CN111775060A - 一种轴类零件超声喷丸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴类零件超声喷丸装置，它包括工作台、超声振动装置、夹持装置，其特征在于，所述超声振动装置由换能器A、变幅杆A、换能器B、变幅杆B和圆环形工具头组成，超声振动装置通过支座A和支座B安装在工作台上，所述工作台上设置有贯穿孔，在贯穿孔上方设置有由底板、圆环形工具头、环形电磁铁和顶板组成的喷丸室，弹丸放置在喷丸室内，待喷丸轴类零件通过夹持装置竖直放置并伸入喷丸室中，夹持装置由机械手A、机械手B、导轨及安装在导轨上的传感器A和传感器B组成，本发明利用两个超声振动头的复合作用使圆环形工具头产生超声行波，驱动弹丸对轴类零件圆周面同时进行喷丸处理，保证了喷丸的均匀性。

Description

一种轴类零件超声喷丸装置

技术领域

本发明涉及零件表面强化设备技术领域，特别是涉及一种轴类零件超声喷丸装置。

背景技术

喷丸强化是一种冷加工表面改性和成形技术，弹丸在高压风或压缩空气的作用下，以一定的速度撞击工件，使材料发生弹塑性变形，在金属表面形成凹坑，从而产生无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。但是传统机械喷丸弹丸冲击力大小有限，其产生的残余应力的深度也是有限的，而且表面产生的凹痕比较深，造成金属表面粗糙度增大，需要增加后续的光整工艺以保证零件的粗糙度。此外，目前喷丸应用较多的是干式喷丸法，由于弹丸的大量破碎，工作现场粉尘污染严重，严重影响了工作人员的身体健康。

为了解决上述问题，人们研究开发了高压水射流喷丸、激光喷丸和超声喷丸等多种新技术。其中，超声喷丸作为一种新型的表面改性和成形技术，该技术利用振动的工具头给予弹丸速度，当弹丸与试样撞击后，弹丸会由于重力的原因回落到工具头，工具头则会再次给予弹丸速度，如此反复，实现弹丸对试样材料的多次撞击。与传统喷丸技术相比，超声喷丸能够产生更大的残余压应力，更深的硬化层深度，同时表面粗糙度好，丸料用量少。目前在许多发达国家如法国，德国，超声喷丸已大量应用于航空航天、造船及汽车行业。

对于轴类零件，法国科学家在一篇题为《Surface impact analysis in shotpeening process（喷丸过程中的表面冲击分析）》的文章中提出了一种轴类零件的超声喷丸方法，该方法将轴类零件横放在密闭的喷丸室内，利用换能器将超声电源输入的超声频电信号转化为机械振动，驱动喷丸室底板振动，给予弹丸初速度，利用弹丸撞击轴类零件的下表面，利用弹丸与丸室顶板的撞击作用，反弹下来再撞击轴类零件的上表面。但是由于弹丸在与丸室顶板的撞击过程中发生了能量耗散，因此，上表面的喷丸强度和覆盖率小于下表面，造成零件残余应力不均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴类零件超声喷丸装置，用以解决现有的超声喷丸方法造成轴类零件上下表面喷丸强度不一致的问题。

为了实现上述目的，一种轴类零件超声喷丸装置，它包括工作台、超声振动装置、夹持装置，其特征在于，所述超声振动装置由换能器A、变幅杆A、换能器B、变幅杆B和圆环形工具头组成，换能器A和变幅杆A组成的超声振动头与换能器B和变幅杆B组成的超声振动头产生的超声振动振幅相等，相位相差90度，并且其中一组超声振动头产生径向振动，另一组产生弯曲振动，变幅杆A和变幅杆B在圆环形工具头上的连接点相差四分之一波长，超声振动装置通过支座A和支座B安装在工作台上，所述工作台上设置有贯穿孔，该贯穿孔的直径大于待喷丸轴类零件的直径，在贯穿孔上方设置有由底板、圆环形工具头、环形电磁铁和顶板组成的喷丸室，喷丸开始前先接通环形电磁铁的电源，喷丸开始时关闭环形电磁铁的电源，弹丸为铁磁性材质，且放置在喷丸室内，底板与顶板中的通孔直径小于圆环形工具头内圈的直径，且底板与顶板中的通孔与待喷丸轴类零件为间隙配合，所述间隙大于弹丸的半径，小于弹丸的直径，底板与顶板上的通孔与圆环形工具头及待喷丸轴类零件同轴，待喷丸轴类零件通过夹持装置竖直放置在喷丸室中，夹持装置由机械手A、机械手B、导轨及安装在导轨上的传感器A和传感器B组成，传感器A和传感器B均安装在工作台下方的导轨上，传感器B到顶板上表面的距离等于待喷丸轴类零件的长度，传感器A安装在工作台下表面与传感器B之间的任意位置，所述夹持装置的控制方法为，喷丸开始时，机械手A夹紧待喷丸轴类零件沿着导轨向下运动，当传感器A检测到待喷丸轴类零件时，机械手B夹紧待喷丸轴类零件，然后机械手A松开，待喷丸轴类零件在机械手B的夹持作用下继续向下运动，当传感器B检测到待喷丸轴类零件时，机械手B停止向下运动。

优先的，所述弹丸呈圆形单层均匀排布在喷丸室内，且所有弹丸紧密排列形成的圆形周长为所述圆环形工具头内圈周长的70~80%，这样可以减小入射丸流与反射丸流发生碰撞的概率，减小能量损失，提高喷丸效率。

优选的，所述超声振动头的振幅范围为20~60微米，所述超声振动头的振动频率为20kHz~30kHz。

在工作过程中，超声振动装置由换能器A、变幅杆A、换能器B、变幅杆B和圆环形工具头组成，换能器A和变幅杆A组成的超声振动头与换能器B和变幅杆B组成的超声振动头产生的振幅相等，相位相差90度，变幅杆A和变幅杆B在环形工具头上的连接点相距四分之一波长，并且其中一组超声振动头产生径向振动，另一组产生弯曲振动，两个振动通过圆环形工具头复合从而形成超声行波，只有超声行波才能够使圆环形工具头内壁面上全部质点产生垂直于工具头表面的空间椭圆运动，进而驱动靠近圆环形工具头内壁的弹丸撞击待喷丸轴类零件，实现待喷丸零件圆周面同时被强化；而底板与顶板中的通孔与待喷丸轴类零件为间隙配合，且间隙大于弹丸的半径，小于弹丸的直径，这样既可以保证弹丸在喷丸过程中不会从喷丸室中射出，提高弹丸的重复利用率，降低喷丸成本，同时，当弹丸在喷丸过程中发生破碎时，形状不规则的弹丸极易对零件表面形貌造成破坏，因此，底板与顶板中的通孔与待喷丸轴类零件的间隙大于弹丸的半径，可以使破碎后的弹丸从间隙中漏出，防止破碎的弹丸继续撞击零件表面造成零件表面质量下降；此外，底板与顶板上的通孔与圆环形工具头及待喷丸轴类零件同轴，可以保证圆环形工具头内表面各点与待喷丸轴类零件表面的距离相等，使得各个弹丸撞击零件表面的力度相等，从而解决了现有技术中轴类零件圆周面喷丸强度和覆盖率不均匀的问题。

环形电磁铁套在圆环形工具头外侧，在喷丸开始前先接通环形电磁铁的电源，电磁铁产生磁力，由于弹丸为铁磁性材质，弹丸会由于环形电磁铁产生的磁力紧靠圆环形工具头的内壁，喷丸开始时，关闭环形电磁铁的电源，电磁铁失去磁力，以保证喷丸工作开始时，圆环形工具头能够驱动弹丸，并且环形电磁铁不会影响弹丸的后续运动。此外，由于超声行波使圆弧形工具头内壁面上全部质点产生垂直于工具头表面的空间椭圆运动，因此，弹丸在射出的时候会产生一个偏斜角，这样弹丸在撞击到零件表面后，入射线和反射线会形成一定的夹角，从而减小入射弹丸与反射弹丸在喷丸室内发生碰撞的概率，减小了能量损失，提高了喷丸效率。

喷丸开始时，机械手A夹紧待喷丸轴类零件上端，沿着导轨向下运动，可以完成待喷丸轴类零件下端的喷丸处理，当待喷丸轴类零件的下端面运动到工作台下方，触发传感器A时，机械手B夹紧待喷丸轴类零件下端，机械手A松开，待喷丸轴类零件在机械手B的作用下继续向下运动，喷丸室对待喷丸轴类零件上端进行喷丸处理，当待喷丸轴类零件下端面触发传感器B时，机械手B停止运动，由于传感器B的位置到喷丸室顶板上表面的距离为待喷丸轴类零件的长度，因此，可以保证待喷丸轴类零件全长度范围都能被喷丸处理，同时可以保证在喷丸全过程中，待喷丸轴类零件都没有脱离喷丸室，由于组成喷丸室的底板与顶板中的贯穿孔与待喷丸轴类零件为间隙配合，且间隙小于弹丸的直径，可以防止弹丸在喷丸过程中从喷丸室顶板的贯穿孔中射出，如果传感器B的位置到喷丸室顶板上表面的距离大于待喷丸轴类零件的长度，则待喷丸轴类零件向下运动的过程中会脱离喷丸室，弹丸会从喷丸室中的贯穿孔射出，造成丸料浪费。

附图说明

图1为本发明整体的结构示意图。

图2为本发明环形电磁铁及弹丸与圆环形工具头的安装位置示意图。

图中标记：1-工作台；2-支座A；3-支座B；4-变幅杆A；5-换能器A；6-换能器B；7-变幅杆B；8-待喷丸轴类零件；9-机械手A；10-导轨；11-顶板；12-圆环形工具头；13-环形电磁铁；14-底板；15-机械手B；16-传感器A；17-传感器B；18-弹丸。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明作进一步说明，参见图1~图2，一种轴类零件超声喷丸装置，工作台1、超声振动装置、夹持装置，其特征在于，所述超声振动装置由换能器A5、变幅杆A4、换能器B6、变幅杆B7和圆环形工具头12组成，换能器A5和变幅杆A4组成的超声振动头与换能器B6和变幅杆B7组成的超声振动头产生的超声振动振幅相等，相位相差90度，并且其中一组超声振动头产生径向振动，另一组产生弯曲振动，变幅杆A4和变幅杆B7在环形工具头12上的连接点相差四分之一波长，超声振动装置通过支座A2和支座B3安装在工作台1上，所述工作台1上设置有贯穿孔，该贯穿孔的直径大于待喷丸轴类零件8的直径，在贯穿孔上方设置有由底板14、圆环形工具头12、环形电磁铁13和顶板11组成的喷丸室，喷丸开始前先接通环形电磁铁13的电源，喷丸开始时关闭环形电磁铁13的电源，弹丸18为铁磁性材质，且放置在喷丸室内，底板14与顶板11中的通孔直径小于圆环形工具头12内圈的直径，且底板14与顶板11中的通孔与待喷丸轴类零件8为间隙配合，所述间隙大于弹丸18的半径，小于弹丸18的直径，底板14与顶板11上的通孔与圆环形工具头12及待喷丸轴类零件8同轴，待喷丸轴类零件8通过夹持装置竖直放置在喷丸室中，夹持装置由机械手A9、机械手B15、导轨10及安装在导轨10上的传感器A16和传感器B17组成，传感器A16和传感器B17均安装在工作台1下方的导轨10上，传感器B17到顶板14上表面的距离等于待喷丸轴类零件8的长度，传感器A16安装在工作台1下表面与传感器B17之间的任意位置，所述夹持装置的控制方法为，喷丸开始时，机械手A9夹紧待喷丸轴类零件8沿着导轨10向下运动，当传感器A16检测到待喷丸轴类零件8时，机械手B15夹紧待喷丸轴类零件8，然后机械手A9松开，待喷丸轴类零件8在机械手B15的夹持作用下继续向下运动，当传感器B17检测到待喷丸轴类零件8时，机械手B15停止向下运动。

弹丸18呈圆形单层均匀排布在喷丸室内，且所有弹丸紧密排列形成的圆形周长为所述圆环形工具头12内圈周长的70~80%。

超声振动头的振幅范围为20~60微米，所述超声振动头的振动频率为20kHz~30kHz。

超声喷丸实施方式如下：将超声换能器A5和超声换能器B6分别接超声电源，将待喷丸轴类零件8插入喷丸室中，调整好待喷丸轴类零件8的下端面与喷丸室底板13平齐，机械手A9夹紧待喷丸轴类零件8，接通环形电磁铁13的电源，使弹丸紧靠圆环形工具头12内壁，启动超声电源后关闭环形电磁铁13的电源，超声电源将交流电信号转变为20kHz~30kHz的超声频次的电信号，并将此电信号传递给超声换能器A5和超声换能器B6；超声换能器将超声频的电信号转变为相同频率的机械振动，并把机械振动分别传递给变幅杆A4和变幅杆B7；超声变幅杆A4产生径向振动，超声变幅杆B7产生弯曲振动，并且振幅相同，相位相差90度，圆环形工具头12在径向振动和弯曲振动的复合作用下，产生超声行波，振幅大小为20~60微米，该行波使圆环形工具头12内壁面上全部质点产生垂直于圆环形工具头表面的空间椭圆运动，进而驱动靠近内壁的弹丸18撞击待喷丸轴类零件8，实现表面强化处理。与此同时，机械手A9带动待喷丸轴类零件8向下运动，当待喷丸轴类零件8下端面到达传感器A16的位置时，机械手B15夹紧待喷丸轴类零件8，机械手A9松开，机械手B15继续带动待喷丸轴类零件8向下运动，当待喷丸轴类零件8下端面到达传感器B17的位置时，机械手B15停止运动，喷丸结束后，关闭超声电源。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种轴类零件超声喷丸装置，它包括工作台（1）、超声振动装置、夹持装置，其特征在于，所述超声振动装置由换能器A（5）、变幅杆A（4）、换能器B（6）、变幅杆B（7）和圆环形工具头（12）组成，换能器A（5）和变幅杆A（4）组成的超声振动头与换能器B（6）和变幅杆B（7）组成的超声振动头产生的超声振动振幅相等，相位相差90度，并且其中一组超声振动头产生径向振动，另一组产生弯曲振动，变幅杆A（4）和变幅杆B（7）在圆 从环形工具头（12）上的连接点相差四分之一波长，超声振动装置通过支座A（2）和支座B（3）安装在工作台（1）上，所述工作台（1）上设置有贯穿孔，该贯穿孔的直径大于待喷丸轴类零件（8）的直径，在贯穿孔上方设置有由底板（14）、圆环形工具头（12）、环形电磁铁（13）和顶板（11）组成的喷丸室，环形电磁铁（13）套在圆环形工具头（12）外侧，喷丸开始前先接通环形电磁铁（13）的电源，喷丸开始时关闭环形电磁铁（13）的电源，弹丸（18）为铁磁性材质，且放置在喷丸室内，底板（14）与顶板（11）中的通孔直径小于圆环形工具头（12）内圈的直径，且底板（14）与顶板（11）中的通孔与待喷丸轴类零件（8）为间隙配合，所述间隙大于弹丸（18）的半径，小于弹丸（18）的直径，底板（14）与顶板（11）上的通孔与圆环形工具头（12）及待喷丸轴类零件（8）同轴，待喷丸轴类零件（8）通过夹持装置竖直放置在喷丸室中，夹持装置由机械手A（9）、机械手B（15）、导轨（10）及安装在导轨（10）上的传感器A（16）和传感器B（17）组成，传感器A（16）和传感器B（17）均安装在工作台（1）下方的导轨（10）上，传感器B（17）到顶板（14）上表面的距离等于待喷丸轴类零件（8）的长度，传感器A（16）安装在工作台（1）下表面与传感器B（17）之间的任意位置，所述夹持装置的控制方法为，喷丸开始时，机械手A（9）夹紧待喷丸轴类零件（8）沿着导轨（10）向下运动，当传感器A（16）检测到待喷丸轴类零件（8）时，机械手B（15）夹紧待喷丸轴类零件（8），然后机械手A（9）松开，待喷丸轴类零件（8）在机械手B（15）的夹持作用下继续向下运动，当传感器B（17）检测到待喷丸轴类零件（8）时，机械手B（15）停止向下运动。

2.根据权利要求1所述的一种轴类零件超声喷丸装置，其特征在于：所述弹丸（18）呈圆形单层均匀排布在喷丸室内，且所有弹丸（18）紧密排列形成的圆形周长为所述圆环形工具头（12）内圈周长的70~80%。

3.根据权利要求1所述的一种轴类零件超声喷丸装置，其特征在于：所述超声振动头的振幅范围为20~60微米，所述超声振动头的振动频率为20kHz~30kHz。

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