CN112522487A - 一种温度辅助超声喷丸装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度辅助超声喷丸装置及方法，属于材料表面处理技术领域，能够实现不同温度下的超声喷丸处理，同时保证喷丸均匀度，装置包括加热部、超声施振部和喷丸筒，加热部连接往复运动机构以接近或远离喷丸筒，加热部用于加热的端面设有用于固定连接试件的第一板件，第一板件能够接近喷丸筒的顶面的开口处，超声施振部的施振端位于喷丸筒内，第一板件、施振端与喷丸筒配合形成容纳丸粒的空间。

Description

一种温度辅助超声喷丸装置及方法

技术领域

本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种温度辅助超声喷丸装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

超声喷丸是一种通过超声振动使超声工具头产生高频振动，在腔室内驱动丸粒撞击材料表面使其得到强化的技术。与普通喷丸相比，超声喷丸能够将高能量密度的超声波转化为机械能，超声喷丸的丸粒运动方向和速度都是随机分布的，材料的残余压应力更大，硬化层深度更深，疲劳强度显著提高。超声喷丸过程中涉及到的参数较少，可精确控制，喷丸后材料表面更易实现纳米化，且其工作设备体积小、能耗低，强化过程中噪声相对较小，因此已经成为材料表面强化技术发展的新方向。

现有技术中，对于超声喷丸技术，现有的公开技术文献公开了一种超声冲击喷丸装置，该装置包括冲击枪、冲击头、换能器、变幅杆，变幅杆连接在换能器上，换能器设置在冲击枪内，冲击头与冲击枪相连，冲击头内设有多个腔体，每个腔体可以容纳一个撞针，喷丸时变幅杆振动带动撞针在腔体内向外弹射，撞针的一部分伸出腔体对材料表面进行撞击，然后，撞针回弹并与变幅杆接触，撞针在材料与变幅杆之间反复弹射从而使材料产生纳米层达到强化效果。但是，发明人认为，其撞针在工作时分别与材料和变幅杆接触，材料对撞针产生的反作用力很大，会导致超声冲击喷丸装置寿命降低，且撞针的形状、尺寸与位置固定不变，喷丸的均匀度不高。现有的公开技术文献还公开了一种超声动能喷丸装置该装置，包括控制器、超声发生器、放大器、振动头、弹丸和喷丸腔。喷丸时，放大器将超声发生器发出的超声振动传递给工具头，工具头将超声波转化的机械能传递给弹丸，使弹丸在喷丸腔内自由撞击材料表面。喷丸腔由杆与弹簧组成，具有自适应性，可以适应不同形状的材料，从而提高喷丸效率。这种装置能够使弹丸自由的撞击材料的表面，提高了喷丸的均匀度。但是发明人认为，此装置只能在室温下进行喷丸处理，对于镁合金等室温下塑性较差的密排六方晶体结构金属材料来说，在合理的温度条件下才能获得更好的塑性变形能力和晶粒细化效果。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种温度辅助超声喷丸装置及方法，能够实现不同温度下的超声喷丸处理，同时保证喷丸均匀度。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的技术方案提供了一种温度辅助超声喷丸装置，包括加热部、超声施振部和喷丸筒，加热部连接往复运动机构以接近或远离喷丸筒，加热部用于加热的端面设有用于固定连接试件的第一板件，第一板件能够接近喷丸筒的顶面的开口处，超声施振部的施振端位于喷丸筒内，第一板件、施振端与喷丸筒配合形成容纳丸粒的空间。

第二方面，本发明的技术方案还提供了一种温度辅助超声喷丸方法，使用如第一方面所述的温度辅助超声喷丸装置，将待喷丸处理的试件连接于第一板件之上，加热部用于加热的端面通过接触传热的方式对试件进行加热，往复运动机构控制加热部接近喷丸筒，超声施振部对喷丸筒施加振动，喷丸筒中的丸粒作用于试件；通过控制用于加热的端面的温度以实现试件在不同温度下进行超声喷丸处理。

上述本发明的技术方案的有益效果如下：

1)本发明通过对材料施加温度，使材料在喷丸强化时处于高温状态下，从而改变超声喷丸只能在常温下进行的现状，针对不同材料的性质可以通过调整温度大小使其达到喷丸的最佳状态，而且针对某些材料可以通过调整温度使其达到热处理的效果，从而实现超声喷丸与热处理同时进行的目的，使材料的残余压应力更大，硬化层深度更深，扩大超声喷丸适用领域。

2)本发明中，使用第一板件和第二板件固定试件，使用液压杆连接的第一板件和机架，第一板件和第二板件能承担喷丸对试件的撞击力，而且由于第一板件和第二板件之间的间隙具有充足的可移动空间，试件位置可调，第一板件的中心轴、超声工具头的中心轴与喷丸筒的中心轴重合，喷丸的均匀度高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的整体结构示意图，

图2是本发明根据一个或多个实施方式的加热部结构示意图，

图3是本发明根据一个或多个实施方式的超声施振部结构示意图，

图4是本发明根据一个或多个实施方式的喷丸处理模块结构示意图，

图5a是本发明根据一个或多个实施方式的处理后的试件在厚度方向截面的OM图像，

图5b是图5a的部分区域放大后的图像，

图6a是本发明根据一个或多个实施方式的经过加热处理后的试件在厚度方向截面的OM图像，

图6b是图6a的部分区域放大后的图像，

图7是本发明根据一个或多个实施方式的试件硬度测试采样点示意图，

图8是本发明根据一个或多个实施方式的两例处理后的试件在厚度方向截面进行硬度测试的OM图像与硬度分布曲线对比图。

图中：1、加热部；2、喷丸处理模块；3、超声施振部；4、操作台；11、控制台；12、导杆；13、固定板；14、加热板；15、液压杆，31、超声换能器；32、超声发生器；33、超声变幅杆；21、加热板；22、固定板；23、工作台；24、喷丸筒；25、超声工具头；26、丸粒；27、贯穿区域；28、试件；29、固定螺栓。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有的超声喷丸装置及方法仍局限在常温下进行，针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种温度辅助超声喷丸装置及方法，能够实现不同温度下的超声喷丸处理，同时保证喷丸均匀度。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例提供了一种温度辅助超声喷丸装置，如图1所示，包括自上而下设置的加热部1、喷丸处理模块2和超声施振部3。

加热部1包括控制器、作为加热板14的第二板件和作为固定板13的第一板件；控制器与加热板14相连，调整加热板14温度；固定板13与加热板14连接，在喷丸过程中使材料位置固定，其腔室与喷丸筒24配合形成容纳丸粒26的空间。固定板13还用于固定连接待处理的试件28，固定板13与试件28之间通过螺栓连接。控制器安装于控制台11中。固定板13安装在加热板14的下表面,固定板13和加热板14之间通过螺栓固定,防止工件在被丸粒26撞击的过程中发生移动,保证最终处理结果，且固定板13的下表面于工作台23的顶面相接触。

可以理解的是，加热板14为现有技术中常用的一种装置，在此不再赘述其具体结构和原理。

可以理解的是，加热板和固定板使用螺栓连接，加热板与固定板之间具有间隙，间隙用于容纳试件。为了使得试件能够与丸粒接触，固定板开设有贯穿固定板两端面的贯穿区域27，本实施例中，在固定板为具有一定厚度的圆板的情况下，贯穿区域27呈与固定板同心的圆柱状。

加热部1连接有往复运动机构，以带动加热部1接近或远离喷丸处理模块2；本实施例中，往复运动机构包括液压泵和液压杆15，液压泵固定在控制台11内部，液压泵连接液压杆15，液压杆15连接第二板件，第二板件连接第一板件，液压泵带动液压杆15运动，即可实现控制加热部1的升降，使加热部1与喷丸处理模块2相配合或相远离。

可以理解的是，控制台11包括一箱体，箱体安装有多个用于控制不同物理量的旋钮和/或按钮，按钮连接控制器，控制器连接相应的电路。

在又一实施例中，往复运动机构还可以为电动推杆，电动推杆一端安装于控制台11中，电动推杆另一端连接第二板件。

喷丸处理模块2包括丸粒26、喷丸筒24、工作台23和操作台4，丸粒26放置于喷丸筒24内，需要说明的是，喷丸的初始位置位于超声工具头25的顶面；工作台23设置在操作台4之上，操作台4、工作台23、超声工具头25之间通过螺栓固定连接；工作台23通过螺栓与操作台4固定连接，喷丸筒24设置在工作台23之上，喷丸筒24开设有开口的顶面与工作台23顶面处于同一平面，固定板13的中轴线、超声工具头25的中轴线与喷丸筒24的中轴线均位于同一直线上，可以通过固定板13与喷丸筒24之间的配合调整喷丸距离。

可以理解的是，本实施例中的喷丸筒24只具有用于形成容纳丸粒26的空间的侧立壁，本实施例中其呈筒状。当所述超声工具头25由喷丸筒24底部插入喷丸筒24，所述固定板13由喷丸筒24顶部覆盖喷丸筒24顶面的开口后，容纳丸粒26的空间完全成型。其中，固定板的贯穿区域27的半径小于喷丸筒24的半径，从而丸粒26可以经过喷丸筒14和贯穿区域27撞击试件。

超声施振部3包括超声发生器32、超声换能器31、超声变幅杆33和超声工具头25，超声工具头25位于喷丸筒24内，超声工具头25与喷丸筒24内壁保持不大于丸粒26直径的间隙；超声发生器32、超声换能器31、超声变幅杆33依次相连；超声变幅杆33与超声工具头25相连。超声发生器32将电信号传递给超声换能器31,超声换能器31将此信号转化成具有相同频率的机械振动,超声变幅杆33将超声换能器31产生的机械振动的振幅按照设定的比例放大,并将放大振幅的超声振动传递给超声工具头25,超声工具头25能够进一步放大超声振动的振幅。

可以理解的是，超声发生器32、超声换能器31、超声变幅杆33和超声工具头25均为本领域内的公知常识。

本实施例中，加热板14在控制器的控制下使材料达到并保持预定温度，液压泵控制加热部1从上方接近喷丸处理模块2，使固定板13下表面与工作台23顶面贴合，固定板13腔室与喷丸筒24共同形成丸粒26的运动空间，超声工具头25将超声施振部3产生的超声振动传递给丸粒26，使丸粒26在该空间内自由撞击材料表面。

更加详细的，加热部1通过螺杆与操作台4连接，加热部1位于操作台4上方；控制台11、加热板14、液压泵、固定板13之间通过螺栓固定连接。

更加详细的，超声施振部3还包括夹持装置，超声换能器31与超声变幅杆33由夹持装置固定在操作台4下方。夹持装置可以使用现有的夹持装置，例如夹具，使用夹持装置，能够实现超声换能器31和超声变幅杆33与操作台4之间的拆卸式连接。

更加详细的，还包括支撑架；支撑架固定连接在操作台4下方，支撑喷丸处理模块2和加热部1，超声发生器32固定在支撑架上，位于操作台4下方。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，本实施例公开了一种温度辅助超声喷丸方法，使用如实施例1所述的一种温度辅助超声喷丸装置，将待喷丸处理的试件28连接于第一板件之上，加热部1用于加热的端面，也即第二板件，通过接触传热的方式对试件28进行加热，往复运动机构控制加热部1接近喷丸筒24，超声施振部3对喷丸筒24施加振动，喷丸筒24中的丸粒26作用于试件28；通过控制用于加热的端面的温度以实现试件28在不同温度下进行超声喷丸处理。

往复运动机构控制加热部1接近喷丸筒24时，通过往复运动机构控制加热部1接近喷丸筒24，使第一板件与喷丸筒24的开口之间紧密贴合，丸粒26运动空间由喷丸筒24与固定板13腔室共同构成，通过更换不同尺寸的第一板件与喷丸筒24进行配合，调整喷丸距离；

超声施振部3对喷丸筒24施加振动时，超声施振部3将超声振动传递给施振端，丸粒26在在施振端的驱动下获得向上的速度，撞击加热状态下的试件28，丸粒26在重力作用下向下运动，到达工具头端面位置时再次被超声振动加速，循环往复，从而完成超声喷丸处理。

以尺寸为50mmX50mmX2mm的试件28为例，对其在常温(25℃)进行处理包括以下步骤：

1)准备工作：将直径为2mm,硬度约45-55HRC的铸钢丸放入喷丸筒24作为丸粒26,铸钢丸数量恰好铺满喷丸筒24底部,然后将试件28(尺寸为50mmX50mmX2mm)的冷轧LA81镁锂合金固定在固定板13与加热板14之间，超声工具头25与试件28之间的距离调节为6mm；最后，调节超声发生器32的工作频率、功率使超声工具头25的振幅为15μm,工作时间设定为240s。

2)准备工作完成后，启动超声发生器32，超声发生器32把50Hz的工频交流电转化成频率为20kHZ的电信号，并将此信号传递给超声换能器31。

3)超声换能器31将步骤2)中的电信号转化为相同频率的振幅为0.1μm的超声振动后，经过超声变幅杆33传递给超声工具头25产生15μm的机械振动。

4)喷丸筒24内的铸钢丸在振动的超声工具头25驱动下，以5-50m/s的速率撞击冷轧LA81镁锂合金表面，铸钢丸撞击工件的频率在100-1000s-1之间，如此反复，直到达到步骤1)中设定的撞击时间为止。

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于，步骤1)中，通过控制台11，设定加热板14的加热温度为125℃；步骤2)中，准备工作完成后，启动控制器，控制器控制加热板144温度升高到预定温度125℃，并保证加热板144温度始终保持125℃；启动超声发生器32，超声发生器32把50Hz的工频交流电转化成频率为20kHZ的电信号，并将此信号传递给超声换能器31。

利用OM、显微硬度计对本实施例获得的处理后的试件28进行观察和测试。

1)OM结果。

图5a和图5b为实施例2中处理后的试件28在厚度方向截面的OM图像。由图5a和图5b可以看出，LA81镁锂合金冷轧板材原始晶粒中，α相被明显压扁，且沿板的横向延长，形成显微组织。在常温下对LA81镁锂合金进行喷丸处理后，LA81镁锂合金表层产生了一层晶粒大小难以辨认但很均匀的纳米晶层，获得的纳米晶层的厚度约为135μm，且其喷丸表面存在明显的起伏，较不平整，并存在凹坑等缺陷。

图6a和图6b为实施例3中处理后的试件28在厚度方向截面的OM图像。由图6a和图6b可以看出，截面上的α相明显球化，且取向性减弱，说明LA81镁锂合金板材在经过温度辅助超声喷丸后，发生了再结晶，一方面，再结晶通过消除变形过程中产生的各种缺陷使材料得到了软化，另一方面，由于再结晶的发生，出现了相当数量的球状相，这在一定程度上细化了晶粒，起到了细晶强化的效果。所以，在热处理之后，材料的强度并未大幅下降，而由于金属内部位错等缺陷的消除、晶粒的细化，均在一定程度上提高了合金的塑性。经过温度辅助超声喷丸的试件28，获得的纳米晶层的厚度约为350μm，其喷丸表面更加平整，表面的起伏明显减小，且表面的缺陷如凹坑等明显减少。

2)硬度测试结果。

图7为试件28硬度测试采样点示意图，图8为实施例2和实施例3处理后的试件28在厚度方向截面进行硬度测试的硬度分布曲线对比图。可以看出，LA81镁锂合金在厚度方向上内部的硬度明显高于表层硬度，而经过喷丸处理后的LA81镁锂合金板材表层硬度明显升高，其硬度高于板材内部的硬度。经过温度辅助喷丸处理后的试件28的整体硬度略低于常温下喷丸处理的试件28，其在热处理过程中发生回复，合金中空位和间隙原子等点缺陷消失，导致点缺陷密度大幅度下降，使得材料的硬度下降。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，包括加热部、超声施振部和喷丸筒，加热部连接往复运动机构以接近或远离喷丸筒，加热部用于加热的端面设有用于固定连接试件的第一板件，第一板件能够接近喷丸筒的顶面的开口处，超声施振部的施振端位于喷丸筒内，第一板件、施振端与喷丸筒配合形成容纳丸粒的空间。

2.如权利要求1所述的温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，所述加热部第一板件和第二板件；第二板件能够发热，控制器连接第二板件以控制第二板件的温度；第二板件与第一板件连接，第一板件相对于第二板件更接近喷丸筒。

3.如权利要求2所述的温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，所述控制器设于控制台内，控制台通过往复运动机构连接第二板件。

4.如权利要求1所述的温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，所述加热部位于所述喷丸筒的上方。

5.如权利要求1所述的温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，所述超声施振部包括超声发生器、超声换能器、超声变幅杆和超声工具头，所述超声发生器、超声换能器、超声变幅杆依次相连；所述超声变幅杆与超声工具头相连。

6.如权利要求1所述的温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，所述超声施振部的施振端与喷丸筒内壁保持小于等于丸粒直径的间隙。

7.如权利要求1所述的温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，所述喷丸筒设置在工作台，喷丸筒的顶面与工作台的顶面齐平。

8.如权利要求1所述的温度辅助超声喷丸装置，其特征在于，所述第一板件设有贯穿第一板件两端面的贯穿区域，且贯穿区域的中心轴和第一板件的中心轴同轴，所述第一板件的中心轴、超声工具头的中心轴与喷丸筒的中心轴重合。

9.一种温度辅助超声喷丸方法，其特征在于，使用如权利要求1～8任意一项所述的温度辅助超声喷丸装置，将待喷丸处理的试件连接于第一板件之上，加热部用于加热的端面通过接触传热的方式对试件进行加热，往复运动机构控制加热部接近喷丸筒，超声施振部对喷丸筒施加振动，喷丸筒中的丸粒作用于试件；通过控制用于加热的端面的温度以实现试件在不同温度下进行超声喷丸处理。

10.如权利要求9所述的温度辅助超声喷丸方法，其特征在于，往复运动机构控制加热部接近喷丸筒时，通过往复运动机构控制加热部接近喷丸筒，使第一板件与喷丸筒的开口之间紧密贴合，丸粒运动空间由喷丸筒与固定板腔室共同构成，通过更换不同尺寸的第一板件与喷丸筒进行配合，调整喷丸距离；

超声施振部对喷丸筒施加振动时，超声施振部将超声振动传递给施振端，丸粒在在施振端的驱动下获得向上的速度，撞击加热状态下的试件，丸粒在重力作用下向下运动，到达工具头端面位置时再次被超声振动加速，循环往复，从而完成超声喷丸处理。

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