CN113957236A - 一种基于聚焦超声的表面强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于聚焦超声的表面强化方法，通过利用聚焦超声发生装置产生的超声波，并通过液体强化介质传递超声振动实现在工件表面强化点产生空化泡进行表面强化工作，通过计算定位聚焦超声装置与待强化工件的相对位置，然后通过调整聚焦超声装置与待强化工件的相对位置，通过控制超声波在聚焦点的驻留时间，即可有效地控制表面强化的区域和强度，达到精确强化工件表面的效果。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种基于聚焦超声的表面强化方法。
背景技术
由于科学技术的大幅度飞跃，市场对材料的性能的提升以及对其功能的拓展，提高零部件的使用时长有了更大更广泛的目标。大部分零部件失效的原因都是因为零件近表面和表面的材料无法满足严苛的工作环境导致的。譬如化学腐蚀、磨损和表面氧化等。这些反应大部分从表面开始发生，然后逐渐由表面向内部扩散使得零部件失去作用，进而降低机械设备的品质和使用时长。加强器材的表面质量对延长机械设备的使用时长以及更好地挖掘材料的潜能有着至关重要的用处，对此方面发展出的表面强化技术有着快速的发展，得到了各个领域的广泛关注，跻身现时代材料科学和零件科学中的重要方面。表面强化技术是零件强化的核心内容，是改善材料结构、组织和品质的核心关键。比较典型的传统的材料的机械表面强化技术有喷丸、滚压、挤压等等。除此之外，目前常用的超声表面强化技术种类也很多，有超声喷丸、超声滚压、超声振动挤压等等。
传统的超声表面强化技术主要是利用工具头在预压力和高频冲击力作用下对工件的表面进行撞击，使工件的表面发生塑性形变并且产生了残余压应力，进而提高被强化工件的疲劳强度，它的工作频率在20kHZ至45kHZ之间。传统的超声表面强化技术的缺点主要有两个，一是对强化的工件的大小有严格的要求，不然达不到预期效果；二是工具头的静压力参数需要调整准确，否则会伤害零件，影响材料使用。
发明内容
本发明的目的是根据现有的技术手段以及理论基础，为克服现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种聚焦超声表面强化方法，克服了传统工艺例如喷丸容易使薄板工件表面变形、易造成粉尘污染的缺点，克服了传统的超声表面强化技术工具头静压力参数设置难度高，对加工件大小有严格要求的缺点，同时由于焦域范围极小可以实现对工件表面微小单元的局部强化。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于聚焦超声的表面强化方法，采用以下步骤进行：
将待强化工件放在装有液体强化介质的敞口容器中；
在待强化工件的上方放置聚焦超声装置，其凹面指向待强化工件的待处理面，且该聚焦超声装置浸于液体强化介质中；
启动超声电源产生高频电激励，所述聚焦超声装置产生超声振动，通过液体强化介质的传递将超声振动聚焦于待强化工件上，移动所述聚焦超声装置和/或敞口容器，调整所述聚焦超声装置与待强化工件的相对位置，通过控制超声波在聚焦点的驻留时间，控制表面强化的区域和强度，从而对待强化工件进行大面积的表面强化。
所述液体强化介质是水或是抛光悬浮液，所述抛光悬浮液为氧化铝抛光悬浮液或氧化硅抛光悬浮液。
所述聚焦超声装置发出的超声波频率范围为200KHz到10MHz之间。
所述聚焦超声装置采用基于凹球面压电换能器的超声聚焦流体振动表面强化装置，则所述凹球面压电换能器的凹球面厚度为0.4mm到2.5mm，所述凹球面压电换能器的凹球面与待强化工件之间的距离为所述凹球面压电换能器的焦距f焦距，即与凹球面型面曲率半径相同。
所述聚焦超声装置采用基于声透镜的超声聚焦流体振动表面强化装置置，所述声透镜与待强化工件之间的距离为该声透镜的焦距f；所述声透镜在抛光液中的焦距f为：
式中，RC表示折射表面的曲率半径；γ表示折射表面与声透镜声轴之间的夹角，α＝n2/(1-n2)，其中，折射指数n＝C1/C2，C1为强化介质中的声速，C2为声透镜中的声速；符号+代表折射表面为凹折射面，符号-代表折射表面为凸折射表面。
所述聚焦超声装置采用基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动表面强化装置，包括球面阵列安装基座，所述球面阵列安装基座包括阵列式布置于弧形面结构上的多个压电陶瓷片以及对应布置于每个压电陶瓷片外侧多个声透镜，所述球面阵列安装基座的底部与待强化工件之间的距离为所述球面阵列安装基座的曲率半径R。
本发明利用聚焦超声装置对于超声波的汇聚作用，将压电陶瓷片产生的超声波聚焦于工件表面强化点，同时可以通过调整聚焦超声装置与强化工件的距离实现对强化区域大小和位置的控制，从而可以实现根据工件强化点驻留的时间以控制工件的强化效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于聚焦超声装置的超声聚焦流体振动表面强化的工作示意图。
图2为本发明实施例提供的凹球面压电换能器的示意图。
图3为本发明实施例提供的平-凸声透镜的原理示意图。
图4为本发明实施例提供的平-凹声透镜原理示意图。
图5为本发明实施例提供的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动表面强化装置的结构示意图。
图6为本发明实施例提供的平-凹声透镜声波会聚示意图。
图7为本发明实施例提供的平-凸声透镜声波会聚示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于聚焦超声的表面强化方法，是一种超声聚焦流体振动表面强化方法，主要是利用超声波在液体强化介质中传播且声压幅超过空化阈值时，将产生强烈的瞬态空化效应，工件表面附近产生局部的能量集中，引发高温、高压、冲击波和高速射流等极端现象，这些微射流配合磨粒的高频运动就可以有效的对材料进行冲击，使工件表面能够产生残余应力、冷作硬化，进而提高工件的质量。
参见图1所示，一种聚焦超声表面强化方法，采用以下步骤进行：
将待强化工件放在装有液体强化介质3的敞口容器2中；
在待强化工件5的上方放置聚焦超声装置4，且该聚焦超声装置4始终浸在所述液体强化介质3中，且其凹面指向待强化工件5的待处理面；
启动超声电源产生高频电激励，所述聚焦超声装置产生超声振动，通过液体强化介质3的传递将超声振动聚焦于待强化工件5上，移动所述聚焦超声装置4使聚焦超声装置4水平或垂直变换位置，和\或,移动所述敞口容器2，调整所述聚焦超声装置与待强化工件的相对位置，通过控制超声波在聚焦点的驻留时间，控制表面强化的区域和强度，从而可以对待强化工件5进行大面积的表面强化。
其中，所述聚焦超声装置是超声聚焦流体振动表面强化装置，其表面强化时间以及路径的选择可以通过额外的装置实现。
本发明中，所述液体强化介质可以是水或是抛光悬浮液，所述抛光悬浮液可以是氧化铝抛光悬浮液或氧化硅抛光悬浮液。
本发明中，所述超声电源能驱动聚焦超声装置产生超声振动，而且聚焦超声装置还能直接将其产生的超声波会聚于一点产生空化泡对工件表面进行强化。
优选的，所述聚焦超声装置发出的超声波频率范围为200kHz到10MHz之间。当超声频率在200kHz到850kHz之间时，焦斑的尺寸大，空化泡的尺寸大，适用于对尺寸大的工件进行表面强化。当超声频率在850kHz到20MHz频率范围内时，焦斑的尺寸小，空化泡的尺寸小，适用于对尺寸小的工件进行表面强化。因此，本发明选择在聚焦超声装置发出的超声波频率范围为200kHz到10MHz之间，可以对不同尺寸的工件选取适合的超声频率达到最好的表面强化效果。
作为一个可选的实施例，所述的聚焦超声装置可以是采用基于凹球面压电换能器10的超声聚焦流体振动表面强化装置，具体的，若以基于凹球面压电换能器的超声聚焦流体振动表面强化装置作为聚焦超声装置对工件进行表面强化，如图2所示，需要先调整好聚焦超声装置4与待强化工件5表面的相对位置，通过已知的参数求出聚焦超声装置4的焦距f(即凹球面压电换能器的曲率半径R)，在此位置附近才能将超声波的能量汇聚于工件的待加工区域内；启动聚焦超声装置后，超声振动产生的能量传递给液体强化介质，再由液体强化介质的空化效应对工件表面强化。其中，要想获得不同的强化效果可以调整凹球面压电换能器与工件的相对位置，位置发生变换后，强化区域的大小和强度也变化。
在使用过程中，凹球面压电换能器与待加工相对位置的推荐距离D＝R，效果最好的位置即凹球面压电换能器曲率半径R，也同时是它的焦距f，在此处的超声声强达到最大值，此距离下工件表面可以获得最好的强化效果。
作为一个可选的实施例，所述聚焦超声装置也可采用基于声透镜的超声聚焦流体振动表面强化装置，该装置通过声透镜对换能器8产生的超声波进行聚焦，如图3-图4，在超声换能器的前端安装有声透镜，构成带有声透镜的聚焦超声装置，可以作为超声聚焦流体振动表面强化装置使用。
具体的，若以基于声透镜的超声聚焦流体振动表面强化装置对工件进行表面强化，则需要考虑声透镜性能。声透镜性能与三个因素有关，分别是折射面几何形状、材料自身的特性以及周围媒质特性。其中折射面形状有凸凹面型、平-凹、平-凸、双凹面型以及双凸面型。且不同类型的声透镜具有不同效果，例如平-凹和平-凸两种镜面具有汇聚形镜面称为会聚或聚焦透镜，相反的也有发散性的扩散透镜。
优选的，本发明中，所选择的声透镜可以是平-凹透镜11或平-凸聚焦透镜9。其中平-凸声透镜聚焦超声装置的结构如图3所示，平-凹声透镜聚焦超声装置的结构如图4所示。由于声波在不同介质中的传播速度不同，根据不同材料透镜的传播速度大小，所述的平-凹声透镜的材料可以是石墨、镁合金、有机玻璃、铝合金、环氧树脂中的任意一种。优选的，在本发明中，所述的平-凸声透镜材料为聚四氟乙烯。
在用声透镜对工件表面进行强化之前，需要根据透镜曲率半径、折射指数以及换能器与透镜之间的夹角计算出所述声透镜在液体强化介质中的焦距，通过焦距来确定声透镜和工件的相对位置。
声透镜在聚焦后产生的超声振动传递给液体强化介质，液体强化介质因空化效应产生空化泡，空化泡对工件的表面进行局部强化。对工件的强化区域的大小和强化的强度可以通过调整声透镜与工件表面的位置进行控制，此外可以通过控制焦斑在工件各点的驻留时间来对工件表面进行精密强化。
当聚焦超声装置选择为声透镜时候，以图4的平-凹声透镜结构为例，其核心在于进行表面强化之前需要计算声透镜相对于待强化工件的位置，即对声透镜进行精准定位，这样才能将超声波的能量汇聚于强化点上。对于一套确定的基于声透镜的超声聚焦流体振动强化设备，声透镜工作时的最佳位置与它的焦距f密切相关。
本发明中，所述声透镜在液体强化介质中的焦距f，如图6和图7所示，图6和图7中F为焦点位置，其公式为：
式1中，RC表示折射表面的曲率半径；γ表示折射表面与声透镜声轴之间的夹角，α＝n2/(1-n2)，其中，折射指数n＝C1/C2，C1为强化介质中的声速，C2为声透镜中的声速；符号+代表折射表面为凹折射面，符号-代表折射表面为凸折射表面；
γ＝0时，所述声透镜在液体强化介质中的焦距f0为：
计算得出的焦距f0就是声透镜距离待加工件的最佳距离。
作为一个可选的实施例，所述聚焦超声装置也可采用基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动表面强化装置，包括弧形状的球面阵列安装基座12(如图5所示)，所述球面阵列安装基座12上安装有多个压电陶瓷片6，可以是阵列状布置于其弧面的内凹面上，每个压电陶瓷片6的外侧布置有一个声透镜7，如图5所示。
具体的，若以基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动表面强化装置作为聚焦超声装置对工件表面进行强化。则在对工件强化之前需要准确定位球面阵列安装基座(如图5所示)与待强化工件5之间的位置，使得球面阵列安装基座上的压电陶瓷片6产生的超声波经聚焦后精准汇聚于待强化工件5上的同一位置上，所以对于一套确定的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动表面强化装置而言，它的最佳工作位置与声透镜的焦距f有很大关系，如图6所示，其上的声透镜7的焦距f的计算方法同聚焦超声装置选择声透镜时的计算方法相同，该球面阵列安装基座声透镜7可以是平-凹或平-凸聚焦透镜，其中平-凸声透镜的结构如图3所示，平-凹声透镜的结构如图4所示。由于声波在不同介质中的传播速度不同，根据不同材料透镜的传播速度大小，所述的平-凹声透镜的材料可以是石墨、镁合金、有机玻璃、铝合金、环氧树脂中的任意一种。优选的，在本发明中，所述的平-凸声透镜材料为聚四氟乙烯。
进行表面强化时，可以是将敞口容器2放置于数控机床或者机器人工作台上并固定，将待强化工件5固定于敞口容器底部，再将液体强化介质3倒入敞口容器2中，需要注意液面要略高于聚焦超声装置4的顶部，然后将聚焦超声装置4放置在待强化工件5的正上方，距离应等于焦距f，再根据待强化工件5表面的面形误差计算出在各点超声聚焦驻留时间和规划最优强化路径，形成工件表面强化方案，最后将强化方案导入数控机床或机器人工作台中并对待强化工件5的表面进行强化工作。
另，所述聚焦超声装置4也可以是固定于可灵活调整移动距离和方向的工业机器人的机械臂上，通过改变机械臂的空间位置来保证超声装置能够垂直于工件表面，并易于调整超声波汇聚的焦点位置。这样能够适应复杂曲面表面，提高工件的表面强化质量，灵活控制强化工件表面的范围和强度。
综上可以看出，本发明通过利用聚焦超声发生装置产生的超声波，并通过液体强化介质传递超声振动实现在工件表面强化点产生空化泡进行表面强化工作，通过计算可以精确定位聚焦超声装置与工件的相对位置，然后通过调整聚焦超声装置与工件的相对位置，并通过控制超声波在聚焦点的驻留时间，即可有效地控制表面强化的区域和强度，达到精确强化工件表面的效果。
尽管上面三种超声装置结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于聚焦超声的表面强化方法，其特征在于，采用以下步骤进行：
将待强化工件放在装有液体强化介质的敞口容器中；
在待强化工件的上方放置聚焦超声装置，其凹面指向待强化工件的待处理面，且该聚焦超声装置浸于液体强化介质中；
启动超声电源产生高频电激励，所述聚焦超声装置产生超声振动，通过液体强化介质的传递将超声振动聚焦于待强化工件上，移动所述聚焦超声装置和/或敞口容器，调整所述聚焦超声装置与待强化工件的相对位置，通过控制超声波在聚焦点的驻留时间，控制表面强化的区域和强度，从而对待强化工件进行大面积的表面强化。
2.如权利要求1所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述聚焦超声装置的强化时间以及路径的选择通过外部装置实现。
3.如权利要求1或2所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述聚焦超声装置的轴线与待强化工件的表面成30～60°。
4.如权利要求3所述聚焦超声表面强化方法，所述聚焦超声装置发出的超声波频率范围为200KHz到10MHz之间。
5.如权利要求4所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述聚焦超声装置可以是基于凹球面压电换能器的超声聚焦流体振动表面强化装置、基于声透镜的超声聚焦流体振动表面强化装置、基于声透镜球面阵列的超声聚焦流体振动表面强化装置其中的一种。
6.如权利要求5所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述凹球面压电换能器的凹球面厚度为0.4mm到2.5mm，所述凹球面压电换能器的凹球面与待强化工件之间的距离为所述凹球面压电换能器的焦距f，该焦距f与凹球面型面曲率半径相同。
7.如权利要求5所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述声透镜与待强化工件之间的距离为该声透镜的焦距f；
所述声透镜在抛光液中的焦距f为：
式中，RC表示折射表面的曲率半径；γ表示折射表面与声透镜声轴之间的夹角，α＝n2/(1-n2)，其中，折射指数n＝C1/C2，C1为强化介质中的声速，C2为声透镜中的声速；符号+代表折射表面为凹折射面，符号-代表折射表面为凸折射表面。
8.如权利要求5所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动表面强化装置，包括球面阵列安装基座，所述球面阵列安装基座包括阵列式布置于弧形面结构上的多个压电陶瓷片以及对应布置于每个压电陶瓷片外侧多个声透镜，所述球面阵列安装基座的底部与待强化工件之间的距离为所述球面阵列安装基座的曲率半径R。
9.如权利要求1所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述液体强化介质是水或是抛光悬浮液，所述抛光悬浮液为氧化铝抛光悬浮液或氧化硅抛光悬浮液。
10.如权利要求5或7所述聚焦超声表面强化方法，其特征在于，所述声透镜采用平-凹声透镜或平-凸声透镜，所述平-凹声透镜的材料是石墨、镁合金、有机玻璃、铝合金、环氧树脂中的任意一种；所述平-凸声透镜材料为聚四氟乙烯。
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| CN202111172768.3A Pending CN113957236A (zh) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 一种基于聚焦超声的表面强化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113957236A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115533628A (zh) * | 2022-09-09 | 2022-12-30 | 天津大学 | 基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统 |
| CN115821000A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-21 | 西北工业大学 | 一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3974684A (en) * | 1973-04-02 | 1976-08-17 | Commissariat A L'energie Atomique | Ultrasonic system for focusing at an oblique angle of incidence |
| CN108381305A (zh) * | 2018-03-08 | 2018-08-10 | 天津大学 | 一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统 |
| CN108381304A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-10 | 天津大学 | 一种基于球壳压电换能器的超声聚焦流体振动抛光方法 |
| CN209078390U (zh) * | 2018-08-10 | 2019-07-09 | 天津大学 | 一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统 |
| CN110802522A (zh) * | 2019-09-23 | 2020-02-18 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 超声空化喷丸装置及其使用方法 |
-
2021
- 2021-10-08 CN CN202111172768.3A patent/CN113957236A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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