CN115011771A - 一种涡轮轴螺栓孔弹丸式超声冲击强化装置及其强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于零件表面处理技术，涉及一种涡轮轴螺栓孔弹丸式超声冲击强化装置及其强化方法。包括机身支架(1)、弹丸密闭型腔槽(2)、型腔底座(3)、变幅杆(4)、换能器固定卡箍(5)、换能器(6)；本发明装置将结构半开放的螺栓孔全部封闭起来，形成密闭型腔，然后在型腔内放置硬质弹丸，利用超声源经变幅放大激振密闭型腔内的硬质弹丸做布朗运动，使得弹丸在超声激励下高速撞击型腔与螺栓孔内壁，从而使内壁表面发生弹塑性变形，实现了螺栓孔内壁表面被弹丸无差别撞击，从而在螺栓孔内壁各处获得了均匀的强化效果。

Description

一种涡轮轴螺栓孔弹丸式超声冲击强化装置及其强化方法

技术领域

本发明属于零件表面处理技术，涉及一种涡轮轴螺栓孔弹丸式超声冲击强化装置及其强化方法。

背景技术

涡轮轴服役环境恶劣，承受自身的循环载荷、燃气高温腐蚀等多重载荷的作用，易发生低循环疲劳失效，成为航空发动机的“限寿件”之一，受到人们的极大关注。其中，螺栓孔是出现疲劳裂纹失效的主要区域之一。原因是，一方面涡轮盘螺栓孔处具有较高的结构应力集中系数，在交变载荷作用下，孔口与孔壁区域承受的实际应力水平远高于外载，甚至超过材料屈服强度，极易引发低周疲劳失效；另一方面，螺栓孔壁与与螺栓装配接触，若装配不当，在交变载荷、交替热胀冷缩等因素作用下，两者存在微动磨损，易引发孔壁的微动疲劳失效。

目前，常用的螺栓孔的强化方法是喷丸强化或冷挤压强化方法，前者采用压缩气体驱动弹丸撞击孔壁表面，后者通过过盈芯棒挤压孔壁，形成残余压应力层和组织强化层，提高螺栓孔的疲劳性能。但是，由于涡轮轴的部分螺栓孔存在结构干涉问题，孔口及孔壁的弹丸可达性不佳，这种结构干涉主要来自于两个方面：1)螺栓孔为大深径比的小孔(直径小于10mm，深度/直径之比大于2)，孔壁易受到遮挡，难以被弹丸撞击到；2)螺栓孔的孔口附近存在长轴及安装边的遮挡，喷枪运动受限。因此，螺栓孔内壁沿轴线方向的中间部位难以达到图纸规定的喷丸强度，从而导致螺栓孔内壁喷丸强化效果不均匀，一方面引起喷丸强化的抗疲劳效果无法达到预期，另一方面引起螺栓孔变形超差，影响装配。另外，对于这部分螺栓孔，也因孔口附近存在长轴及安装边的遮挡问题，无法采用冷挤压强化方法对孔壁进行强化处理。

目前也存在针对轴类零件或深孔的超声冲击强化装置及方法。例如，CN104846187A专利公布了一种超声冲击强化轴类零件焊缝的装置及其方法，该方法是对轴类零件外表面焊缝进行超声冲击强化，而且采用的是顶针式方法，无法适用于轴类零件的螺栓孔内壁的强化需求。CN114107633A专利公布了一种回转工件超声冲击强化装置及方法，虽然采用弹丸式方法，但是该方法是对齿轮的外表面进行超声冲击强化，无法适用于轴类零件的螺栓孔内壁的强化需求。CN112975765A专利公布了一种深孔V型超声喷丸装置，该装置采用了2个换能器实现对孔内壁的表面强化，该装置的变幅杆105与深孔的轴线方向垂直，而非同轴，无法满足轴类零件的螺栓孔内壁的强化需求。综上所述，上述三个专利的装置与方法无法满足存在结构干涉问题的轴类零件的螺栓孔内壁的强化需求。

发明内容

本发明的目的是：提出一种涡轮轴底盘螺栓孔内壁的弹丸式超声冲击强化装置及其使用方法，目的是解决大深径比的螺栓孔的孔口结构干涉以及孔壁的弹丸可达性不佳的难题，提高孔壁的强化效果均匀性。

本发明的技术方案是：

一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，包括机身支架1、弹丸密闭型腔槽2、型腔底座3、变幅杆4、换能器固定卡箍5、换能器6；型腔底座3固定在机身支架1的上端面，通过定位销定位；型腔底座3的中央设有一个方形通孔；弹丸密闭型腔槽2为一体结构，由导管201和底座型腔202两部分组成；导管201在底座型腔202的上端；底座型腔202下端面设有一个方形孔，尺寸与型腔底座3的中央的方形通孔尺寸一致，对应后固定在型腔底座3的上端面上；变幅杆4的上端的方形工具头插入型腔底座3的方形通孔内，换能器6与变幅杆4通过内螺纹连接，换能器6通过换能器固定卡箍5与机身支架1连接固定。

所述弹丸密闭型腔槽2为树脂材质，底座型腔202内部为空腔，腔室壁厚为2～3mm，螺栓孔直径与导管201的内径相同，导管201的壁厚为1～2mm。

所述导管201的长度为50～100mm。

所述变幅杆4的上端的方形工具头插入型腔底座3的方形通孔内，工具头与方形通孔呈间隙配合，间隙尺寸为0.05～0.5mm；方形工具头与型腔底座3的方形通孔同轴。

所述涡轮轴8的底盘的螺栓孔的上孔口装有孔口堵头9。

所述换能器6产生的超声波频率为20～25KHz，变幅杆4的谐振频率为18～21KHz，振幅放大系数为12～16。

所述变幅杆4上端的工具头的上端面与水平面的法线夹角不超过5°。

一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置的强化方法：

1)先将涡轮轴8的长轴插入涡轮轴夹持工装7的扣合圆筒702内，将涡轮轴夹持工装7的底盘支撑杆703固定在涡轮轴8的底盘上，将涡轮轴夹持工装7的扣合圆筒法兰盘701与涡轮轴夹持工装7机器人法兰盘704连接固定；

2)从弹丸密闭型腔槽2的导管201中放入弹丸；

3)操纵机器人手柄，通过机器人移动涡轮轴8，使涡轮轴8的底盘的螺栓孔的下孔口紧贴弹丸密闭型腔槽2的导管201的上端，间隙尺寸为0.05～0.5mm。

4)开启电源，变幅杆4在超声波的驱动下做高速上下往复运动，驱动弹丸撞击螺栓孔内壁，加工时间为10～120s。

5)完成强化后，关闭电源，移动机器人使涡轮轴上升，旋转涡轮轴，重复步骤2)～4)，完成下一个螺栓孔的强化，直至所有螺栓孔完成强化。

所述涡轮轴夹持工装7包括扣合圆筒法兰盘701、扣合圆筒702、底盘支撑杆703、机器人法兰盘704；扣合圆筒法兰盘701与机器人法兰盘704连接固定，通过定位销定位，扣合圆筒702套在涡轮轴8的长轴的外表面，并与扣合圆筒法兰盘701连接固定；底盘支撑杆703的数量为2个，上端与扣合圆筒702的下端连接，下端与涡轮轴8的底盘连接。

弹丸为圆球形状，数量为10～80颗，直径为Φ1mm～Φ2mm，材质为陶瓷丸或铸钢丸，硬度为HRC55～62。

本发明的优点是：

(1)利用本发明装置将结构半开放的螺栓孔全部封闭起来，形成密闭型腔，然后在型腔内放置硬质弹丸，利用超声源经变幅放大激振密闭型腔内的硬质弹丸做布朗运动，使得弹丸在超声激励下高速撞击型腔与螺栓孔内壁，从而使内壁表面发生弹塑性变形，实现了螺栓孔内壁表面被弹丸无差别撞击，从而在螺栓孔内壁各处获得了均匀的强化效果。

(2)该方法仅消耗少量弹丸(10～80颗)，远远少于传统喷丸强化，加工成本更低，粉尘量更少，噪音也更小。

(3)由于超声波频率高达20～25KHz，变幅杆的谐振频率高达18～21KHz，因此，表面强化加工效率高。

(4)该方法提高了螺栓孔内壁表面的强化效果均匀性，不仅有利于提高涡轮轴的疲劳性能，还有利于减小螺栓孔的变形，实现了型性协同控制。

附图说明

图1装置整体示意图

图2涡轮轴安装示意图

图3封闭弹丸型腔的剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如图1所示，一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，包括机身支架1、弹丸密闭型腔槽2、型腔底座3、变幅杆4、换能器固定卡箍5、换能器6；型腔底座3固定在机身支架1的上端面，通过定位销定位；型腔底座3的中央设有一个方形通孔；弹丸密闭型腔槽2为一体结构，由导管201和底座型腔202两部分组成；导管201在底座型腔202的上端；底座型腔202下端面设有一个方形孔，尺寸与型腔底座3的中央的方形通孔尺寸一致，对应后固定在型腔底座3的上端面上；变幅杆4的上端的方形工具头插入型腔底座3的方形通孔内，换能器6与变幅杆4通过内螺纹连接，换能器6通过换能器固定卡箍5与机身支架1连接固定。所述换能器6产生的超声波频率为20～25KHz，变幅杆4的谐振频率为18～21KHz，振幅放大系数为12～16。

如图3所示，所述弹丸密闭型腔槽2为树脂材质，底座型腔202内部为空腔，腔室壁厚为2～3mm，螺栓孔直径与导管201的内径相同，导管201的壁厚为1～2mm，长度为50～100mm。

所述变幅杆4的上端的方形工具头插入型腔底座3的方形通孔内，工具头与方形通孔呈间隙配合，间隙尺寸为0.05～0.5mm；方形工具头与型腔底座3的方形通孔同轴，工具头的上端面与水平面的法线夹角不超过5°。

所述涡轮轴8的底盘的螺栓孔的上孔口一般都装有孔口堵头9。

一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置的强化方法：

1)先将涡轮轴8的长轴插入涡轮轴夹持工装7的扣合圆筒702内，将涡轮轴夹持工装7的底盘支撑杆703固定在涡轮轴8的底盘上，将涡轮轴夹持工装7的扣合圆筒法兰盘701与涡轮轴夹持工装7机器人法兰盘704连接固定；

2)从弹丸密闭型腔槽2的导管201中放入弹丸；

3)操纵机器人手柄，通过机器人移动涡轮轴8，使涡轮轴8的底盘的螺栓孔的下孔口紧贴弹丸密闭型腔槽2的导管201的上端，间隙尺寸为0.05～0.5mm。

4)开启电源，变幅杆4在超声波的驱动下做高速上下往复运动，驱动弹丸撞击螺栓孔内壁，加工时间为10～120s。

5)完成强化后，关闭电源，移动机器人使涡轮轴上升，旋转涡轮轴，重复步骤2)～4)，完成下一个螺栓孔的强化，直至所有螺栓孔完成强化。

如图2所示，所述涡轮轴夹持工装7包括扣合圆筒法兰盘701、扣合圆筒702、底盘支撑杆703、机器人法兰盘704；扣合圆筒法兰盘701与机器人法兰盘704连接固定，通过定位销定位，扣合圆筒702套在涡轮轴8的长轴的外表面，并与扣合圆筒法兰盘701连接固定；底盘支撑杆703的数量为2个，上端与扣合圆筒702的下端连接，下端与涡轮轴8的底盘连接。

弹丸为圆球形状，数量为10～80颗，直径为Φ1mm～Φ2mm，材质为陶瓷丸或铸钢丸，硬度为HRC55～62。

本发明的工作原理是：

除了气动式喷丸机，超声波具有频率高、能量大、功率密度大等优点，也是进行高能表面强化的理想动力源之一。因此，本发明先将结构半开放的螺栓孔全部封闭起来，形成密闭型腔，然后在型腔内放置硬质弹丸，利用超声源经变幅放大激振密闭型腔内的硬质弹丸做布朗运动，使得弹丸在超声激励下高速撞击型腔与螺栓孔内壁，从而使内壁表面发生弹塑性变形，实现表面强化。经测算，弹丸经导管运动的最大高度可达25cm，本发明中的导管+螺栓孔的最大高度不超过13cm，因此，弹丸到达螺栓孔最低端时仍有较大的动能，每个弹丸在密闭型腔内撞击时的冲力大小、方向都不相同，型腔内各个部位被弹丸撞击的次数和力度是相同的，因此，孔内壁表面的强化效果是均匀的，从而解决了孔内壁强化的结构干涉问题，提高了螺栓孔内壁表面的强化效果均匀性，不仅有利于提高涡轮轴的疲劳性能，还有利于减小螺栓孔的变形，实现了型性协同控制。

实施例1：

一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置由机身支架1、弹丸密闭型腔槽2、型腔底座3、变幅杆4、换能器固定卡箍5、换能器6、夹持工装7、涡轮轴8和孔口堵头9组成。型腔底座3固定在机身支架1的上端面，两者通过定位销定位，通过螺钉连接固定。型腔底座3的中央存在一个方形通孔。弹丸密闭型腔槽2由导管201和底座型腔202两部分组成。底座型腔202通过螺钉固定在型腔底座3的上端面，底座型腔202为树脂材质，内部为空腔，腔室壁厚为2mm，下端面存在一个方形孔，尺寸与型腔底座3的中央的方形通孔尺寸一致，上端面存在一个圆孔，与导管201相连接，圆孔的直径与导管201的内径相同。变幅杆4的上端的方形工具头插入型腔底座3的方形通孔内，工具头与方形通孔呈间隙配合，间隙尺寸为0.5mm。方形工具头与方形通孔同轴。换能器6与变幅杆4通过内螺纹连接。换能器6通过换能器固定卡箍5与机身支架1连接固定。涡轮轴夹持工装7由扣合圆筒法兰盘701、扣合圆筒702、底盘支撑杆703、机器人法兰盘704四部分组成。扣合圆筒法兰盘701与机器人法兰盘704连接固定，通过定位销定位，通过螺钉连接固定。扣合圆筒702套在涡轮轴8的长轴的外表面，并与扣合圆筒法兰盘701通过螺钉连接。底盘支撑杆703的数量为2个，上端与扣合圆筒702的下端连接，下端与涡轮轴8的底盘连接。孔口堵头9放置在涡轮轴8的底盘的螺栓孔的上孔口。

换能器6产生的超声波频率为25KHz，变幅杆的谐振频率21KHz，振幅放大系数为16。

变幅杆4的上端的工具头的上端面与水平面的法线夹角不超过5°。

一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置的强化方法，

(1)先将涡轮轴8的长轴插入扣合圆筒702内，将底盘支撑杆703固定在涡轮轴8的底盘上，将扣合圆筒法兰盘701与机器人法兰盘704连接固定。

(2)从弹丸密闭型腔槽2的导管201中放入弹丸。

(3)操纵机器人手柄，通过机器人移动涡轮轴，使涡轮轴8的底盘的螺栓孔的下孔口靠近弹丸密闭型腔槽2的导管201的上端，间隙尺寸为0.5mm。

(4)开启电源，变幅杆4在超声波的驱动下做高速上下往复运动，驱动弹丸撞击螺栓孔内壁，加工时间为120s。

(5)完成强化后，关闭电源，移动机器人使涡轮轴上升，旋转涡轮轴，重复步骤(2)～(4)，完成下一个螺栓孔的强化，直至所有螺栓孔完成强化。

弹丸为圆球形状，数量为80颗，直径为Φ2mm，材质为陶瓷丸丸，硬度为HRC55～62。

实施例2：

底座型腔202的腔室壁厚为3mm，变幅杆4的方形工具头与方形通孔呈间隙配合，间隙尺寸为0.05mm。换能器6产生的超声波频率为20KHz，变幅杆的谐振频率18KHz，振幅放大系数为12。

涡轮轴8的底盘的螺栓孔的下孔口与弹丸密闭型腔槽2的导管201的上端的间隙尺寸为0.05mm。开启电源，加工时间为10s。弹丸数量为10颗，直径为Φ1mm，材质为铸钢丸。

通过上述方法，螺栓孔内壁沿轴线方向的弹丸覆盖率基本相同，表面残余压应力值基本相当，表面粗糙度基本相同，硬化层的深度差异不大于20μm。

Claims (10)

1.一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，其特征在于，包括机身支架(1)、弹丸密闭型腔槽(2)、型腔底座(3)、变幅杆(4)、换能器固定卡箍(5)、换能器(6)；型腔底座(3)固定在机身支架(1)的上端面，通过定位销定位；型腔底座(3)的中央设有一个方形通孔；弹丸密闭型腔槽(2)为一体结构，由导管(201)和底座型腔(202)两部分组成；导管(201)在底座型腔(202)的上端；底座型腔(202)下端面设有一个方形孔，尺寸与型腔底座(3)的中央的方形通孔尺寸一致，对应后固定在型腔底座(3)的上端面上；变幅杆(4)的上端的方形工具头插入型腔底座(3)的方形通孔内，换能器(6)与变幅杆(4)通过内螺纹连接，换能器(6)通过换能器固定卡箍(5)与机身支架(1)连接固定。

2.如权利要求1所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，其特征在于，所述弹丸密闭型腔槽(2)为树脂材质，底座型腔(202)内部为空腔，腔室壁厚为2～3mm，螺栓孔直径与导管(201)的内径相同，导管(201)的壁厚为1～2mm。

3.如权利要求1所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，其特征在于，导管(201)的长度为50～100mm。

4.如权利要求1所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，其特征在于，所述变幅杆(4)的上端的方形工具头插入型腔底座(3)的方形通孔内，工具头与方形通孔呈间隙配合，间隙尺寸为0.05～0.5mm；方形工具头与型腔底座(3)的方形通孔同轴。

5.如权利要求1所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，其特征在于，所述涡轮轴8的底盘的螺栓孔的上孔口装有孔口堵头(9)。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮轴螺栓孔弹丸式超声冲击强化装置，其特征在于：换能器(6)产生的超声波频率为20～25KHz，变幅杆(4)的谐振频率为18～21KHz，振幅放大系数为12～16。

7.根据权利要求1所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置，其特征在于：变幅杆(4)上端的工具头的上端面与水平面的法线夹角不超过5°。

8.根据权利要求1－7任意一项所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置的强化方法，其特征在于：

1)先将涡轮轴(8)的长轴插入涡轮轴夹持工装(7)的扣合圆筒(702)内，将涡轮轴夹持工装(7)的底盘支撑杆(703)固定在涡轮轴(8)的底盘上，将涡轮轴夹持工装(7)的扣合圆筒法兰盘(701)与涡轮轴夹持工装(7)机器人法兰盘(704)连接固定；

2)从弹丸密闭型腔槽(2)的导管(201)中放入弹丸；

3)操纵机器人手柄，通过机器人移动涡轮轴(8)，使涡轮轴(8)的底盘的螺栓孔的下孔口紧贴弹丸密闭型腔槽(2)的导管(201)的上端，间隙尺寸为0.05～0.5mm。

4)开启电源，变幅杆(4)在超声波的驱动下做高速上下往复运动，驱动弹丸撞击螺栓孔内壁，加工时间为10～120s。

5)完成强化后，关闭电源，移动机器人使涡轮轴上升，旋转涡轮轴，重复步骤2)～4)，完成下一个螺栓孔的强化，直至所有螺栓孔完成强化。

9.如权利要求1所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置的强化方法，其特征在于，所述涡轮轴夹持工装(7)包括扣合圆筒法兰盘(701)、扣合圆筒(702)、底盘支撑杆(703)、机器人法兰盘(704)；扣合圆筒法兰盘(701)与机器人法兰盘(704)连接固定，通过定位销定位，扣合圆筒(702)套在涡轮轴8的长轴的外表面，并与扣合圆筒法兰盘(701)连接固定；底盘支撑杆(703)的数量为2个，上端与扣合圆筒(702)的下端连接，下端与涡轮轴(8)的底盘连接。

10.根据权利要求8所述的一种涡轮轴螺栓孔超声冲击强化装置的强化方法，其特征在于：弹丸为圆球形状，数量为10～80颗，直径为Φ1mm～Φ2mm，材质为陶瓷丸或铸钢丸，硬度为HRC55～62。

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