CN110724803B - 超声波空化喷丸方法及其使用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波空化喷丸方法及其使用装置，该超声波空化喷丸方法包括：提供超声波组件，所述超声波组件包括超声波换能器以及连接于所述超声波换能器上的超声波变幅杆；提供第一工件，所述第一工件包括第一待处理面，所述第一工件可拆卸的连接于所述超声波变幅杆并暴露出所述第一待处理面；将所述超声波组件与超声波电源连通，以及，将所述第一待处理面浸没于液体介质中，以使所述超声波组件产生的超声波通过所述第一待处理面传入所述液体介质中，使所述液体介质中的空化泡溃灭产生微射流和冲击波，以实现对所述第一待处理面的喷丸强化。该方法使得工件喷丸强化表面为最大的声强表面，降低了喷丸技术对工件表面形状的限制，扩大了加工范围。

Description

超声波空化喷丸方法及其使用装置

技术领域

本发明涉及金属表面喷丸强化领域，特别是涉及一种超声波空化喷丸方法及其使用装置。

背景技术

表面喷丸处理是一种常见的金属表面强化技术，广泛用于提高金属材料表面硬度、抗疲劳性能以及抗腐蚀性能。但是，传统的喷丸处理技术一般通过丸料高速冲击金属表面并产生表面塑性变形，改善金属表层组织结构，植入有益残余压应力，进而实现表面强化的目的。该方法受喷丸丸料尺寸的限制，难以实现微小尺寸、微细尖端及复杂曲面的零件表面强化。而超声波冲击强化技术是利用超声波在液体中传递产生的空化泡溃灭而产生的冲击波和微射流，对零件表面进行冲击强化，该方法无冲击丸料，适用范围广。由于超声波空化强度在液体介质中存在衰减的现象，且受限于超声波系统的输出功率限制，导致目前超声波空化喷丸主要形式为近场超声波空化喷丸强化，即声波辐射面与喷丸工件的表面距离非常近，仅为1mm左右，只能针对简单、平整的金属表面进行超声波空化喷丸强化，无法应用于形状复杂的金属表面，严重限制了其在工程上的应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种超声波空化喷丸方法，该方法通过将第一工件的第一待处理面作为声波辐射面辐射超声波，以使第一待处理面为最大声强表面，实现工件表面的喷丸强化。

一种超声波空化喷丸方法，包括：

提供超声波组件，所述超声波组件包括超声波换能器以及连接于所述超声波换能器上的超声波变幅杆；

提供第一工件，所述第一工件包括第一待处理面，所述第一工件可拆卸的连接于所述超声波变幅杆并暴露出所述第一待处理面；

将所述超声波组件与超声波电源连通，以及，将所述第一待处理面浸没于液体介质中，以使所述超声波组件产生的超声波通过所述第一待处理面传入所述液体介质中，所述液体介质中的空化泡溃灭产生微射流和冲击波作用于所述第一待处理面，以实现对所述第一待处理面的空化喷丸强化。

进一步地，所述超声波的频率为大于等于20kHz。

进一步地，还包括提供一声波反射件，所述声波反射件包括声波反射面，所述声波反射件置于所述液体介质中，且将所述声波反射面面向所述第一待处理面设置，所述第一待处理面的正投影至少部分位于所述声波反射面上。

进一步地，所述第一待处理面的正投影全部位于所述声波反射面上。

进一步地，所述声波反射面与所述第一待处理面平行设置。

进一步地，所述第一待处理面与所述声波反射面的垂直距离小于等于二分之一的超声波的波长。

进一步地，所述声波反射件为第二工件，所述第二工件包括第二待处理面，所述第二待处理面为所述声波反射面。

进一步地，所述超声波空化喷丸方法还包括提供一运动连接件，所述超声波组件固定于所述运动连接件，所述运动连接件能够驱动所述超声波组件移动。

进一步地，所述超声波空化喷丸方法还包括提供一喷丸池，所述喷丸池用于容纳液体介质。

一种所述的超声波空化喷丸方法的使用装置，包括超声波组件及第一工件，所述第一工件通过可拆卸的方式连接于所述超声波组件，所述第一工件具有第一待处理面，所述第一待处理面用于辐射超声波。

本发明所提供的超声波空化喷丸方法，将第一工件的第一待处理面作为声波辐射面辐射超声波至液体介质中，使得所述第一待处理面为最大的声强表面，从而有效克服了超声波空化强度在液体介质中的衰减现象，减少了声强强度与工件表面的距离限制，进而扩大了工程应用范围。同时，第一待处理面为声波辐射面，降低了喷丸技术对工件表面形状的限制，使得第一待处理面能够实现高效率、质量均匀性好的喷丸强化，进而能够实现对微细孔、微细尖端等形状复杂的金属表面的喷丸强化作用，扩大其加工范围。

本发明所提供的超声波空化喷丸装置，易于操作，加工效率高，能够实现对微细孔、尖端等形状复杂的金属表面的强化作用，扩大工件的加工范围。

附图说明

图1为本发明一实施方式的超声波空化喷丸方法的示意图；

图2为图1所示超声波空化喷丸方法的声波传递路径示意图；

图3为图1所示方法处理的钛合金工件表面的光学显微图；

图4为本发明另一实施方式的超声波空化喷丸方法的声波传递路径示意图。

其中，10、运动连接件；20、超声波组件；201、超声波换能器；202、超声波变幅杆；30、第一工件；301、第一待处理面；40、喷丸池；50、液体介质；60、超声波电源；70、声波反射件；701、声波反射面。

具体实施方式

以下将通过实施例，并结合附图，对本发明的超声波空化喷丸方法及其使用装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的超声波空化喷丸方法，包括：

提供超声波组件20，所述超声波组件20包括超声波换能器201以及连接于所述超声波换能器上的超声波变幅杆202；

提供第一工件30，所述第一工件30包括第一待处理面301，所述第一工件30可拆卸的连接于所述超声波变幅杆202并暴露出所述第一待处理面301；

将所述超声波组件20与超声波电源60连通，以及，将所述第一待处理面301浸没于液体介质50中，以使所述超声波组件20产生的超声波通过所述第一待处理面301传入所述液体介质50中，所述液体介质50中的空化泡溃灭产生微射流和冲击波作用于所述第一待处理面301，以实现对所述第一待处理面301的空化喷丸强化。

超声波组件20中，超声波换能器201用于将超声波电源60的高频震荡电信号转换成纵向机械振动的超声波，并传递给超声波变幅杆202。考虑到压电陶瓷换能器可操控强、灵敏度高、机电耦合性好，具有较佳的使用效果，超声波换能器201优选为压电陶瓷圆盘换能器。

进一步，所述超声波换能器201与所述超声波电源60提供的超声波的频率为大于等于20kHz，考虑到超声波的频率会影响超声波空化喷丸强化的效果，超声波频率优选为20kHz～21kHz。

所述超声波变幅杆202用于将超声波机械振动的质点位移或速度放大，并传递给第一工件30。超声波变幅杆202传递的超声波输出振幅一般在几微米到几十微米之间，振幅越大，超声波产生的能量越强，振动效果越好，进而液体介质50的空化效应越强，实现第一工件30的喷丸强化。然而，超声波振幅过大时，第一工件30的第一待处理面301喷丸强化效果过强，会造成第一待处理面301损伤。超声波振幅过小，第一工件30的第一待处理面301喷丸强化效果不足，不能获得质量优异的喷丸强化表面。因此，应根据液体介质50和喷丸工件材料，进行工艺试验和优化，确定合理的振幅值，以实现第一工件30的第一待处理面301的喷丸强化。

具体的，第一工件30设有第一待处理面301，第一工件30与超声波变幅杆202连接，并暴露出第一工件30的第一待处理面301。

结合图2所示，超声波通过第一待处理面301传入液体介质50中，所以，所述第一工件30的第一待处理面301为最大声强表面，从而使第一待处理面301处具有高强度的超声波空化效应，以实现对第一待处理面301的空化喷丸强化，克服了超声波空化强度在液体介质50中的衰减而强化效果不佳的问题，提高了声波辐射面与喷丸工件的待处理面之间的喷丸强化距离，使喷丸强化距离大于1mm，从而拓宽了超声波空化喷丸方法的使用范围。

所以，本实施例的超声波空化喷丸方法能够克服超声波声场强度与工件表面的喷丸强化距离限制，达到优异的空化喷丸强化效果。

进一步地，超声波换能器201和第一工件30的连接端面中心处可加工有螺纹，分别通过双头螺柱与超声波变幅杆202连接。

具体的，所述第一工件30的第一待处理面301的形状不限，包括平面、弧形表面、微细孔表面、尖端表面以及不规则表面，如圆柱弧形的第一待处理面301或球弧形的第一待处理面301。

具体的，所述超声波空化喷丸方法还包括提供一运动连接件10。其中，超声波组件20能够通过轴肩固定、套筒固定、圆螺母定位等方式固定安装于运动连接件10上，使所述超声波组件20与运动平台连接，并进行自动化运动控制。然后，运动连接件10通过与电动机等驱动机构连通，以驱动运动连接件10带动所述超声波组件20与所述第一工件30在喷丸池内移动，完成第一工件30的第一待处理面301的空化喷丸强化，操作简单，加工效率高。

具体的，所述超声波空化喷丸方法还包括提供一喷丸池40，用于容纳液体介质50。其中，第一工件30的第一待处理面301在容纳液体介质50的喷丸池40内完成强化，从而获得表质量优异的喷丸强化表面。其中，喷丸池40的形状和尺寸无具体要求。

进一步地，所述液体介质50是可以产生空化效应的液体，包括水、煤油等，所述液体介质50完全浸没第一待处理面301即可。

例如，采用本实施例的方法处理钛合金工件表面，在本实施例中，第一工件30为钛合金工件，第一待处理面301为钛合金工件表面，将钛合金工件连接于超声波组件20中的超声波变幅杆202，并暴露出钛合金工件表面。超声波组件20与超声波电源60连通，此时超声波换能器201的有效输出功率约为120W。钛合金工件表面浸没于水中，通过钛合金工件表面将产生的超声波传递到水中，以使水中发生超声波空化效应，空化泡溃灭产生微射流和冲击波，对钛合金工件表面进行冲击塑性变形，从而实现钛合金工件表面的喷丸强化。

如图3所示，未处理的钛合金工件表面相对明亮，且无金属损失，表面的硬度约为HV320；处理15min后，钛合金工件表面实现喷丸强化，表面的硬度为HV380；处理时间为30min时，由于超声波空化喷丸强化作用持续时间太久，空化效应使钛合金工件表面产生损伤，从而钛合金工件表面产生金属损失，进而钛合金工件表面开始形成空蚀效性，此时，表面的硬度约为HV340；处理时间达到60min后，钛合金工件表面出现了大面积的金属脱落，且呈现灰暗色，表面上的车削痕迹变模糊，此时表面的硬度约为HV300。

上述结果表明，本实施例所提供的超声波空化喷丸方法能够实现金属表面的喷丸强化，在本实施例中，钛合金工件表面的硬度可提升20％～30％。

实施例2：

如图4所示，本实施例在实施例1的基础上，还包括提供一声波反射件70，所述声波反射件70包括声波反射面701，且所述声波反射件70置于所述液体介质50中。

具体的，所述声波反射面701面向所述第一待处理面301设置。所述第一待处理表面301辐射高强度的超声波，通过液体介质50传递到声波反射面701上，超声波再经过声波反射面701反射到第一待处理面301上，使得第一待处理面301的超声波强度进一步增强，从而提高了第一待处理面301的超声波空化效应，增强超声波空化喷丸强度，获得质量均匀性优异的表面。

其中，声波反射件70面向第一工件30设置，所述第一待处理面301的正投影至少部分位于所述声波反射面70上。

可以理解的，所述第一待处理面301的正投影部分位于所述声波反射面70上时，第一待处理面301辐射的超声波只能部分传递至声波反射面70，并部分反射回来，从而使得第一待处理面301的表面强化不均匀。所以，本申请优选所述第一待处理面301的正投影全部位于所述声波反射面70上，此时，第一待处理面301辐射的超声波能够全部被声波反射面70反射回来，使得第一待处理面301获得质量均匀的优异表面。

其中，声波反射面701的形状没有限制，包括平面反射面、弧形反射面、波浪形反射面、微细孔反射面、尖端反射面以及不规则表面的反射面，能够实现声波的反射。

进一步地，声波反射件70可以面向第一工件30倾斜放置或平行放置，使得声波反射面701能够倾斜面向第一待处理面301，也可以平行面向第一待处理面301。

声波反射面70与第一待处理面301平行设置时，所述第一待处理面301与所述声波反射面70的垂直距离小于等于二分之一的超声波的波长。

第一待处理面301之间的超声波空化喷丸强化效果可以通过调节第一待处理面301与声波反射面70的垂直距离进行控制。超声波在液体介质50中的传递，在半波长范围内，当第一待处理面301与声波反射面70垂直距离增大时，超声波强度发生衰减，空化效应减弱，使得待处理面301的喷丸强化减弱。其中，当第一待处理面301与声波反射面70的垂直距离等于半波长时，声波在声波反射面701与第一待处理面301之间能够形成驻波，显著增强了第一待处理面301的超声波强度，从而第一待处理面301的超声波空化效应明显提高，进而获得质量优异的强化表面。

具体的，所述声波反射元件70为第二工件，其中，第二工件包括第二待处理面，第二待处理面为声波反射面701，放置于液体介质50中，从而实现两个工件表面的同时强化。

具体的，第二工件的形状没有限制。考虑到第一待处理面301为波浪形表面，第二待处理面为平面时，第一待处理面301各位置与第二待处理面的垂直距离不一致，使得第二待处理面接受到的超声波强度不同，第二待处理面反射至第一待处理面301的超声波强度也不同，从而导致第一待处理面301和第二待处理面的表面强化效果不均匀。因此，为了保证两个工件表面的同时强化且效果均匀，第一工件30的形状与第二工件的形状优选为相同，以使两个工件表面能够获得更优的强化效果。

另外，第一待处理面301为弧形表面时，能够使超声波在液体介质50中产生交集并聚集于一处，将第二待处理表面放置于该超声波聚焦位置，能使第二待处理面的某一处具有较强的强化作用。优选地，第二待处理面为具有微细尖端或微细孔的表面或尖端表面。

本发明还提供所述的超声波空化喷丸方法的使用装置，包括超声波组件20及第一工件30，所述第一工件30通过可拆卸的方式连接于所述超声波组件20，所述第一工件30具有第一待处理面301，所述第一待处理面301用于辐射超声波。

具体的，考虑到工件的使用效果，本实施方式采用可拆卸连接的方式将第一工件30与超声波组件20连接，包括螺栓连接、销连接、过盈连接等多种方式，使得超声波通过第一待处理面301传递到液体介质中，从而实现第一待处理面301的空化喷丸强化。

可以理解，在其他实施方式中，第一工件30还可以利用焊接的方式连接于超声波组件20。

因此，本发明所提供的超声波空化喷丸方法的使用装置具有易于操作、加工效率高的特点，能够扩大工件的加工范围。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超声波空化喷丸方法，其特征在于，包括：

提供超声波组件，所述超声波组件包括超声波换能器以及连接于所述超声波换能器上的超声波变幅杆；

提供第一工件，所述第一工件包括第一待处理面，所述第一工件可拆卸的连接于所述超声波变幅杆并暴露出所述第一待处理面；

将所述超声波组件与超声波电源连通，以及，将所述第一待处理面浸没于液体介质中，所述液体介质中还设置有声波反射件，所述声波反射件包括声波反射面，所述声波反射面面向所述第一待处理面设置，所述第一待处理面的正投影至少部分位于所述声波反射面上；

所述超声波组件产生的超声波通过所述第一待处理面传入所述液体介质中，所述液体介质中的空化泡溃灭产生微射流和冲击波作用于所述第一待处理面，以及，所述超声波组件产生的超声波通过液体介质传递到声波反射面上，超声波再经过声波反射面反射到第一待处理面上，以实现对所述第一待处理面的空化喷丸强化。

2.根据权利要求1所述的超声波空化喷丸方法，其特征在于，所述超声波的频率为大于等于20kHz。

3.根据权利要求1所述的超声波空化喷丸方法，其特征在于，所述第一待处理面的正投影全部位于所述声波反射面上。

4.根据权利要求1所述的超声波空化喷丸方法，其特征在于，所述声波反射面与所述第一待处理面平行设置。

5.根据权利要求4所述的超声波空化喷丸方法，其特征在于，所述第一待处理面与所述声波反射面的垂直距离小于等于二分之一的超声波的波长。

6.根据权利要求1所述的超声波空化喷丸方法，其特征在于，所述声波反射件为第二工件，所述第二工件包括第二待处理面，所述第二待处理面为所述声波反射面。

7.根据权利要求1～6任一项所述的超声波空化喷丸方法，其特征在于，所述超声波空化喷丸方法还包括提供一运动连接件，所述超声波组件固定于所述运动连接件，所述运动连接件能够驱动所述超声波组件移动。

8.根据权利要求1～6任一项所述的超声波空化喷丸方法，其特征在于，所述超声波空化喷丸方法还包括提供一喷丸池，所述喷丸池用于容纳液体介质。

9.一种如权利要求1所述的超声波空化喷丸方法的使用装置，其特征在于，包括超声波组件、第一工件以及声波反射件，所述第一工件通过可拆卸的方式连接于所述超声波组件，所述第一工件具有第一待处理面，所述第一待处理面用于辐射超声波，所述声波反射件包括声波反射面，所述声波反射面面向所述第一待处理面设置，所述第一待处理面的正投影至少部分位于所述声波反射面上。

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