CN112680579A - 一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置，由平台、底座、滑台、喷丸腔、超声发生装置和升降装置组成。平台和底座通过支撑杆平行连接；喷丸腔安装在平台中心部位，第一、第二滑台分别位于喷丸腔壁两侧且固定在平台上。第一夹持机构、第二夹持机构分别安装在两个滑台上，沿滑台底座上导轨轴向运动。第一夹持机构安装有调速电机，电机带动夹头转动，喷丸腔内的试验件通过通孔与夹头连接，喷丸腔内装有弹丸，升降装置安装有超声发生装置，升降装置带动振动头在喷丸腔内上下运动。喷丸强化装置自动化程度高，通过调整升降装置的高度来控制振动头与试验件的距离，通过控制器调整电机转速，使试验件表面喷丸强化效果更加均匀。

Description

一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置

技术领域

本发明涉及金属表面喷丸强化技术，具体地说，涉及一种圆棒状试验件表面超声喷丸强化装置。

表面喷丸强化是结构零件抗疲劳制造的主要手段，通过喷丸强化使零件表层发生塑性变形，形成残余压应力层，从而改善零件的抗疲劳性能，并提高磨损和应力腐蚀开裂抗力，进而提高零件的可靠性和耐久性。喷丸强化具有操作简单、效果显著的特点，喷丸强化技术已经被广泛应用于航空发动机叶片、起落架和机翼壁板等重要零部件的表面强化处理，以达到提高疲劳强度、延长零件使用寿命的目的。

在实际表面喷丸强化过程中发现，对于某些关键零部件，特别是外形复杂的薄壁零件，使用传统喷丸工艺强化处理后，往往存在变形严重、表面粗糙度大、边缘卷曲、成品率低的问题，严重制约了喷丸技术在航空飞行器关键结构零部件表面强化抗疲劳制造中的应用。

超声喷丸技术是一种新型的金属材料表面处理技术，它是通过超声振动驱动金属或陶瓷弹丸以超高频率连续击打被处理材料表面，实现材料表面强化。与传统喷丸强化工艺相比，超声喷丸处理使用的弹丸尺寸较大，一般为1～10mm、频率更高一般为10～100kHz、撞击速度一般为10～20m/s；同时超声喷丸处理可以使材料表面形成较深的残余压应力层、加工硬化层和更低的表面粗糙度，还可以形成厚度为几十到几百微米的梯度纳米晶粒层。经过超声喷丸处理的材料，表面粗糙度低、整体变形小，可显著提高材料的疲劳、磨损和腐蚀性能。

发明专利CN107630128A公开了“一种超声喷丸强化设备”。该设备包括喷丸室、夹持装置以及至少一个超声振动装置。喷丸室内有多个喷丸腔室，所述喷丸腔室的底部开设有通孔，每个喷丸腔室可与一个超声振动装置连接；喷丸腔室内容纳有若干弹丸；所述夹持装置与超声振动装置相连接。该超声喷丸强化设备主要针对大型复杂曲面风扇叶片进行喷丸强化。但该超声喷丸强化设备服务对象单一，当喷丸对象为其它形状时，并不能有效对其进行喷丸强化，且喷丸参数调整范围小。

在专利CN207104671U提出了“一种内孔表面可调反射式超声喷丸强化装置”；该超声喷丸强化装置包括反射组件、工作台和超声振动台，工作台上设置有定位孔，待加工零件通过固定件固定在工作台上，贯穿孔与定位孔对应，以使超声振动头穿过定位孔后从贯穿孔的下端口进入贯穿孔并与贯穿孔间隙配合，反射组件包括凸件、支撑盖和调节螺杆，支撑盖固定在待加工零件的上方并将贯穿孔的上端口封堵，支撑盖、待加工零件以及超声振动头三者围成一个封闭的腔体，支撑盖上设置有调节孔，调节螺杆安装在调节孔中，凸件与调节螺杆的前端连接，凸件的下端向下凸出。该喷丸强化装置的超声振动头为固定式，只能在固定的距离上对内孔进行喷丸强化，且当内孔深度较大时，喷丸强化效果并不理想。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服其圆棒状试验件在进行超声喷丸强化时喷丸距离不可调，表面喷丸强化效果不均匀的问题，本发明提出一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置；该超声喷丸强化装置利用升降机构控制振动头与试验件的喷丸距离，通过控制器调节调速电机转速，最终达到控制试验件转速，使表面喷丸强化效果更加均匀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括平台、底座、第一滑台、第二滑台、喷丸腔、超声发生装置和升降装置，其特征在于所述平台和底座通过支撑杆平行连接；所述喷丸腔位于平台中心部位，所述第一滑台位于喷丸腔一侧，所述第二滑台位于喷丸腔另一侧，所述第一滑台、第二滑台分别固定在平台上，且第一、第二滑台与喷丸腔中心轴线、平台轴线位于同一竖直平面；

所述第一滑台、第二滑台分别与第一夹持机构、第二夹持机构配合，通过滑块与丝杠沿滑台底座上部导轨轴向运动，丝杠安装在滑台底座上，第一夹持机构、第二夹持机构轴心位于同一轴线上；所述第一夹持机构后部安装有调速电机，调速电机与电机控制器通过线缆连接，并通过控制器调节调速电机转速，调速电机带动夹头转动，与夹头对应位置的喷丸腔壁设有圆孔；喷丸腔内的圆棒状试验件通过圆孔与夹头配合；

所述喷丸腔包括喷丸腔壁、喷丸腔盖、弹丸收集仓，所述喷丸腔壁固定在平台上，喷丸腔底部安装有振动头，振动头与喷丸腔壁之间安装有弹丸收集仓，振动头、弹丸收集仓与喷丸腔壁之间的间隙小于所用弹丸直径，所述喷丸腔盖板安装在喷丸腔壁顶端，喷丸腔内装有弹丸；

所述升降装置包括步进电机、承载平台、滚珠丝杠和控制器，所述步进电机与控制器通过线缆连接，并通过减速器与滚珠丝杠连接，所述滚珠丝杠带动丝杠螺母驱动承载平台上下运动，所述承载平台安装有多根导向杆，承载平台上端部安装有超声发生装置；

所述超声发生装置包括超声波发生器、换能器、位移放大器、振动头和发生器支架，所述超声波发生器产生超声波信号，超声波发生器与换能器通过线缆连接，所述换能器将电信号转换为机械位移，换能器与位移放大器连接，所述位移放大器将换能器产生的机械位移放大，位移放大器与振动头连接，所述振动头驱动弹丸在喷丸腔内做随机运动；所述发生器支架上端部设有弹丸收集仓，所述弹丸收集仓与水平方向存在负角度夹角。

所述喷丸腔与振动头的轴心位于同一直线上。

所述振动头、弹丸收集仓与喷丸腔壁之间为间隙配合，且其间隙小于所用弹丸直径。

有益效果

本发明提出的一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置，通过超声振动驱动金属弹丸或陶瓷弹丸以超高频率连续击打被处理材料表面，实现材料表面强化处理。与常规喷丸技术相比，超声喷丸处理可以使材料表面形成较深的残余压应力层、加工硬化层和更低的表面粗糙度，还可以形成厚度为几十到几百微米的梯度纳米晶粒层。强化后材料的力学、疲劳、腐蚀性能都会发生改变。

本发明圆棒状试验件超声喷丸强化装置，由平台、底座、第一滑台、第二滑台、喷丸腔、超声发生装置和升降装置组成。平台和底座通过支撑杆平行连接；喷丸腔安装在平台中心部位，第一、第二滑台分别位于喷丸腔壁两侧且固定在平台上。第一夹持机构、第二夹持机构分别安装在两个滑台上，沿滑台底座上导轨轴向运动。第一夹持机构安装有调速电机，电机带动夹头转动，喷丸腔内的试验件通过圆孔与夹头连接，喷丸腔内装有弹丸，升降装置安装有超声发生装置，升降装置带动振动头在喷丸腔内上下运动。喷丸强化装置自动化程度高，通过调整升降装置的高度来控制振动头与试验件的距离，通过控制器调整电机转速，使试验件表面喷丸强化效果更加均匀。

本发明圆棒状试验件超声喷丸强化装置中，在升降装置顶端安装超声发生装置，超声波发生器产生超声波信号，超声发生器通过线缆与换能器连接，换能器将电信号转换为机械位移，换能器与位移放大器机械连接，位移放大器将换能器产生的机械位移放大，位移放大器与振动头连接，振动头驱动弹丸在喷丸腔内做随机运动。通过控制器调整调速电机转速，达到控制试验件转速，最终使试验件表面喷丸强化效果更加均匀。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置作进一步详细说明。

图1为本发明圆棒状试验件超声喷丸强化装置示意图。

图2为本发明圆棒状试验件超声喷丸强化装置的滑台结构示意图。

图3为超声发生装置结构示意图。

图4为振动头与喷丸腔配合示意图。

图5为振动头与弹丸收集仓俯视图。

图中

1.喷丸腔 2.第二夹持机构 3.垫块 4.支架 5.第二滑台 6.平台 7.支撑杆 8.底座9.升降装置底座 10.步进电机 11.滚珠丝杠 12.导向杆 13.承载平台 14.发生器支架15.弹丸收集仓 16.第一滑台 17.调速电机 18.第一夹持机构 19.超声发生装置 20.滑台底座 21.滑块 22.螺孔 23.导轨 24.丝杠 25.手轮 26.振动头 27.位移放大器 28.换能器 29.线缆接头 30.喷丸腔盖 31.喷丸腔壁 32.支撑筒

具体实施方式

本实施例是一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置。

参阅图1～图5，本实施例圆棒状试验件超声喷丸强化装置，有平台6、底座8、第一滑台16、第二滑台5、喷丸腔1、超声发生装置19和升降装置组成；其中，平台6和底座8通过四根支撑杆7平行连接；喷丸腔1位于平台6中心部位，第一滑台16位于喷丸腔1一侧；第二滑台5位于喷丸腔1另一侧，第一滑台16、第二滑台5分别固定在平台6上，且第一、第二滑台与喷丸腔1中心轴线、平台6轴线位于同一竖直平面。

第一滑台16、第二滑台5分别与第一夹持机构18、第二夹持机构2配合，通过滑块21与丝杠24沿滑台底座20上导轨23轴向运动；丝杠24安装在滑台底座20上，第一夹持机构18、第二夹持机构2轴心在同一条轴线上。第一夹持机构18安装有调速电机17，调速电机17与电机控制器通过线缆连接，通过控制器调节调速电机17转速，调速电机17带动夹头转动，与夹头对应位置的喷丸腔壁设有通孔；喷丸腔内的圆棒状试验件通过圆孔与夹头连接。

本实施例中，平台6采用超硬铝合金制造，表面使用阳极化防锈蚀处理，用来承载第一滑台16、第二滑台5和喷丸腔。第一滑台16、第二滑台5通过螺栓分别固定在平台上，第一滑台16、第二滑台5对称安装，保证安装后第一滑台16、第二滑台5的中心线位于同一条直线上。第一滑台16、第二滑台5分别包括滑台底座20、滑块21、导轨23、丝杠24和手轮25，导轨23通过螺栓固定在滑台底座20上，滑块21安装于导轨23上；丝杠24通过丝杠螺母与滑块21连接，手轮25与丝杠固定连接。第一夹持机构18通过螺栓安装在第一滑台16上，调速电机17通过联轴节与夹头连接，第二夹持机构2与第二滑台5通过螺钉固定，垫块3与支架4通过螺栓和滑块21上螺孔连接，通过调整垫块3使第二夹持机构2夹头的夹持轴线与第一夹持机构18的夹持轴线重合，保证第二夹持机构2与第一夹持机构18的同轴度。升降装置底座9与底座8通过螺栓固定，底座8由高强钢制成，表面经过阳极化发黑防锈蚀处理，底座8通过四根支撑杆7与平台6连接起来，支撑杆7采用高强钢加工。

本实施例中，喷丸腔包括喷丸腔壁31、喷丸腔盖30、弹丸收集仓15，喷丸腔盖30与喷丸腔壁31通过螺钉连接，喷丸腔壁31与平台6通过螺钉固定，喷丸腔内装有弹丸。喷丸腔底部安装有振动头26，振动头26与喷丸腔壁31之间安装有弹丸收集仓15，弹丸收集仓15与水平方向有负角度夹角，用于喷丸腔弹丸强化过程中将弹丸收集到振动头26表面，支撑筒32用于支撑弹丸收集仓15，振动头26、弹丸收集仓15和喷丸腔壁31之间为间隙配合，装配后保证振动头26、弹丸收集仓15和喷丸腔1之间轴心重合，且装配后相互之间间隙小于弹丸直径。

升降装置包括升降装置底座9、步进电机10、承载平台13、导向杆12、滚珠丝杠11和控制器组成，步进电机10与控制器通过线缆连接，步进电机10由控制器控制旋转角度，步进电机10并通过减速器与滚珠丝杠11连接，滚珠丝杠11与丝杠螺母配合，将步进电机10的周向运动转换为承载平台13的上下运动，承载平台13安装有多根导向杆12，导向杆12保证承载平台13上下运动时方向的准确性与稳定性。承载平台13上端部安装有超声发生装置19。

超声振动装置包括发生器支架14、超声发生装置19和弹丸收集仓15，发承载平台13与发生器支架14通过螺钉固定，超声发生装置19通过凸台与发生器支架14中间的圆孔凹台配合，固定于发生器支架14上，弹丸收集仓15与发生器支架14支架通过螺钉连接。

超声发生装置19包括超声波发生器、换能器28、位移放大器27、振动头26和线缆接头29；其中，超声波发生器产生超声波信号，超声波发生器通过线缆与换能器28连接，换能器28将电信号转换为机械位移，换能器28与位移放大器27连接，位移放大器27将换能器产生的机械位移放大，位移放大器27与振动头26连接，振动头26驱动弹丸在喷丸腔1内做随机运动。

振动头26由钛合金制造，振动头26、位移放大器27和换能器28之间通过螺杆连接，且连接后保证振动头26、位移放大器27和换能器28的轴心重合，线缆接头29与超声发生器连接，通过调整超声发生器的参数和放大器的放大倍数进而调整振动头26的振动频率和振幅。

工作过程

1、试验件的装夹；将圆棒状试验件一端由第一夹持机构18装夹，装夹完毕后，转动第一夹持机构18的手轮25，滑块21带动圆棒状试验件通过喷丸腔壁31上的通孔进入到喷丸腔1内；当圆棒状试验件位于喷丸腔中心位置后，停止转动第一夹持机构18的手轮25。转动第二夹持机构2的手轮25，使第二夹持机构2与圆棒状试验件完成装夹动作，试验件装夹完成后，喷丸腔1内放入所需求数量弹丸，将喷丸腔盖30用螺钉固定到喷丸腔壁31顶端。启动调速电机17，调速电机17通过联轴器带动第一夹持机构18夹头转动，第一夹持机构18夹头带动圆棒状试验件匀速转动，通过调速电机控制器控制调速电机17达到试验所要求的转速。

2、升降装置调整；通过控制器控制步进电机10旋转角度，步进电机10通过减速机带动滚珠丝杠11转动，滚珠丝杠11通过丝杠螺母驱动承载平台13运动到所要求位置。

3、试验参数设定并启动超声发生装置19；通过超声波发生器设置超声波频率，时间，振幅各参数，设置完毕后启动超声波发生器，超声波信号通过线缆输入到换能器28中，换能器28将接收到的超声波信号转换为机械位移，机械位移经过位移放大器27放大后传递给振动头26，振动头26将振动能量传递给表面上的弹丸，弹丸随机对喷丸腔1内的圆棒状试验件进行喷丸强化。

Claims (3)

1.一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置，包括平台、底座、第一滑台、第二滑台、喷丸腔、超声发生装置和升降装置，其特征在于:所述平台和底座通过支撑杆平行连接；所述喷丸腔位于平台中心部位，所述第一滑台位于喷丸腔一侧，所述第二滑台位于喷丸腔另一侧，所述第一滑台、第二滑台分别固定在平台上，且第一、第二滑台与喷丸腔中心轴线、平台轴线位于同一竖直平面；

所述第一滑台、第二滑台分别与第一夹持机构、第二夹持机构配合，通过滑块与丝杠沿滑台底座上部导轨轴向运动，丝杠安装在滑台底座上，第一夹持机构、第二夹持机构轴心位于同一轴线上；所述第一夹持机构后部安装有调速电机，调速电机与电机控制器通过线缆连接，并通过控制器调节调速电机转速，调速电机带动夹头转动，与夹头对应位置的喷丸腔壁设有圆孔；喷丸腔内的圆棒状试验件通过圆孔与夹头配合；

所述喷丸腔包括喷丸腔壁、喷丸腔盖、弹丸收集仓，所述喷丸腔壁固定在平台上，喷丸腔底部安装有振动头，振动头与喷丸腔壁之间安装有弹丸收集仓，振动头、弹丸收集仓与喷丸腔壁之间的间隙小于所用弹丸直径，所述喷丸腔盖板安装在喷丸腔壁顶端，喷丸腔内装有弹丸；

所述升降装置包括步进电机、承载平台、滚珠丝杠和控制器，所述步进电机与控制器通过线缆连接，并通过减速器与滚珠丝杠连接，所述滚珠丝杠带动丝杠螺母驱动承载平台上下运动，所述承载平台安装有多根导向杆，承载平台上端部安装有超声发生装置；

所述超声发生装置包括超声波发生器、换能器、位移放大器、振动头和发生器支架，所述超声波发生器产生超声波信号，超声波发生器与换能器通过线缆连接，所述换能器将电信号转换为机械位移，换能器与位移放大器连接，所述位移放大器将换能器产生的机械位移放大，位移放大器与振动头连接，所述振动头驱动弹丸在喷丸腔内做随机运动；所述发生器支架上端部设有弹丸收集仓，所述弹丸收集仓与水平方向存在负角度夹角。

2.根据权利要求1所述的圆棒状试验件超声喷丸强化装置，其特征在于:所述喷丸腔与振动头的轴心位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的圆棒状试验件超声喷丸强化装置，其特征在于:所述振动头、弹丸收集仓与喷丸腔壁之间为间隙配合，且其间隙小于所用弹丸直径。

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