CN111575462B - 一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置及其强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于零件表面处理技术领域，涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置及其使用方法；该装置由电磁振动台(1)、工装(2)、变幅杆(3)、圆筒(4)、弹丸(5)、堵盖(6)、第一激光传感器(7)、第二激光传感器(8)和控制计算机(9)组成；本发明通过变幅杆(3)在形状、长度、直径、振幅等因素的精确设计及与其他部件的完美结合，解决了圆筒内壁喷丸易受损和强化效果不佳的难题，提高圆筒零件的疲劳性能；本发明对筒内壁的强化效果优异，将弹丸封闭在圆筒内，利用弹丸与筒壁的惯性差异，通过电磁振动驱动弹丸反复撞击筒壁，在筒壁表层形成强化层，比传统喷丸强化的残余压应力层深度提高了0.5～5倍。

Description

一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置及其强化方法
技术领域
本发明属于零件表面处理技术领域，涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置及其使用方法。
背景技术
基于塑性形变强化的表面强化技术是提高航空零件疲劳性能的有效手段。喷丸强化技术是目前航空制造业中应用最广泛的表面强化技术，通常采用压缩空气驱动弹丸，高速地反复撞击零件表面，使材料表面发生塑性变形，形成残余压应力层和组织形变层，从而提高零件整体的疲劳性能，该方法具有强化效果好、适应性广等一系列优点。但是针对半开放式的圆筒结构，如长轴、支撑筒等，传统的喷丸方法存在实施难点，常采用矛枪喷丸的形式对筒内壁进行表面强化，但是目前该方法仍存在两个显著不足：1)由于圆筒长径比较大，且直径较小，容易发生矛枪撞击筒壁的现象，导致筒壁受损；2)部分圆筒的一端为盲端，喷丸时弹丸难以及时排出，导致弹丸堆积严重影响强化效果。
发明内容
本发明的目的是：提出一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置及其使用方法，解决圆筒内壁喷丸易受损和强化效果不佳的难题，提高圆筒零件的疲劳性能。
本发明的技术方案是：
本专利涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，该装置由电磁振动台1、工装2、变幅杆3、圆筒4、弹丸5、堵盖6、第一激光传感器7、第二激光传感器8和控制计算机9组成；电磁振动台1主要由机座101和动圈102组成，其中，机座101的下端固定在地板上，动圈102的上端连接在工装2的下端，工装2的上端与变幅杆3的左端相连接，圆筒4的内部填充弹丸5，变幅杆3的右端与圆筒4的左端相连接，圆筒4的右端与堵盖6相连，变幅杆3的右端与堵盖6通过螺栓连接，确保圆筒4、变幅杆3和堵盖6成为一个整体，第一激光传感器7放置于工装2的正上方，测量工装2的振幅；第二激光传感器8放置于圆筒4右端的正上方，测量圆筒4的右端的振幅；控制计算机9分别连接电磁振动台1、第一激光传感器7和第二激光传感器8。
本专利涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置的强化方法，包含如下步骤：
(1)在圆筒4的内部填充弹丸5，其体积不超过圆筒4的内腔体积的1/10，将变幅杆3的右端堵住圆筒4的左端，将堵盖6堵住圆筒4的右端，采用螺栓将变幅杆3、堵盖6和圆筒4固定成一个整体；
(2)启动控制计算机9和电磁振动台1，调整电磁振动台1的频率和振幅，分别采用第一激光传感器7和第二激光传感器8测量工装2顶部和圆筒4右端的振幅；
(3)工装2和圆筒4右端的振幅均达到稳定值后，开始计时，运行时间为T，达到时间后逐渐调低电磁振动台1的频率和振幅，直至0，关闭电磁振动台1和控制计算机9；
(4)当工装2和圆筒4右端的振幅均达到0后，松开螺栓，将圆筒4沿其中轴线旋转90°，重复步骤(1)～(3)，直至旋转360°；
(5)取下圆筒4，倒出弹丸5，清理干净筒壁内壁的残留弹丸，即完成对圆筒内壁的表面强化。
所述弹丸5的材质为铸钢、陶瓷或硬质合金的一种或多种，直径为0.01mm～5mm。变幅杆3的材质为铝合金、钛合金、不锈钢或高强钢。变幅杆3的左、右两端的直径均为D2，中部的直径为D1，两者的比例系数β＝D2/D1,变幅杆3的长度为L，右端的振幅为A右，左端的振幅为A左，α为与变幅杆的密度、弹性模量、结构等因素相关的因子，因此，变幅杆3的右端相对左端的振幅放大系数f＝A右/A左＝L*β/α，经放大后，A右应大于圆筒的内径。电磁振动台1的频率为10Hz～100Hz，振幅为0.1mm～30mm。工装2采用高强钢制造，中部带穿透孔，与变幅杆3的左端呈过盈配合。
本发明的优点是：
其一，本发明无需矛枪，不会造成圆筒内壁的损伤，通过变幅杆3在形状、长度、直径、振幅等因素的精确设计及与其他部件的完美结合，解决了圆筒内壁喷丸易受损和强化效果不佳的难题，提高圆筒零件的疲劳性能。
其二，本发明对筒内壁的强化效果优异，将弹丸封闭在圆筒内，利用弹丸与筒壁的惯性差异，通过电磁振动驱动弹丸反复撞击筒壁，在筒壁表层形成强化层。
研究结果表明，采用该方法强化后，筒壁表面形成了0.2mm～1mm深度的残余压应力层，比传统喷丸强化的残余压应力层深度提高了0.5～5倍。
附图说明
图1本发明装置示意图
具体实施方式
本专利涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，该装置由电磁振动台1、工装2、变幅杆3、圆筒4、弹丸5、堵盖6、第一激光传感器7、第二激光传感器8和控制计算机9组成；电磁振动台1主要由机座101和动圈102组成，其中，机座101的下端固定在地板上，动圈102的上端连接在工装2的下端，工装2的上端与变幅杆3的左端相连接，圆筒4的内部填充弹丸5，变幅杆3的右端与圆筒4的左端相连接，圆筒4的右端与堵盖6相连，变幅杆3的右端与堵盖6通过螺栓连接，确保圆筒4、变幅杆3和堵盖6成为一个整体，第一激光传感器7放置于工装2的正上方，测量工装2的振幅；第二激光传感器8放置于圆筒4右端的正上方，测量圆筒4的右端的振幅；控制计算机9分别连接电磁振动台1、第一激光传感器7和第二激光传感器8。
本专利涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置的强化方法，包含如下步骤：
(1)在圆筒4的内部填充弹丸5，其体积不超过圆筒4的内腔体积的1/10，将变幅杆3的右端堵住圆筒4的左端，将堵盖6堵住圆筒4的右端，采用螺栓将变幅杆3、堵盖6和圆筒4固定成一个整体；
(2)启动控制计算机9和电磁振动台1，调整电磁振动台1的频率和振幅，分别采用第一激光传感器7和第二激光传感器8测量工装2顶部和圆筒4右端的振幅；
(3)工装2和圆筒4右端的振幅均达到稳定值后，开始计时，运行时间为T，达到时间后逐渐调低电磁振动台1的频率和振幅，直至0，关闭电磁振动台1和控制计算机9；
(4)当工装2和圆筒4右端的振幅均达到0后，松开螺栓，将圆筒4沿其中轴线旋转90°，重复步骤(1)～(3)，直至旋转360°；
(5)取下圆筒4，倒出弹丸5，清理干净筒壁内壁的残留弹丸，即完成对圆筒内壁的表面强化。
所述弹丸5的材质为铸钢、陶瓷或硬质合金的一种或多种，直径为0.01mm～5mm。变幅杆3的材质为铝合金、钛合金、不锈钢或高强钢。变幅杆3的左、右两端的直径均为D2，中部的直径为D1，两者的比例系数β＝D2/D1,变幅杆3的长度为L，右端的振幅为A右，左端的振幅为A左，α为与变幅杆的密度、弹性模量、结构等因素相关的因子，因此，变幅杆3的右端相对左端的振幅放大系数f＝A右/A左＝L*β/α，经放大后，A右应大于圆筒的内径。电磁振动台1的频率为10Hz～100Hz，振幅为0.1mm～30mm。工装2采用高强钢制造，中部带穿透孔，与变幅杆3的左端呈过盈配合。
本发明的工作原理是：
该专利不再采用压缩气体驱动弹丸撞击筒内壁，而是采用电磁振动驱动圆筒和弹丸运动，利用圆筒和弹丸之间的惯性差异，使两者之间产生相对运动，使弹丸高速反复撞击圆筒内壁。为了提高圆筒的振动幅度，本专利设计了变幅杆，通过变幅杆提高圆筒右端的振动幅度，从而使弹丸产生更大的撞击力。另外，采用硬质、高比重的铸钢丸、陶瓷丸或硬质合金丸的一种或多种组合，进一步提高弹丸的撞击力。
实施例1
本专利涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，该装置由电磁振动台1、工装2、变幅杆3、圆筒4、弹丸5、堵盖6、第一激光传感器7、第二激光传感器8和控制计算机9组成；电磁振动台1主要由机座101和动圈102组成，其中，机座101的下端固定在地板上，动圈102的上端连接在工装2的下端，工装2的上端与变幅杆3的左端相连接，圆筒4的内部填充弹丸5，变幅杆3的右端与圆筒4的左端相连接，圆筒4的右端与堵盖6相连，变幅杆3的右端与堵盖6通过螺栓连接，确保圆筒4、变幅杆3和堵盖6成为一个整体，第一激光传感器7放置于工装2的正上方，测量工装2的振幅；第二激光传感器8放置于圆筒4右端的正上方，测量圆筒4的右端的振幅；控制计算机9分别连接电磁振动台1、第一激光传感器7和第二激光传感器8。
圆筒4的内径为8mm，电磁振动台1的频率为100Hz，振幅为0.1mm。变幅杆3的材质为高强钢。变幅杆3的左、右两端的直径均为20mm，中部的直径为10mm，两者的比例系数β＝2,变幅杆3的长度为1000mm,左端的振幅为A左＝0.1mm，α＝20，因此，变幅杆3的右端相对左端的振幅放大系数f＝100，经放大后，A右＝10mm，大于圆筒4的内径。工装2采用高强钢制造，中部带穿透孔，与变幅杆3的左端呈过盈配合。
本专利涉及一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置的强化方法，包含如下步骤：
(1)在圆筒4的内部填充弹丸5，弹丸为硬质合金弹丸，直径为5mm，弹丸总体积为圆筒4的内腔体积的1/10，将变幅杆3的右端堵住圆筒4的左端，将堵盖6堵住圆筒4的右端，采用螺栓将变幅杆3、堵盖6和圆筒4固定成一个整体；
(2)启动控制计算机9和电磁振动台1，调整电磁振动台1的频率至100Hz，振幅至0.1mm，分别采用第一激光传感器7和第二激光传感器8测量工装2顶部和圆筒4右端的振幅；
(3)工装2和圆筒4右端的振幅均达到稳定值后，开始计时，运行时间为1h，达到时间后逐渐调低电磁振动台1的频率和振幅，直至0，关闭电磁振动台1和控制计算机9；
(4)当工装2和圆筒4右端的振幅均达到0后，松开螺栓，将圆筒4沿其中轴线旋转90°，重复步骤(1)～(3)，直至旋转360°；
(5)取下圆筒4，倒出弹丸5，清理干净筒壁内壁的残留弹丸，即完成对圆筒内壁的表面强化。
实施例2
弹丸5的材质为铸钢丸和陶瓷丸的组合，弹丸直径分别为0.01mm和1mm；变幅杆3的材质为钛合金，其右端相对左端的振幅放大系数为10。电磁振动台1的频率为10Hz，振幅为30mm。

Claims (7)

1.一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，其特征在于：该装置由电磁振动台（1）、工装（2）、变幅杆（3）、圆筒（4）、弹丸（5）、堵盖（6）、第一激光传感器（7）、第二激光传感器（8）和控制计算机（9）组成；电磁振动台（1）主要由机座（101）和动圈（102）组成，其中，机座（101）的下端固定在地板上，动圈（102）的上端连接在工装（2）的下端，工装（2）的上端与变幅杆（3）的左端相连接，圆筒（4）的内部填充弹丸（5），变幅杆（3）的右端与圆筒（4）的左端相连接，圆筒（4）的右端与堵盖（6）相连，变幅杆（3）的右端与堵盖（6）固定连接，确保圆筒（4）、变幅杆（3）和堵盖（6）成为一个整体，第一激光传感器（7）测量工装（2）的振幅；第二激光传感器（8）测量圆筒（4）的右端的振幅；控制计算机（9）分别连接电磁振动台（1）、第一激光传感器（7）和第二激光传感器（8）；所述电磁振动台（1）的频率为10Hz～100Hz，振幅为0.1mm～30mm；
所述变幅杆（3）的左、右两端的直径均为D2，中部的直径为D1，两者的比例系数β=D2/D1, 变幅杆（3）的长度为L，右端的振幅为A 右，左端的振幅为A 左，α为与变幅杆的密度、弹性模量、结构因素相关的因子，变幅杆（3）的右端相对左端的振幅放大系数f=A 右/A 左=L*β/α， 经放大后，A 右应大于圆筒的内径。
2.根据权利要求1所述的一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，其特征在于：所述变幅杆（3）的材质为铝合金、钛合金、不锈钢或高强钢。
3.根据权利要求1所述的一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，其特征在于：所述弹丸（5）直径为0.01mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，其特征在于：所述弹丸（5）的材质为铸钢、陶瓷或硬质合金的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置，其特征在于：所述工装（2）采用高强钢制造，中部带穿透孔，与变幅杆（3）的左端呈过盈配合。
6.根据权利要求1所述的一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置的强化方法，其特征在于：
1）、在圆筒（4）的内部填充弹丸（5），其体积不超过圆筒（4）的内腔体积的1/10，将变幅杆（3）的右端堵住圆筒（4）的左端，将堵盖（6）堵住圆筒（4）的右端，采用螺栓将变幅杆（3）、堵盖（6）和圆筒（4）固定成一个整体；
2）、启动控制计算机（9）和电磁振动台（1），调整电磁振动台（1）的频率和振幅，分别采用第一激光传感器（7）和第二激光传感器（8）测量工装（2）顶部和圆筒（4）右端的振幅；
3）、工装（2）和圆筒（4）右端的振幅均达到稳定值后，开始计时，运行时间为T，达到时间后逐渐调低电磁振动台（1）的频率和振幅，直至0，关闭电磁振动台（1）和控制计算机（9）；
4）、当工装（2）和圆筒（4）右端的振幅均达到0后，松开螺栓，将圆筒（4）沿其中轴线旋转90°，重复步骤（1）～（3），直至旋转360°；
5）、取下圆筒（4），倒出弹丸（5），清理干净筒壁内壁的残留弹丸，即完成对圆筒内壁的表面强化。
7.根据权利要求6所述的一种圆筒内壁的电磁振动表面强化装置的强化方法其特征在于：所述残留弹丸采用压缩空气清理干净。
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