CN114317916A

CN114317916A - 一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆

Info

Publication number: CN114317916A
Application number: CN202111573869.1A
Authority: CN
Inventors: 陈雪林; 唐进元; 邵文
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，包括：主轴，为回转体且以第一轴线为中轴线；圆盘，为回转体且以第一轴线为中轴线，所述圆盘设于主轴中部并径向向外延伸，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；其中主轴在圆盘两侧均设有安装槽以安装压电致动器，用于产生超声振动；且所述第二轴线与主轴的振动波峰重合。本发明利用所述第二轴线与主轴的振动波峰重合，使得超声振动波峰处施加至圆盘，通过圆盘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。

Description

一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆

技术领域

本发明涉及喷丸表面加工领域，特别是涉及一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆。

背景技术

超声喷丸强化表面性能的方法广泛用于强化各种表面，改变残余应力分布，均匀表面形貌，提高工件的疲劳强度及运动接合面的润滑性能。但是随着新材料不断的被开发，材料的强度、硬度越来越高，现有的喷丸工艺难以满足其要求，需要高振幅的超声激励才能满足要求，传统的超声装置难以满足要求。

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表面高速超声喷丸的振动变幅杆。

根据本发明的第一方面实施例的一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，包括：主轴，为回转体且以第一轴线为中轴线；圆盘，为回转体且以第一轴线为中轴线，所述圆盘设于主轴中部并径向向外延伸，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；其中主轴在圆盘两侧均设有安装槽以安装压电致动器，用于产生超声振动；且所述第二轴线与主轴的振动波峰重合。

根据本发明实施例的一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，至少具有如下技术效果：利用所述第二轴线与主轴的振动波峰重合，使得超声振动波峰处施加至圆盘，通过圆盘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。

根据本发明的一些实施例，所述主轴包括第一半段和第二半段，所述第一半段和第二半段位于圆盘两侧；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端部朝中部依次同轴设置的第一连接段、第一传递段和第一放大段；所述第一连接段与第一传递段之间设有第一安装槽，所述第一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。

根据本发明的一些实施例，所述第一放大段的截面轮廓为高斯曲线。

根据本发明的一些实施例，所述主轴的其中一振型节点位于第一连接段。

根据本发明的一些实施例，所述圆盘包括从主轴径向向外依次设置的倒锥段、滤波段、过渡段和第二放大段。

根据本发明的一些实施例，所述滤波段截面轮廓为倒高斯曲线。

根据本发明的一些实施例，所述过渡段截面轮廓为双曲线。

根据本发明的一些实施例，所述第二放大段为高斯曲线。

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是本发明实施例的安装结构示意图；

图2是振动变幅杆的振型图。

附图标记：

主轴100、第一轴线101、第一连接段110、第一安装槽111、第一传递段120、第二安装槽121、第一放大段130、连接圆柱段131、第二连接段140、第三安装槽141、第二传递段150、第四安装槽151、第三放大段160、圆柱连接段161；

圆盘200、第二轴线201、倒锥段210、滤波段220、过渡段230、第二放大段240。

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1至图2，本发明实施例的一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，包括主轴100和圆盘200。

主轴100为回转体且以第一轴线101为中轴线；圆盘200为回转体且以第一轴线101为中轴线，即整个振动变幅杆都是以第一轴线101为中轴线的回转体。所述圆盘200设于主轴100中部并径向向外延伸，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；其中主轴100在圆盘200两侧均设有安装槽以安装压电致动器，用于产生超声振动，即如图1所示，主轴100在圆盘200上下两侧均设有安装槽；且所述第二轴线201与主轴100的振动波峰重合。利用所述第二轴线201与主轴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，所述主轴100包括第一半段和第二半段，所述第一半段和第二半段位于圆盘200两侧；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。

在本发明的进一步实施例中，所述第一半段包括从端部朝中部依次同轴设置的第一连接段110、第一传递段120和第一放大段130；所述第一连接段110与第一传递段120之间设有第一安装槽111，所述第一传递段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。

在本发明的进一步实施例中，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200两侧与主轴100采用圆弧过渡。

在本发明的进一步实施例中，所述主轴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包括从主轴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。

在本发明的进一步实施例中，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。

圆盘外周面为振动输出端面，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。

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

1.一种用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于包括：

主轴(100)，为回转体且以第一轴线(101)为中轴线；

圆盘(200)，为回转体且以第一轴线(101)为中轴线，所述圆盘(200)设于主轴(100)中部并径向向外延伸，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；

其中主轴(100)在圆盘(200)两侧均设有安装槽以安装压电致动器，用于产生超声振动；且所述第二轴线(201)与主轴(100)的振动波峰重合。

2.根据权利要求1所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述主轴(100)包括第一半段和第二半段，所述第一半段和第二半段位于圆盘(200)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。

3.根据权利要求2所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述第一半段包括从端部朝中部依次同轴设置的第一连接段(110)、第一传递段(120)和第一放大段(130)；所述第一连接段(110)与第一传递段(120)之间设有第一安装槽(111)，所述第一传递段(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。

4.根据权利要求3所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述第一放大段(130)的截面轮廓为高斯曲线。

5.根据权利要求3所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述主轴(100)的其中一振型节点位于第一连接段(110)。

6.根据权利要求1所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述圆盘(200)包括从主轴(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)。

7.根据权利要求6所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述滤波段(220)截面轮廓为倒高斯曲线。

8.根据权利要求6所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述过渡段(230)截面轮廓为双曲线。

9.根据权利要求6所述的用于强化高强度表面高速超声喷丸的振动变幅杆，其特征在于：所述第二放大段(240)为高斯曲线。