CN114310679A - 一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，包括：加工台，安装有第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构用于装夹工件并带动工件运动；超声振动变幅杆，竖向设置且与第二驱动机构连接以沿一竖向轴线旋转，所述超声振动变幅杆上安装有多组压电致动器；圆盘，设于超声振动变幅杆中部并径向向外延伸，外周设有反弹端面，所述圆盘位于多组压电致动器引起的超声振动变幅杆的振动波峰处。本发明利用超声振动变幅杆的超声振动和圆盘的振动反弹，对喷丸进行加速，以提高喷丸的速度和冲击能量，保证其满足高硬度工件表面的加工。

Description

一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统及方法

技术领域

本发明涉及工件表面加工，特别是涉及一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统及方法。

背景技术

超声喷丸能够改善工件表面的残余应力分布，提高工件表面硬度，形成特殊表面形貌。该工艺广泛用于强化各种表面的表面性能，提高疲劳强度。但是新材料的强度、硬度越来越高，当前喷丸系统与技术难以强化新材料，其强度超过1600MPa，硬度达到58HRC，这是由于现有喷丸系统激励丸粒的速度和冲击能量不够，不能满足高硬度的表面加工。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，能够提高喷丸速度和冲击能量，满足高硬度的工件表面加工需求。

根据本发明的第一方面实施例的一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，包括：加工台，安装有第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构用于装夹工件并带动工件运动；超声振动变幅杆，竖向设置且与第二驱动机构连接以沿一竖向轴线旋转，所述超声振动变幅杆上安装有多组压电致动器；圆盘，设于超声振动变幅杆中部并径向向外延伸，外周设有反弹端面，所述圆盘位于多组压电致动器引起的超声振动变幅杆的振动波峰处；混合器，用于将压缩气体和喷丸混合并将喷丸喷向反弹端面；所述喷丸填充装置用于将喷丸送入混合器内；所述喷气机构用于将压缩气体冲入混合器。

根据本发明实施例的一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，至少具有如下技术效果：利用超声振动变幅杆的超声振动和圆盘的振动反弹，对喷丸进行加速，以提高喷丸的速度和冲击能量，保证其满足高硬度工件表面的加工。

根据本发明的一些实施例，所述超声振动变幅杆为回转体且以第一轴线为中轴线，所述第一轴线竖向设置；所述圆盘为回转体且以第一轴线为中轴线，且所述圆盘的截面沿第二轴线对称，所述第二轴线与第一轴线垂直。

根据本发明的一些实施例，所述超声振动变幅杆在圆盘的上下两侧均设有安装槽以安装压电致动器，用于产生超声振动。

根据本发明的一些实施例，所述超声振动变幅杆包括第一半段和第二半段，所述第一半段和第二半段分别位于圆盘的上下两侧；所述第一半段和第二半段均设有两个安装槽以安装两组压电致动器。

根据本发明的一些实施例，所述第一半段包括从上端部朝中部依次同轴设置的第一连接段、第二传递段和第一放大段；所述第一连接段与第二传递段之间设有第一安装槽，所述第二传递段和第一放大段设有第二安装槽；所述第一放大段用于将第一安装槽和第二安装槽处的压电致动器产生的超声振动叠合。

根据本发明的第二方面实施例的一种用于强化高强度齿面的加工方法，包括如下步骤：S1，将工件装夹在工作台的驱动机构上；S2，开启喷气机构和喷丸填充装置，高压气体混合着喷丸从混合器喷出至圆盘的反弹端面上，同时第二驱动机构和超声波发生器开启，振动变幅杆在压电致动器的激励下，产生超声振动并将超声振动传递给圆盘，喷丸经过反弹端面的反弹和超声振动后对工件表面进行加工；S3，在驱动机构的驱动下，工件运动以实现加工区域的切换，实现待加工面的均匀加工。

根据本发明实施例的一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，至少具有如下技术效果：利用超声振动变幅杆的超声振动和圆盘的振动反弹，对喷丸进行加速，以提高喷丸的速度和冲击能量，保证其满足高硬度工件表面的加工。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是振动变幅杆的速度示意图；

图2是振动变幅杆的x-y平面内速度示意图；

图3是本发明实施例的安装结构示意图；

图4是本发明实施例的超声振动变幅杆的结构示意图；

图5是本发明实施例的超声振动变幅杆的振型图；

图6是混合器喷射喷丸的速度在x，y，z轴的速度示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图3至图5，本发明实施例的一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，包括加工台300、超声振动变幅杆100、圆盘200、混合器400、喷丸填充装置500、喷气机构600。

加工台300安装有第一驱动机构310和第二驱动机构330，所述第一驱动机构310用于装夹工件320并带动工件320运动，第一驱动机构310根据工件待加工面形状决定运动类似，如工件为回转体时，第一驱动机构310仅为电机即可，若工件形状复杂，则第一驱动机构310可以为多轴运动系统。超声振动变幅杆100竖向设置且与第二驱动机构330连接以沿一竖向轴线旋转，第二驱动机构330可以为电机。所述超声振动变幅杆100上安装有多组压电致动器；圆盘200，设于超声振动变幅杆100中部并径向向外延伸，外周设有反弹端面202，所述圆盘200位于多组压电致动器引起的超声振动变幅杆100的振动波峰处；混合器400，用于将压缩气体和喷丸混合并将喷丸喷向反弹端面202；所述喷丸填充装置500用于将喷丸送入混合器400内；所述喷气机构600用于将压缩气体冲入混合器400。

在本发明的一些实施例中，所述超声振动变幅杆100为回转体且以第一轴线101为中轴线，所述第一轴线101竖向设置；所述圆盘200为回转体且以第一轴线101为中轴线，且所述圆盘200的截面沿第二轴线201对称，第一轴线101在该截面上，所述第二轴线201与第一轴线101垂直。所述第二轴线201与超声振动变幅杆100的振动波峰重合。利用所述第二轴线201与超声振动变幅杆100的振动波峰重合，使得超声振动波峰处施加至圆盘200，通过圆盘200对喷丸进行超声激励，利用多个压电致动器的超声振动叠合产生高振幅、高能量的超声激励，可满足高硬度的工件加工需求。

在本发明的一些实施例中，所述超声振动变幅杆100在圆盘200的上下两侧均设有安装槽以安装压电致动器，用于产生超声振动。

在本发明的一些实施例中，所述超声振动变幅杆100包括第一半段和第二半段，所述第一半段和第二半段分别位于圆盘200的上下两侧；所述第一半段和第二半段均设有两个安装槽以安装两组压电致动器。以实现多组超声振动的叠加，提高超声振动能量。以此实现四个超声振动在第二轴线201处的叠加，提高超声振动的振幅，提高超声振动的激励强度，以满足对高强度、硬度的工件加工需求。具体的，第一半段位于圆盘200上侧，第二半段位于圆盘200下侧。

在本发明的一些实施例中，所述第一半段包括从上端部朝中部依次同轴设置的第一连接段110、第二传递段120和第一放大段130；所述第一连接段110与第二传递段120之间设有第一安装槽111，所述第二传递段120和第一放大段130设有第二安装槽121；所述第一放大段130用于将第一安装槽111和第二安装槽121处的压电致动器产生的超声振动叠合，以此提高超声振动能量。

第一传递段120的截面轮廓为双曲线状，其长度为30-40mm，为振动波长的奇数倍，用于传递第一对压电激励器产生的振动。所述第一放大段130的截面轮廓为高斯曲线。第一放大段130为以高斯曲线为外形的圆柱体段，主要用于在将轴向振动达到很高的振动速度及振幅，使其在一定振动周期内具有更快的振动速度。该段最小半径12-13mm，最大半径为14-16mm。其长度为约为9-11mm，为振动变幅杆振动波长的偶数倍，能实现两对压电致动器激励起的振动的正向传递，即波峰与波峰重叠激励，波谷与波谷重叠，实现更高幅值的振动。第一放大段130下端连接有一连接圆柱段131，为圆柱体，长度为3-5mm，用于将振动沿着轴向传递，保证轴向振动的传递，主要用于将高振幅和振动速度向下传递。圆盘200两侧与超声振动变幅杆100采用圆弧过渡。

所述超声振动变幅杆100的其中一振型节点位于第一连接段110，第一连接段110用于与工作台连接。第一连接段110截面为正六边形，与工作台的连接处为振动变幅杆振动振型中的节点处，即在振动时，该处的幅值为0。所述圆盘200包括从超声振动变幅杆100径向向外依次设置的倒锥段210、滤波段220、过渡段230和第二放大段240。具体的，倒锥段210为倒圆锥结构，圆锥的锥度为1:8；将传递而来的振动放大，其长度为20-24mm。滤波段220用于滤波，将输入的高振动速度及振幅稳定传递出去。

所述滤波段220截面轮廓为倒高斯曲线，即从第一轴线101往外呈收窄的高斯曲线。滤波段220截面为圆形，用于将振动尽可能的径向传递，即沿着第二轴线201向外传递振动。将输入的高振动速度及振幅稳定传递出去，形成一个滤波效果，即将较低幅值或者不完整的振动降低衰减。所述过渡段230截面轮廓为双曲线，过渡段230刚度相对较低，用于将从滤波段220传递过来的较低振幅或者不完整的振动吸收，将高振动幅值的振动或完整振动传递输出到第二放大段240。第二放大段240纵截面轮廓为高斯曲线，用于将过滤掉小振幅及不完整的振动后的振动进行放大，加速。第二放大段240外端边缘采用大圆弧过渡，因为大圆弧高斯曲线过渡，稳定变幅杆振动输出端向径向振动。

振动变幅杆的材料可以为钛合金(Ti6Al4V)。工作频率内材料损耗少，抗疲劳强度高，声阻抗率小，可以承受较大的振动速度和位移振幅。在阶梯形状的变幅杆在截面突变出有很大的应力集中，在细部为接近突变处容易发生因疲劳而断裂的问题，采用高斯曲线及圆弧，锥线过渡，能够降低应力集中值，同时并使的变幅杆的实际谐振频率接近理论值。

圆盘外周面为反弹端面202，与喷丸接触，激励喷丸产生高速运动，强化工件表面性能，如改善残余应力分布，表面形貌等。其宽度为12-15mm。

第二半段从外端朝内依次设置有第二连接段140、第二传递段150、第三放大段160、圆柱连接段161，第二连接段140和第二传递段150之间设有第三安装槽141，第二传递段150和第三放大段160之间设有第四安装槽151，第三安装槽141和第四安装槽151用于安装压电致动器，产生超声振动。从整体结构来看，第二半段的基本结构和功能与第一半段沿第二轴线201对称。第二连接段140、第二传递段150、第三放大段160、圆柱连接段161分别对应第一连接段110、第一传递段120、第一放大段130、连接圆柱段131，仅仅是在长度和尺寸上存在区别。

压电致动器为超声换能器，与超声波发生器连接，将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能。喷气机构600为空气压缩机，用于提供高压空气。加工介质为喷丸，由高强度高硬度材料制成。混合器400为高压空气和加工介质的混合器，并设有气体通道410和喷丸通道420，两个通道汇合后从同一出口朝圆盘200喷出。循环机构700能够将加工完的喷丸不断的往喷丸填充装置500输送。

加工台300用于安装工件，并能够驱动工件在空间中为满足加工曲面的要求实现各类运动。

本发明还提供一种基于上述喷丸系统的方法，包括如下步骤：S1，将工件320装夹在工作台的驱动机构310上；S2，开启喷气机构600和喷丸填充装置500，高压气体混合着喷丸从混合器400喷出至圆盘200的反弹端面202上，同时第二驱动机构330和超声波发生器开启，振动变幅杆100旋转且在压电致动器的激励下，产生超声振动并将超声振动传递给圆盘200，喷丸经过反弹端面202的反弹和超声振动后对工件320表面进行加工；S3，在驱动机构310的驱动下，工件320运动以实现加工区域的切换，实现待加工面的均匀加工。

在本发明的实施例中，为了更好提高加工质量，需要控制调节喷丸的加工速度，所述喷丸对工件的加工速度受超声振动变幅杆的综合振动速度v和喷丸从混合器中喷射出来的速度v₁影响；并可通过调节v和v₁来调节喷丸加工速度，其中v由下面的公式决定。

其中

v_x＝v_u+v_ix；v_y＝v_si+v_iy；v_ix＝2πh_if_i cosθ；v_iy＝2πh_if_i sinθ；v_si＝2πrk_i；v_u＝2πf_uk_u；v_i＝2πh_if_i。

其中v_x为v在x方向的分量；v_y为v在y方向的分量；v_u为振动变幅杆在压电致动器激励下的振动速度；v_i为振动变幅杆摆动引起的振动速度，v_ix为v_i在x方向的分量；v_iy为v_i在y方向的分量；Psi为振动变幅杆在旋转速度k_i下的切向速度；h_i为振动变幅杆在旋转速度k_i下的摆动振动幅值；f_i为振动变幅杆在旋转摆动振型中的第i阶固有频率；k_i为f_i对应的激励转速；θ为v_i与x方向的夹角；f_u为振动变幅杆在压电致动器的激励下的幅值，k_u为压电致动器的振动频率。r为圆盘的半径，即反弹端面202到第一轴线的距离。

在第二驱动机构330的驱动下，超声振动变幅杆会产生陀螺效应，即偏离中心轴线摆动运动，其摆动中心轴处的摆动位移即摆动的幅值。此摆动幅值为在在不同固有频率下的振动幅值，即可以通过模态分析获得。超声振动变幅杆在旋转摆动振型中的第1阶，第2阶，…，第i阶，…，第n阶的固有频率分别为f₁，f₂，……，f_i，……，f_n，对应转速分别为k₁，k₂，……，k_i，……，k_n，i为振动变幅杆的旋转摆动的固有频率阶数，i＝0，1，2，......，n。

则在此振动变幅杆摆动振动在不同振动频率下速度分别v₁，v₂，……，v_i，……，v_n。

v_i＝2πh_if_i，i＝0，1，2，......，n。

超声振动变幅杆在压电致动器的激励下的幅值为f_u，其振动频率为k_u，一般为20000Hz，则在压电致动器的激励下，超声振动变幅杆的振动速度v_u为

v_u＝2πf_uk_u。

在第二驱动机构330的驱动下，振动变幅杆转速为与其产生的激励频率的转速一致，为k₁，k₂，……，k_i，……，k_n，此超声振动变幅杆在旋转速度k_i下的切向速度v_si为

v_si＝2πrk_i。

在第二驱动机构330驱动超声振动变幅杆高速旋转速度、超声振动变幅杆共振摆动的振动速度和压电制动器激励超声振动变幅杆超声振动的速度，均在x-y平面，如图1和图2。

则变幅杆摆动引起的振动速度v_i引起的在x，y方向的速度为：

v_ix＝2πh_if_i cosθ；

v_iy＝2πh_if_i sinθ；

则综合合成速度v在x，y方向的速度为

v_x＝v_u+v_ix

v_y＝v_si+v_iy；

则

如图6所示，设定v₁为工作介质喷丸从混合器中喷射出来的速度；α、β、λ分别为v₁与x轴、y轴、z轴的角度，则在x轴，y轴，z轴的速度分别为：

v_x1＝v₁ sinλcosα；

v_y1＝v₁ sinλcosβ；

v_z1＝v₁ cosλ。

从混合器出来的喷丸微粒子的速度v₁，在超声振动变幅杆的综合振动速度v的激励下，产生新的在x，y，z三个方向的速度v₂，即喷丸与工件表面接触的加工速度。可通过以下两种方式调节v₂的速度大小与喷射角度：

(1)调节喷丸混合器加速后的速度|v₁|及其与x，y，z方向的角度(即α、β、λ)，|v₁|是指喷丸从混合器喷出的速度大小。

(2)选择超声振动变幅杆在不同固有频率下的激励转速，调节振动变幅杆的激励速度。

经过超声振动变幅杆激励后的喷丸的速度，可首先通过理想情况下的动量守恒及能量守恒计算进行预估，再按照以下试验过程检测获得：

(1)设置多组测试，每组测试下的五个设定参数k_i、|v₁|、α、β、λ的其中至少一个参数不同，检测每组测试条件下经过超声振动变幅杆加速后，工件表面的残余应力，硬度和表面形貌；

(2)将以上参数：k_i、|v₁|、α、β、λ，与检测获得喷丸强化后的工件表面质量参数：表面硬度，残余应力，表面形貌，通过最小二乘法拟合获得参数模型，即获得表面硬度，残余应力，表面形貌关于k_i、|v₁|、α、β、λ的函数模型，获得表面硬度参数模型为

G1(k_i、|v₁|、α、β、λ)，残余应力参数模型为

G2(k_i、|v₁|、α、β、λ)，表面形貌参数模型为

G3(k_i、|v₁|、α、β、λ)，最后再形成一个综合评价模型

f(G1、G2、G3)，f(G1、G2、G3)＝t₁G1+t₂G2+t₃G3，其中t₁、t₂、t₃分别为G1、G2、G3的比重系数，比重系数根据表面质量参数的要求设置，如将t₁、t₂、t₃分别设为0.4、0.3、0.3，f(G1、G2、G3)＝t₁G1+t₂G2+t₃G3＝0.4G1+0.3G2+0.3G3。然后再根据综合评价模型f(G1、G2、G3)进行工艺参数调整和优化，以获得最佳的加工参数k_i、|v₁|、α、β、λ。这与已有的加工工艺相比，大大提高了工艺参数调节效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，其特征在于包括：

加工台(300)，安装有第一驱动机构(310)和第二驱动机构，所述第一驱动机构(310)用于装夹工件(320)并带动工件(320)运动；

超声振动变幅杆(100)，竖向设置且与第二驱动机构连接以沿一竖向轴线旋转，所述超声振动变幅杆(100)上安装有多组压电致动器；

圆盘(200)，设于超声振动变幅杆(100)中部并径向向外延伸，外周设有反弹端面(202)，所述圆盘(200)位于多组压电致动器引起的超声振动变幅杆(100)的振动波峰处；

混合器(400)，用于将压缩气体和喷丸混合并将喷丸喷向反弹端面(202)；

喷丸填充装置(500)，用于将喷丸送入混合器(400)内；

喷气机构(600)，用于将压缩气体冲入混合器(400)。

2.根据权利要求1所述的用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，其特征在于：所述超声振动变幅杆(100)为回转体且以第一轴线(101)为中轴线，所述第一轴线(101)竖向设置；所述圆盘(200)为回转体且以第一轴线(101)为中轴线，且所述圆盘(200)的截面沿第二轴线(201)对称，所述第二轴线(201)与第一轴线(101)垂直。

3.根据权利要求2所述的用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，其特征在于：所述超声振动变幅杆(100)在圆盘(200)的上下两侧均设有安装槽以安装压电致动器，用于产生超声振动。

4.根据权利要求3所述的用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，其特征在于：所述超声振动变幅杆(100)包括第一半段和第二半段，所述第一半段和第二半段分别位于圆盘(200)的上下两侧；所述第一半段和第二半段均设有两个安装槽以安装两组压电致动器。

5.根据权利要求4所述的用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统，其特征在于：所述第一半段包括从上端部朝中部依次同轴设置的第一连接段(110)、第二传递段(120)和第一放大段(130)；所述第一连接段(110)与第二传递段(120)之间设有第一安装槽(111)，所述第二传递段(120)和第一放大段(130)设有第二安装槽(121)；所述第一放大段(130)用于将第一安装槽(111)和第二安装槽(121)处的压电致动器产生的超声振动叠合。

6.基于权利要求1至5任一项所述的用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，将工件(320)装夹在工作台的驱动机构(310)上；

S2，开启喷气机构(600)和喷丸填充装置(500)，高压气体混合着喷丸从混合器(400)喷出至圆盘(200)的反弹端面(202)上，同时第二驱动机构和超声波发生器开启，振动变幅杆(100)旋转且在压电致动器的激励下，产生超声振动并将超声振动传递给圆盘(200)，喷丸经过反弹端面(202)的反弹和超声振动后对工件(320)表面进行加工；

S3，在驱动机构(310)的驱动下，工件(320)运动以实现加工区域的切换，实现待加工面的均匀加工。

7.根据权利要求5所述的用于强化高强度齿面的超声高速喷丸系统的方法，其特征在于：所述喷丸对工件的加工速度受超声振动变幅杆的综合振动速度v和喷丸从混合器中喷射出来的速度v₁影响，并可通过调节v和v₁来调节喷丸加工速度；

v_x＝v_u+v_ix；

v_y＝v_si+v_iy；

v_ix＝2πh_if_icosθ；

v_iy＝2πh_if_isinθ；

v_si＝2πrk_i；

v_u＝2πf_uk_u；

v_i＝2πh_if_i；

其中v_x为v在x方向的分量；v_y为v在y方向的分量；v_u为振动变幅杆在压电致动器激励下的振动速度；v_i为振动变幅杆摆动引起的振动速度，v_ix为v_i在x方向的分量；v_iy为v_i在y方向的分量；v_si为振动变幅杆在旋转速度k_i下的切向速度；

h_i为在旋转速度k_i下的摆动振动幅值；f_i为振动变幅杆在旋转摆动振型中的第i阶固有频率；k_i为f_i对应的激励转速；θ为v_i与x方向的夹角；f_u为振动变幅杆在压电致动器的激励下的幅值，k_u为压电致动器的振动频率。

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