CN113736969A - 一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置 - Google Patents

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黄海泉
王成
周彬
陶欣荣
钟瑶
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    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working

Abstract

本发明涉及一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,由上平台、下平台、滑动机构、夹持机构、喷丸腔、螺纹夹紧机构和超声强化装置组成。上、下平台通过单头螺栓平行连接;喷丸腔安装在上平台中心部位,第一、第二滑动机构分别位于喷丸腔壁两侧且固定在上平台上。第一、第二夹持机构分别装在两个滑动机构上,沿光杆轴向运动。第一夹持机构安装有伺服电机,加工圆棒状试验件时,电机带动夹头转动,喷丸腔内的试验件通过透明塑料罩上圆形接口和密封件与夹头连接,喷丸腔内装有弹丸,可通过控制器调整电机转速,使圆棒状试验件表面喷丸强化效果更均匀。加工平板状试验件时,可先用螺纹夹紧机构对试件夹紧固定,然后对其表面进行喷丸强化处理。

Description

一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置
技术领域
本发明涉及金属表面超声处理技术领域,具体涉及一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置。
背景技术
表面喷丸强化是使零件表面通过喷丸强化,表层产生塑性变形并生成残余压应力层,零件的抗疲劳性能大大提高的一种技术,并且其可有效提升零件的磨损与表层腐蚀开裂抗力。喷丸强化技术广泛应用于航空、车辆、压力容器、汽轮机等行业。目前,国内已有十多个工业部门应用喷丸强化技术来改善零部件的高周疲劳、接触疲劳、振动疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳和应力腐蚀开裂。并通过实践试验,喷丸后构件的可靠性和耐久性得到了显著提高,从而提高了产品在国内外的市场竞争力,为企业和社会带来了巨大的经济效益。
在实际的表面喷丸处理过程中发现,对于一些关键零件,特别是形状复杂的薄壁零件,采用传统的喷丸技术处理后,零件往往存在严重的变形、边缘卷曲、表面粗糙、成品率低等问题,严重制约了喷丸强化技术在航空飞机、压力容器和汽轮机等关键结构件表面强化抗疲劳制造中的应用。
超声波喷丸强化技术是一种新型的绿色高效喷丸新技术,与传统表面强化技术相比,其执行机构轻巧、容易实现自动化控制、金属表面强化质量好。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;超声喷丸强化技术利用高能量密度的超声波经弹丸冲击金属材料表面,在金属材料表面产生远大于材料动态屈服强度的巨大冲击力,从而引发材料表面剧烈的塑性变形。材料表面层的微观组织由于这种剧烈的塑性变形而得到极大的碎化(可达纳米级别),产生密集、均匀且稳定的位错增殖。与此同时,材料内部诱导产生了高幅的残余压应力分布,当残余压应力积累到一定程度时,材料会发生宏观的弯曲变形使其内部力系重新达到平衡,并形成新的内部应力分布。通过调整超声波喷丸的不同参数,便可以产生相应的残余应力场分布,实现材料光滑曲率的精密成形与校形。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。
在发明专利CN107630128A中提出了一种风扇叶片的阶梯阵列式超声喷丸强化装置及方法,其采用多个超声振动设备的振动头组成阵列的方式实现了对较大表面的一次性超声喷丸强化,但是该喷丸对象为其它形状时,并不能有效对其进行喷丸强化。
在专利CN112680579A中公开了一种圆棒状试验件超声喷丸强化装置,该装置由平台、底座、滑台、喷丸腔、超声发生装置和升降装置组成。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,靠手轮摇动沿滑台底座上丝杆导轨轴向运动。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。该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。但是该超声喷丸强化装置只能加工直径固定的圆棒状试验件,不能有效加工不同尺寸和不同形状的试验件,且该装置靠丝杆传动带动试件,滑台移动有点缓慢。
现有超声喷丸装置大都只能对平板件进行超声喷丸加工,本发明在板件加工平台基础上进行改进,使其不仅能加工平板状试验件,还能对直径在一定范围内的圆棒状试验件进行表面超声喷丸处理。
发明内容
为了避免现有超声喷丸加工装置的不足,大多只能对平板状试验件进行表面超声喷丸处理的问题,本发明提出一种圆棒状试验件与平板状实验件两用超声喷丸强化装置;对于圆棒状试验件:本发明可利用第一夹持机构与第二夹持机构对待加工圆棒状试验件进行固定,利用透明塑料罩与密封件使其在相对密封环境下进行超声喷丸强化处理。对于平板状试验件:本发明可利用螺纹夹紧机构对待加工平板状试验件(该平板状试验件加工表面完全覆盖住喷丸腔)进行固定,并进行超声喷丸强化处理。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括上平台、下平台、第一滑动机构、第二滑动机构、第一夹持机构、第二夹持机构、螺纹夹紧机构、喷丸腔和超声强化装置;所述喷丸腔位于平台中心部位,所述第一滑动机构位于喷丸腔一侧,所述第二滑动机构位于喷丸腔另一侧,所述第一滑动机构、第二滑动机构分别固定在上平台上,且第一、第二滑动机构与喷丸腔中心轴线、上平台轴线位于同一竖直平面。
所述第一滑动机构、第二滑动机构分别与第一夹持机构、第二夹持机构配合,通过滑块沿光杆轴向运动,光杆焊接在铝托上,铝托通过螺纹连接固定在上平台上。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伺服电机,伺服电机与电机控制器通过线缆连接,并通过控制器调节伺服电机转速,伺服电机带动夹头转动,与夹头对应位置的透明塑料罩设有圆形接口,密封件可与该接口紧密配合,并通过胶带固定密封件;透明塑料罩内的圆棒状试验件通过圆形接口和密封件与夹头配合,通过移动第二夹紧机构,可配合第一夹紧机构固定圆棒状试验件。
所述喷丸腔对于圆棒状试验件来说包括透明塑料罩、密封件、圆形锥片、喷丸腔壁和振动头,振动头与喷丸腔壁之间的间隙小于所用弹丸直径,所述透明塑料罩可完全罩住喷丸腔,密封件可防止弹丸在圆棒状试验件加工过程中从喷丸腔飞出,于喷丸腔顶部的锥形片可使工作中的弹丸回流到喷丸腔中,通过螺纹夹紧机构可以固定透明塑料罩,喷丸腔内装有弹丸;对于平板状试验件来说,喷丸腔仅包括喷丸腔壁和振动头。
所述超声强化装置包括智能数控超声波发生器、换能器、变幅杆、振动头,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,换能器与变幅杆连接,所述变幅杆将换能器产生的机械位移放大,变幅杆与振动头连接,所述振动头驱动弹丸在喷丸腔内做随机运动。
所述喷丸腔与振动头的轴心位于同一直线上。
所述振动头与喷丸腔壁之间为间隙配合,且其间隙小于所用弹丸直径。
本发明提出的一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,利用高能量密度的超声波经冲击介质(弹丸)冲击金属材料表面,在金属材料表面产生远大于材料动态屈服强度的巨大冲击力,从而引发材料表面剧烈的塑性变形。材料表面层的微观组织由于这种剧烈的塑性变形,而产生密集、均匀且稳定的位错增殖。与此同时,材料内部诱导产生了高幅的残余压应力分布,当残余压应力积累到一定程度时,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。
本发明中的圆棒状试验件超声喷丸强化装置部分,由上平台、下平台、第一滑动机构、第二滑动机构、第一夹持机构、第二夹持机构、螺纹夹紧机构、密封装置和超声发声装置组成。上平台和下平台通过螺纹杆平行连接;喷丸腔安装在上平台中心部位,第一、第二滑动机构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,沿滑台下光杆导轨轴向运动。第一夹持机构安装有伺服电机,电机带动夹头转动,喷丸腔内的试验件通过圆形接口和密封件与夹头连接,喷丸腔内装有弹丸,下平台起承载超声喷丸强化装置作用。
本发明圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置中,智能数控超声波发生器产生超声波信号,智能数控超声波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,换能器与变幅杆机械连接,变幅杆将换能器产生的机械位移放大,变幅杆与振动头连接,振动头驱动弹丸在喷丸腔内做随机运动。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置作进一步详细说明。
图1为本发明圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置示意图。
图2为本发明圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置俯视图。
图3为滑动机构结构示意图。
图4为螺纹夹紧机构示意图。
图5为振动头与喷丸腔配合示意图。
图6为超声喷丸发生装置示意图。
图7为加工圆棒状试验件时的密封装置示意图。
图8为第一夹持机构示意图。
图9为电机底座示意图。
图中:1.喷丸腔 2.螺纹夹紧机构 3.第一夹持机构 4.伺服电机 5.第一滑动机构6.16mm螺纹杆 7.垫片 8.单头螺栓 9.超声强化装置 10.线缆接头 11.塑胶脚垫 12.智能数控超声波发生器 13.下平台 14.16mm螺母 15.上平台 16.第二滑动机构 17.轴承座18.第二夹持机构 19.密封件 20.透明塑料罩 21.光杆 22.滑动底座 23.滑块 24.铝托25.8mm螺纹杆 26.8mm螺母 27.横条 28.圆形锥片 29.喷丸腔壁 30.振动头 31.变幅杆32.换能器 33.圆孔 34.夹头 35.连接杆 36.电机底座 37.螺纹孔 38.沉头孔
具体实施方式
本实施例是一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置。
参阅图1~图9,本实施例圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,有上平台15、下平台13、第一滑动机构5、第二滑动机构16、喷丸腔1、超声强化装置9和螺纹夹紧机构2组成;其中,上平台15和下平台13之间通过四根螺纹杆6平行连接,下平台13通过四根单头螺栓8支撑;喷丸腔1位于上平台15中心部位,第一滑动机构5位于喷丸腔1一侧;第二滑动机构16位于喷丸腔1另一侧,第一滑动机构5、第二滑动机构16分别固定在上平台15上,且第一、第二滑动机构与喷丸腔1中心轴线、上平台15轴线位于同一竖直平面。
第一滑动机构5、第二滑动机构16分别与第一夹持机构3、第二夹持机构18配合,通过移动滑块23,可沿光杆21轴向运动,第一夹持机构3、第二夹持机构18轴心在同一条轴线上。第一夹持机构3安装有伺服电机4,伺服电机与电机底座36之间通过螺纹孔37用螺栓连接,电机底座36与滑动底座22之间通过沉头孔38用螺钉连接,伺服电机4与电机控制器通过线缆连接,通过控制器调节伺服电机转速,伺服电机带动夹头34转动,与夹头34对应位置的透明塑料罩20设有圆形接口;喷丸腔1内的圆棒状试验件通过圆形接口和密封件19与夹头34连接。
本实施例中,上平台15采用超硬铝合金制造,表面使用阳极化防锈蚀处理,下平台13采用Q235碳素结构钢制造。上平台15用来承载第一滑动机构5、第二滑动机构16,下平台13主要用来承载超声强化装置。第一滑动机构5、第二滑动机构16通过螺钉分别固定在上平台上,第一滑动机构5、第二滑动机构16对称安装,保证安装后第一滑动机构5、第二滑动机构16的中心线位于同一条直线上。第一滑动机构5、第二滑动机构16分别包括滑动底座22、滑块23、光杆21和铝托24,铝托通过螺钉固定在上平台上,滑块23安装于光杆21上。第一夹持机构3通过螺钉安装在第一滑动机构5上,伺服电机4通过连接杆与夹头3434连接,第二夹持机构18与第二滑动机构6之间通过螺钉固定。
本实施例中,对于圆棒状试验件而言,喷丸腔1包括喷丸腔壁29、透明塑料罩20、密封件19、圆形锥片28和振动头30,透明塑料罩20通过螺纹夹紧机构2固定,喷丸腔1内装有弹丸。圆形锥片28放置于喷丸腔1上端,与透明塑料罩20内壁紧密配合,圆形锥片28宽度与喷丸腔1上端一致。圆形锥片28与水平方向有负角度夹角,用于喷丸腔1弹丸强化过程中将弹丸收集到振动头30表面。装配后保证振动头30与喷丸腔壁29之间轴心重合,且装配后相互之间间隙小于弹丸直径。
可通过调整16mm螺纹杆与上平台的相对位置,对上平台实现一定程度的升降。
超声强化装置9包括智能数控超声波发生器12、换能器32、变幅杆31、振动头30和线缆接头10;其中,智能数控超声波发生器12产生超声波信号,智能数控超声波发生器12通过线缆与换能器32连接,换能器32将电信号转换为机械位移,换能器32与变幅杆31连接,变幅杆31将换能器32产生的机械位移放大,变幅杆31与振动头30连接,振动头30驱动弹丸在喷丸腔1内运动。
振动头30由钛合金制造,振动头30、变幅杆31和换能器32之间通过螺杆连接,且连接后保证振动头30、变幅杆31和换能器32的轴心重合,线缆接头10与智能数控超声波发生器12连接,通过调整智能数控超声波发生器12的参数和变幅杆的放大倍数进而调整振动头30的振动频率和振幅。
工作过程
1、试验件的装夹:装夹圆棒状试验件时,先在喷丸腔1内放入所需求数量弹丸,将圆棒状试验件一端由第一夹持机构3的夹头34装夹,装夹完毕后,通过移动光杆滑块23,滑块23带动圆棒状试验件通过密封件19与透明塑料罩20上的通孔进入到喷丸腔1内;当圆棒状试验件位于喷丸腔1中心位置后,停止移动滑块23,用手柄锁紧滑块23,使其位置固定。通过移动第二滑动机构16的滑块,使第二夹持机构18与圆棒状试验件完成装夹动作,试验件装夹完成后,启动伺服电机4,伺服电机4通过连接杆带动第一夹持机构3的夹头34转动,第一夹持机构3的夹头34带动圆棒状试验件匀速转动,通过伺服电机控制器控制调伺服电机达到试验所要求的转速。装夹平板状试验件时,从螺纹夹紧机构2中去掉透明塑料罩20与密封件19,将横条27与螺纹杆25通过螺母26装配在一块,横条27距喷丸腔1顶面3至4厘米左右即可,将平板状试验件放在喷丸腔1上,用螺栓通过横条上的螺纹孔并旋紧,可将平板状试验件固定于喷丸腔1顶端。
2、试验参数设定并启动超声喷丸发生装置9;通过智能数控超声波发生器12设置时间、超声波频率和振幅等参数,设置完毕后启动智能数控超声波发生器12,超声波信号通过线缆输入到换能器32中,换能器32将接收到的超声波信号转换为机械位移,机械位移经过变幅杆31放大后传递给振动头30,振动头30将振动能量传递给表面上的弹丸,弹丸随机对喷丸腔1内的圆棒状试验件或平板状试验件进行超声喷丸强化。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,包括上平台、下平台、第一滑动机构、第二滑动机构、第一夹持机构、第二夹持机构、螺纹夹紧机构、喷丸腔、超声强化装置,其特征在于:所述上平台和下平台通过单头螺栓平行连接;所述喷丸腔位于上平台中心部位,所述第一滑动机构位于喷丸腔一侧,所述第二滑动机构位于喷丸腔另一侧,所述第一滑动机构、第二滑动机构分别固定在上平台上,且第一、第二滑动机构与喷丸腔中心轴线、上平台轴线位于同一竖直平面;所述第一滑动机构、第二滑动机构分别与第一夹持机构、第二夹持机构配合,通过移动滑块沿滑块下光杆轴向运动,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伺服电机,伺服电机与电机控制器通过线缆连接,并通过控制器调节伺服电机转速,伺服电机带动夹头转动,与夹头对应位置的透明塑料罩设有圆型接口,以便与密封件配合;透明塑料罩里的圆棒状试验件通过圆形接口和密封件与夹头配合,于喷丸腔中进行超声喷丸强化处理,密封件可以防止弹丸在圆棒状试验件超声喷丸处理过程中从喷丸腔中飞出;对于圆棒状试验件来说,所述喷丸腔包括透明塑料罩、密封件、喷丸腔壁、圆形锥片和振动头,振动头与喷丸腔壁之间的间隙小于所用弹丸直径,喷丸腔内装有弹丸;下平台起承载超声振动装置作用;所述超声强化装置包括智能数控超声波发生器和超声振动装置,所述智能数控超声波发生器产生超声波信号,所述超声振动装置包括换能器、变幅杆和振动头,智能数控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,换能器与变幅杆连接,所述变幅杆将换能器产生的机械位移放大,变幅杆与振动头连接,所述振动头驱动弹丸在喷丸腔内做随机运动;喷丸腔上端有圆形锥片,该圆形锥片上表面与水平方向成一负角度,以便在超声喷丸强化过程中弹丸回流到喷丸腔中。
2.根据权利要求1所述的一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,其特征在于:所述振动头与喷丸腔壁之间为间隙配合,且其间隙小于所用弹丸直径。
3.据权利要求1所述的一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,其特征在于:所述喷丸腔与振动头的轴心位于同一直线上。
4.据权利要求1所述的一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,其特征在于:喷丸强化圆棒状试验件时,所述透明塑料罩的圆形接口、密封件以及第一、第二夹持机构的中心位于同一水平面上。
5.据权利要求1所述的一种圆棒与平板状试验件两用超声喷丸强化装置,其特征在于:喷丸强化圆棒状试验件时,所述密封件上的空隙小于弹丸的直径。
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