CN110802522A - 超声空化喷丸装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声空化喷丸装置及其使用方法，该装置包括至少一个超声波组件，所述超声波组件包括超声波辐射头，所述超声波辐射头具有声波辐射面，所述声波辐射面用于辐射超声波，所述声波辐射面环绕工件，并形成闭合的喷丸区域。本发明的超声空化喷丸装置的声波辐射面形成闭合的喷丸区域，有效提高声波辐射面的面积，能够从不同方向将超声波传入到液体介质中，实现工件360°全周向的同时强化，进而可实现对微细齿轮等形状复杂、尺寸微小的金属表面的强化作用。而且，本发明的超声空化喷丸装置的使用方法，易于操作，加工效率高。

Description

超声空化喷丸装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，特别是涉及一种超声空化喷丸装置及其使用方法。

背景技术

金属表面强化处理的目的在于提高表面硬度、增强金属表面耐腐蚀和耐磨损性能，进而达到延长金属工件的服役性能和服役寿命。喷丸强化是一种常见的表面强化工艺，通过冲击或撞击在金属表面产生塑性变形，并植入有益的残余压力，达到表面强化的效果。但是，传统的喷丸技术是利用高速运动的丸料或撞针对金属表面进行强化，冲击力度大，使金属表面易出现损伤。而且，传统喷丸方法受限于丸料大小，对尖端及微孔等极限位置的喷丸强化难以实现。超声波空化喷丸技术是一种新型的表面喷丸强化技术，但喷丸辐射面局限于平面形式，只能对简单、平整的金属表面实现强化，强化效率低，对于形状复杂、尺寸微小的金属表面均无法实现高效高质量强化，限制了该技术在工程上的应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种超声空化喷丸装置及其使用方法，该装置能够实现对工件全周向的空化喷丸强化，有效提高超声波空化喷丸强化的效率，效果显著，可广泛应用于各种金属表面的强化。

一种超声空化喷丸装置，包括至少一个超声波组件，所述超声波组件包括超声波辐射头，所述超声波辐射头具有声波辐射面，所述声波辐射面用于辐射超声波，所述声波辐射面环绕工件，并形成闭合的喷丸区域。

进一步地，所述喷丸区域延伸形成一喷丸通道。

进一步地，所述喷丸通道的形状为圆柱形。

进一步地，所述超声空化喷丸装置还包括传输件，所述传输件能够于所述喷丸通道中移动。

进一步地，所述传输件位于所述喷丸通道的轴线上。

进一步地，所述超声波组件还包括超声波换能器以及连接于所述超声波换能器的超声波变幅杆，所述超声波辐射头位于所述超声波变幅杆的一端。

进一步地，所述超声空化喷丸装置还包括支撑装置，所述超声波组件安装于所述支撑装置内。

进一步地，所述超声空化喷丸装置还包括用于容纳液体介质的喷丸池，所述喷丸池安装于所述支撑装置上并与所述喷丸区域连通。

一种所述的超声空化喷丸装置的使用方法，包括：

将所述喷丸区域浸没于液体介质中；以及

将所述超声波组件与超声波电源连通，所述超声波组件产生超声波，所述超声波传入所述液体介质中，使得所述液体介质中的空化泡溃灭产生微射流和冲击波，以实现对所述工件的表面的喷丸强化。

进一步地，所述超声空化喷丸装置还包括用于装配工件的传输件，所述传输件于所述喷丸通道中移动。

本发明的超声空化喷丸装置的声波辐射面用于辐射超声波，所述超声波辐射面环绕所述工件形成闭合的喷丸区域，可有效提高声波辐射面的面积。同时，闭合的喷丸区域能够从不同方向将超声波传入到液体介质中，使得液体介质中的超声波能够产生交集甚至聚焦于一处，显著提升超声波空化喷丸强度。

另外，环绕工件的喷丸区域可对工件的全周向表面均产生强烈的冲击作用，同时实现表面冲击塑性变形。从而，本发明能够实现工件360°全周向的同时强化，强化效率高、质量均匀性好、无死角，进而可实现对微细齿轮等形状复杂、尺寸微小的金属表面的强化作用，扩大其加工范围。

本发明的超声空化喷丸装置的使用方法，易于操作，加工效率高。该使用方法利用超声波引起液体介质产生空化效应，空化泡瞬间溃灭产生的微射流和冲击波，能够在金属表面产生塑性变形，植入残余压应力，强化金属表面，提高金属表面硬度，进而改善金属材料表面的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性能。

附图说明

图1为本发明一实施方式的超声空化喷丸装置的剖视图；

图2为本发明超声空化喷丸装置的其它实施方式的喷丸区域示意图；

图3为图1所述的超声空化喷丸装置的另一位置剖视图；

图4为图1所述的超声空化喷丸装置的轴测图。

其中，10、超声波组件；101、超声波换能器；102、超声波变幅杆；103、超声波辐射头；103a、声波辐射面；20、喷丸区域；30、支撑装置；301、中空通道；40、传输件；50、工件；60、喷丸池；70、底座；80、液体介质。

具体实施方式

以下将通过实施例，并结合附图，对本发明的超声空化喷丸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。

如图1所示，为本发明提供的一实施方式的超声空化喷丸装置，所述超声空化喷丸装置用于金属表面的强化处理，本实施方式中，所述超声波空化喷丸装置能够实现对微细齿轮等形状复杂、尺寸微小的金属表面的强化作用，扩大了超声波空化喷丸装置的工程应用领域和范围。

本实施方式中，所述超声空化喷丸装置包括一个超声波组件10，所述超声波组件10包括超声波辐射头103，所述超声波辐射头103具有声波辐射面103a，所述声波辐射面103a用于辐射超声波，所述声波辐射面103a环绕工件50，并形成闭合的喷丸区域20。

具体的，所述超声波组件10还包括超声波换能器101以及连接于所述超声波换能器101的超声波变幅杆102，所述超声波辐射头103位于所述超声波变幅杆102的一端。

其中，超声波换能器101优选为压电陶瓷圆盘换能器，与超声波电源连接，用于将超声波电源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102。

所述超声波变幅杆102用于将超声波机械振动的质点位移或速度放大，并传递给超声波辐射头103，由超声波辐射头103传入液体介质80中。

进一步地，超声波换能器101和超声波辐射头103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102连接，组成超声波组件10。

具体的，超声波辐射头103的声波辐射面103a用于喷丸强化处理工件50，所述声波辐射面103a环绕所述工件50形成闭合的喷丸区域20，不仅可以提高声波辐射面的面积，而且形成闭合的喷丸区域20能够从不同方向将超声波传入到液体介质80中，使得液体介质80中的超声波能够产生交集甚至聚焦于一处，从而显著提升了超声波空化喷丸效果。

而且，环绕工件50的喷丸区域20内具有高强度的超声波空化效应，可对工件50的全周向表面均产生强烈的冲击作用，以同时实现表面冲击塑性变形，提高表面的硬度、耐蚀性和耐磨性等。从而，本发明能够实现工件360°全周向的同时强化，强化效率高、质量均匀性好、无死角，进而可实现对微细齿轮等形状复杂、尺寸微小的金属表面的强化作用，扩大其加工范围。

具体的，所述喷丸区域20的形状不限，包括由多个平面合围形成的多边形喷丸区域，如三边形喷丸区域、四边形喷丸区域、五边形喷丸区域等，由弧形表面合围形成的圆形喷丸区域，以及不规则表面合围形成的喷丸区域。

在本实施方式中，所述喷丸区域20延伸形成一喷丸通道，喷丸通道的长度不限，根据实际工程应用而调整。

可以理解，不同形状的喷丸通道中超声波的汇集情况不同，各位置的超声波强度不同。其中，当喷丸区域20延伸形成的喷丸通道为柱形喷丸通道，尤其是圆柱形喷丸通道时，其声波辐射面103a能够360°全周向均匀的将超声波传入到液体介质80中，并聚焦于圆柱形喷丸通道的轴线上，显著提升轴线上的空化喷丸强度。

具体的，所述超声空化喷丸装置还包括传输件40，所述传输件40为能够满足传送功能的圆柱轴、链条等，具体不限，通过与电动机等驱动机构连通，以驱动其在喷丸通道中移动。

工件50通过螺母锁紧等方式固定于传输件40上，在传输件40的带动下通过喷丸通道并完成空化喷丸强化，不仅易于操作，加工效率高，而且可实现批量化生产。

所述传输件40可于所述喷丸通道中的任意位置移动。由于不同形状的喷丸通道中各位置的超声波强度不同，所以，传输件40在喷丸通道中的活动位置可依据工件50所需要的空化喷丸强度而定，选择性大。

其中，所述喷丸通道的形状为圆柱形时，考虑到通道内的超声波聚焦于圆柱形喷丸通道的轴线上，使轴线位置具有高强度的空化效应，传输件40于圆柱形喷丸通道中的轴线上移动，因此，工件50的强化效果好、效率高。

具体的，所述超声空化喷丸装置还包括支撑装置30，超声波组件10可通过轴肩固定、套筒固定、圆螺母定位等方式固定安装于支撑装置30内，以提供稳定的喷丸环境。

同时，所述超声空化喷丸装置还包括底座70，所述支撑装置30安装于所述底座70上，以使超声空化喷丸装置稳定运行。

具体的，所述超声空化喷丸装置还包括用于容纳液体介质的喷丸池60，所述喷丸池60安装于所述支撑装置30上并与所述喷丸区域20连通。

可以理解，所述支撑装置30设有中空通道301，所述喷丸区域20位于所述中空通道301中，以使喷丸区域20通过中空通道301与喷丸池60保持连通。

在本实施方式中，考虑到传输件40在通过喷丸通道完成空化喷丸强度后，于喷丸池60中进行工件50的更换，所以，喷丸池60优选为长方体的喷丸池，且喷丸通道的通道口与面向该通道口的喷丸池60的池壁的距离为L，L大于等于传输件40的长度。

具体的，所述液体介质80是可以产生空化效应的液体，包括水、煤油等，所述液体介质80浸没喷丸通道即可，优选的，所述喷丸通道的通道口与喷丸池60的池底的最远距离为H，所述液体介质80的液面与喷丸池60的池底的最远距离大于等于H+5mm，优选为H+10mm。

在其它的实施方式中，所述超声波组件10的数量可以为多个，每一所述超声波组件10均包括超声波辐射头103，每一所述超声波辐射头103均具有声波辐射面103a，每一所述声波辐射面103a均用于辐射高能超声波，多个所述声波辐射面103a环绕所述工件50形成闭合的喷丸区域20。

如图2a所示，超声波组件10的数量为2个，2个声波辐射面103a能够环绕所述工件50形成圆形闭合的喷丸区域20。

如图2b所示，超声波组件10的数量为3个，3个声波辐射面103a能够环绕所述工件50形成三边形闭合的喷丸区域20。

如图2c所示，超声波组件10的数量为4个，4个声波辐射面103a能够环绕所述工件50形成四边形闭合的喷丸工区域20。

同样，考虑到弧形辐射面形成的喷丸区域20能够使超声波传入液体介质80后产生聚焦，所以，所述声波辐射面103a优选为弧形辐射面。

进一步的，多个弧形辐射面合围形成喷丸区域20时，每一弧形辐射面所对应的圆心角可相同，也可不同，优选为相同。如，2个弧形辐射面合围形成圆形喷丸区域时，每一弧形辐射面所对应的圆心角为180°，以此类推，3个时的圆心角为120°，4个时的圆心角为90°等。

另外，在超声波组件10的数量为多个时，每一超声波组件10的频率和振幅可相同，也可不同，根据实际使用环境与需求而定，优选为相同。

如图3和图4所示，在本发明提供的超声波空化喷丸装置，所述超声空化喷丸装置具有3个超声波组件10，3个超声波组件10均包括超声波辐射头103，所述超声波辐射头103具有声波辐射面103a，所述声波辐射面103a用于辐射超声波，所述声波辐射面103a环绕所述工件50，并形成闭合的喷丸区域20。

其中，3个超声波组件10的声波辐射面103a均为弧形辐射面，弧形辐射面对应的圆心角分别均为120°，以形成圆形的喷丸区域20，且喷丸区域20延伸形成圆柱形喷丸通道。从而，通过三个超声波组件10将超声波传入液体介质80中，并聚焦于圆柱形喷丸通道的轴线上。

进一步的，3个超声波组件10的频率和振幅均相等，以在圆柱形喷丸通道中产生360°全周向、均匀的空化效应。

另一方面，本发明还提供了一种所述的超声空化喷丸装置的使用方法，包括：

S1，将所述喷丸区域20浸没于液体介质80中；以及

S2，将所述超声波组件10与超声波电源连通，所述超声波组件10产生超声波，所述超声波传入所述液体介质80中，使得所述液体介质80中产生超声波空化效应，工件表面位置的空化泡溃灭产生微射流和冲击波，以实现对所述工件50的表面喷丸强化。

在超声空化喷丸装置的使用方法中，超声波电源及超声波换能器101提供的超声波频率与超声波的空化作用强度有关，因此，超声波的频率要合理调控，优选为20kHz～21kHz。

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80的空化效应越强，实现工件50的强化。然而，超声波振幅过大时，工件50的表面强化效果过强，会造成表面损伤。超声波振幅过小，工件50的表面强化效果不足，不能获得质量优异的强化表面。因此，应根据液体介质80和喷丸工件材料，进行工艺试验和优化，确定合理的振幅值，以实现工件50的表面的喷丸强化。

所述超声空化喷丸装置还包括用于装配工件50的传输件40，工件50固定于传输件40上，传输件40带动着工件50可移动地置于喷丸通道中，通过液体介质80中的空化泡溃灭产生微射流和冲击波，实现对所述工件50的喷丸强化。

传输件40在喷丸通道20中移动时，若通过速率太慢，工件50在喷丸通道内的停留时间会过长，导致工件50表面会因强化时间过长而造成损伤，若通过速率过快时，工件50在喷丸通道内的停留时间太短，导致工件50表面因强化时间不足而不能获得质量优异的表面。所以，考虑到工件50表面的强化效果，所述传输件40的移动速率可以结合超声波空化强度、液体介质80及喷丸工件材料，进行合理设定。

本发明的超声空化喷丸装置的使用方法，将超声波传递到液体介质80中，引起高强度的超声波空化效应，实现工件50的空化喷丸强化，能够使金属表面产生塑性变形，植入残余压应力，强化金属表面，提高金属表面硬度，进而改善金属材料表面的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性能，易于操作，加工效率高。

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 (10)

1.一种超声空化喷丸装置，其特征在于，包括至少一个超声波组件，所述超声波组件包括超声波辐射头，所述超声波辐射头具有声波辐射面，所述声波辐射面用于辐射超声波，所述声波辐射面环绕工件，并形成闭合的喷丸区域。

2.根据权利要求1所述的超声空化喷丸装置，其特征在于，所述喷丸区域延伸形成一喷丸通道。

3.根据权利要求2所述的超声空化喷丸装置，其特征在于，所述喷丸通道的形状为圆柱形。

4.根据权利要求2所述的超声空化喷丸装置，其特征在于，所述超声空化喷丸装置还包括传输件，所述传输件能够于所述喷丸通道中移动。

5.根据权利要求4所述的超声空化喷丸装置，其特征在于，所述传输件位于所述喷丸通道的轴线上。

6.根据权利要求1所述的超声空化喷丸装置，其特征在于，所述超声波组件还包括超声波换能器以及连接于所述超声波换能器的超声波变幅杆，所述超声波辐射头位于所述超声波变幅杆的一端。

7.根据权利要求1所述的超声空化喷丸装置，其特征在于，所述超声空化喷丸装置还包括支撑装置，所述超声波组件安装于所述支撑装置内。

8.根据权利要求7所述的超声空化喷丸装置，其特征在于，所述超声空化喷丸装置还包括用于容纳液体介质的喷丸池，所述喷丸池安装于所述支撑装置上并与所述喷丸区域连通。

9.一种权利要求1～8任一项所述的超声空化喷丸装置的使用方法，其特征在于，包括：

将所述喷丸区域浸没于液体介质中；以及

将所述超声波组件与超声波电源连通，所述超声波组件产生超声波，所述超声波传入所述液体介质中，使得所述液体介质中的空化泡溃灭产生微射流和冲击波，以实现对所述工件的表面的喷丸强化。

10.根据权利要求9所述的超声空化喷丸装置的使用方法，其特征在于，所述超声空化喷丸装置还包括用于装配工件的传输件，所述传输件于所述喷丸通道中移动。

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