径向方向上撞击孔壁；

3)旋转辅助系统将产生的圆周方向上旋转运动通过电动机(1)、联轴器(2)、驱动轴(3)、内壳体(4)、变幅杆(10)及撞针套筒(7)最终传递到撞针(8)，使撞针在能够在整个圆周方向上循环冲击内孔。