CN115533628A - 基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,包括聚焦超声表面强化模块,该聚焦超声表面强化模块包括基座、与所述基座连接的内部形成通腔的壳体,所述的壳体由一个圆筒部及一个纵截面为梯形的圆锥筒部连接构成,所述圆筒部对应的腔体中安装凹球面压电换能器,所述圆锥筒部的锥顶端形成耦合介质出口,所述基座上形成耦合介质入口,所述通腔与所述基座上的耦合介质入口通过基座内的介质通道连通,所述凹球面压电换能器的外壁与所述通腔的圆筒部的内壁之间的保持预定距离相隔开。本发明利用凹球面压电换能器片产生超声振动并在加工点聚焦,可以精确定位表面强化系统与工件的相对位置,从而精确控制加工的区域大小和强度。
Description
技术领域
本发明涉及超声表面强化技术领域,特别是涉及一种基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统。
背景技术
随着工业技术快速发展,现代机械产品对于金属材料性能提出了更高要求,越来越多零件需要更高性能的表层质量和表面完整性,以提高产品性能的稳定性和可靠性。大多数零件失效的原因是由于零件材料的表面在长期使用的过程中无法满足严苛的工作条件,包括化学腐蚀,表层磨损,疲劳裂纹的萌生并向内扩展,造成机械设备使用寿命降低,严重时更会引发安全事故。因此增强材料表面的质量对于充分发挥材料潜力以及增加机械设备使用时间至关重要。
表面强化技术是使用特殊的工艺手段让零部件的表面结构,应力状态发生相应改变从而使表面更加光整、硬度得到提升,从而提高零件耐磨性和耐腐蚀性。传统表面强化技术有滚压,喷丸,挤压等,随着特种加工技术发展,超声技术引入到表面强化工艺上后,表面强化效果和加工的效率也得到进一步提升。
目前常见的超声表面强化技术例如超声挤压、滚压都是使用超声变幅杆形成高频的冲击作用对表面进行高频撞击,使材料表面发生塑性形变产生残余应力,增加材料表面的硬度以及耐磨性等,超声频率范围大多都在20-45KHz之间。现有超声表面强化技术的缺点有两个,一是需要精准调节变幅杆的静压力参数大小,否则不仅不会产生强化效果反而会减小零件正常使用寿命;二是对待强化工件的形状尺寸限制严格,否则表面起不到强化效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷,而提供一种基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,能够实现材料表面强化位置的精准控制,能提高不同位置表面强化的质量和效率。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
一种基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,包括聚焦超声表面强化模块,该聚焦超声表面强化模块包括基座、与所述基座连接的内部形成通腔的壳体,所述的壳体由一个圆筒部及一个纵截面为梯形的圆锥筒部连接构成,所述圆筒部对应的腔体中安装凹球面压电换能器,所述圆锥筒部的锥顶端形成耦合介质出口,所述基座上形成耦合介质入口,所述通腔与所述基座上的耦合介质入口通过基座内的介质通道连通,所述凹球面压电换能器的外壁与所述通腔的圆筒部的内壁之间的保持预定距离相隔开。
本发明基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,利用凹球面压电换能器片产生超声振动并在加工点聚焦,可以精确定位表面强化系统与工件的相对位置,从而精确控制加工的区域大小和强度。
本发明基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,不要求将工件浸没在超声耦合介质中,避免了空化过程中产生的微射流对整个工件表面的各个位置进行强化,从而实现对表面强化位置的精准控制,提高了表面强化效率和表面强化效率质量。
附图说明
图1为本发明实施例的基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统的系统结构示意图。
图2为本发明实施例聚焦超声表面系统中的基座、凹球面压电换能器、锥形壳组合在一起形成的聚焦超声表面强化模块的剖面图。
图3为本发明实施例的聚焦超声表面系统中的锥形壳的立体图。
图4为本发明实施例聚焦超声表面系统中的基座的立体图。
图5为本发明实施例的聚焦超声表面系统与工件距离示意图。
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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例的基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,利用超声换能器向超声耦合介质辐射高频超声波,通过高频超声波在耦合介质中传播且声压幅超过空化阈值时,产生强烈瞬态空化效应,从而使工件表面附近产生局部能量集中,引发高温、高压、冲击波和高速射流等极端现象,通过空化作用有效实现材料的表面强化。
如图1到图5所示,本发明实施例的基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,包括聚焦超声表面强化模块100,该聚焦超声表面强化模块包括基座101、与所述基座101连接的在内部形成有外形一致的通腔的壳体102,所述的壳体102由一个圆筒部及一个纵截面为梯形的圆锥筒部连接构成,所述圆筒部对应的腔体中安装凹球面压电换能器104,所述圆锥筒部的锥端形成耦合介质出口105,所述基座上形成耦合介质入口103,所述通腔与所述基座上的耦合介质入口通过基座内的介质通道连通,所述凹球面压电换能器104的外壁与所述通腔的圆筒部的内壁之间的保持预定距离相隔开而不接触。
通过超声电源驱动凹球面压电换能器产生超声振动,凹球面压电换能器将其产生的超声波通过超声耦合介质会聚于强化作用点。超声耦合介质通过基座预留的入口注入壳体的腔体内,最终从腔的下端出口流出对工件进行表面强化。
所述的壳体在超声耦合介质流入速度较快的情况下可以存储超声耦合介质,使得超声耦合介质流出的速率恒定。通过合理控制超声耦合介质的进出速率,能够使得材料表面强化区域的大小速率恒定。
示例性的,参见图4所示,所述基座的主体为一个较矮的圆柱体,中心形成一个凸部,可以作为凹球面压电换能器104的安装部,可以通过该安装部与凹球面压电换能器粘接,或是在其顶端预制安装盲孔,安装盲孔可以是光孔或是螺纹孔,也可以通过凹球面压电换能器底端设置的安装柱与安装盲孔过盈配合压紧或是胶接或是螺纹结构安装所述的凹球面压电换能器,所述的凸部可以为圆柱状,其纵向截面看,为一个凸字型结构。
所述耦合介质入口,示例性的布置于圆柱体的外周面上或是外圆面上,可以是一个内螺纹口,方便与接头螺纹连接,通过座内的L形的介质通道连通与圆柱体一个端面上的耦合介质的出口连通,实现液态超声耦合介质的注入到壳体102的通腔中。
示例性的,所述基座101的圆柱体的一个端面到另一个端面形成贯穿的通孔,用于超声电源2的电源线的引入,与凹球面压电换能器连接供电,可以在电源线引入后,将所述的通孔用密封填料106密封,防止漏液发生。
当然,所述基座也可以是其它形状或结构,不限于本发明的图示的实施例。
示例性的,所述超声耦合介质可以是水或者是水基溶剂。
其中,所述的凹球面压电换能器可以是声透镜、压电换能器阵列或者是声透镜阵列的一种
作为一个优选的实施例,所述凹球面压电换能器的轴线与待加工的工件3表面所在的水平面保持倾斜一定角度,非垂直,该角度的范围优选的是25~65°。
作为一个优选的实施例,所述的凹球面压电换能器产生的超声波的频率范围可以为200KHz到20MHz之间。
示例性的,所述的基座和所述的壳体可以是分别由铝合金和有机玻璃制成,它们之间可以通过螺栓连接,如壳体具有法兰连接边,如图3所示,法兰连接边上具有多个绕圆均匀布置的螺栓孔,与基座的配合的端面上的对应的螺纹盲孔(参见图4所示)配合,对准后,可以通过螺栓固定连接。
由于本发明实施例在表面强化过程中,需要通过基座注入液态超声耦合介质,因此,可以配置一个液体循环装置4,如循环泵,其输出端通过输送管与耦合介质入口连接,所述的液体循环装置能够将耦合介质从外部注入到壳体的腔体内以及流出后进行收集从而实现耦合介质的循环利用。液体循环装置4可以放在一个收集液态超声耦合介质的收集容器6中,以实现将表面强化过程中排出的液态超声耦合介质收集再循环利用。
另外,为了方便执行使用,还需要配置有执行装置1,该执行装置用于按预设的加工方案移动聚焦超声表面强化模块,以控制聚焦超声表面强化模块的超声波会聚的焦点位置;示例性的,该执行装置可以是数控机床或是其他执行设备,如执行装置也可以是能够灵活调整移动的工业机器人机械臂,通过调整机械臂来控制超声波会聚的焦点位置。这样能够灵活控制超声波加工工件表面的区域大小和强度,实现更为复杂曲面的表面强化过程。示例性的,所述的基座的上端可以是通过预留的螺纹孔与执行装置1连接。
示例性的,可以预先根据工件表面的原始硬度数据,计算出在工件的各点超声聚焦驻留时间,并规划最优加工路径,形成加工方案,最后将加工方案导入执行装置,由所述执行装置根据加工方案按预设路径移动,并控制各点超声聚焦驻留时间,实现对工件表面强化处理。
本发明实施例中,在表面强化的过程中,所述的超声耦合介质不需要完全浸没工件,即可进行表面强化的处理工作。
本发明实施例中,所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统与待加工的工件之间的距离范围由所述的凹球面压电换能器的焦距f和凹球面压电换能器到耦合介质出口的距离决定。参阅图2所示,在进行表面强化之前,需要对发明实施例的表面强化系统进行精准的定位,这样才能将超声波准确聚焦于工件的加工区域上,发明实施例表面强化系统与工件的最佳距离D通过以下式计算出来(请参阅图5所示):
D=f-l
式中,f为凹球面压电换能器的焦距,l为凹球面压电换能器与耦合介质出口的距离。
如上所述,便确定了本发明实施例的表面强化系统相对于工件的距离。
应用本发明实例的表面强化系统进行工件的表面强化处理时,需要将工件固定于一个容器中,如图1所示。通过执行装置1的下端的连接装置8(如连接臂)与表面强化系统的聚焦超声表面强化模块100的基座101通过预留的螺纹孔相连接固定,基座通过其中心形成的凸部与凹球面压电换能器连接在一起,如胶接连接。在进行表面强化前,使用液体循环装置4将超声耦合介质不断地注入壳体的通腔内,保持超声耦合介质液面略高于凹球面压电换能器,将凹球面压电换能器淹没,将待加工的工件放在一个容器5中(容器5的一端布置有耦合介质排管7,以将表面强化过程中排出的耦合介质由容器5排到收集容器7中回收再利用),固定于凹球面压电换能器的耦合介质出口位置,距离为凹球面压电换能器的焦距减去凹球面压电换换能器与耦合介质出口之间的距离。
之后,启动超声电源2,使凹球面压电换能器产生高频振动,通过耦合介质产生强烈的瞬态空化效应将振动能量聚焦于工件表面,对工件的表面进行表面强化处理;所述的执行装置可以根据导入的预设的加工方案,按预设的规划最优的加工路径对工件表面不同位置的强化效果进行精确的修正。
本发明实施例提出的基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,不要求将工件3浸没在耦合介质中,在使用过程中,将耦合介质直接注入表面强化系统的聚焦超声表面强化模块100的壳体内部的通腔内,将凹球面压电换能器片产生的超声波在工件表面加工点聚焦,通过动态调整表面强化系统的聚焦超声表面强化模块100的耦合介质出口与待加工的工件的相对距离D,实现对件的加工区域大小和强度的控制,控制工件加工聚焦点的超声波的驻留时间,来实现工件表面不同位置处不同强化效果的需求,达到精确修正加工表面不同的强化要求,控制工件不同位置的硬度变化需求,避免了空化过程中产生的微射流对整个工件表面的各个位置进行强化,实现对表面强化位置的精准控制,提高表面强化效率和表面强化质量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,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。
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 (10)
1.基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,包括聚焦超声表面强化模块,该聚焦超声表面强化模块包括基座、与所述基座连接的内部形成通腔的壳体,所述的壳体由一个圆筒部及一个纵截面为梯形的圆锥筒部连接构成,所述圆筒部对应的腔体中安装凹球面压电换能器,所述圆锥筒部的锥顶端形成耦合介质出口,所述基座上形成耦合介质入口,所述通腔与所述基座上的耦合介质入口通过基座内的介质通道连通,所述凹球面压电换能器的外壁与所述通腔的圆筒部的内壁之间的保持预定距离相隔开。
2.根据权利要求1所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,所述超声耦合介质是水或者是水基溶剂。
3.根据权利要求1所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,所述的凹球面压电换能器包括声透镜、压电换能器阵列或者是声透镜阵列。
4.根据权利要求1所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,所述凹球面压电换能器产生的超声波的频率范围为200KHz到20MHz之间。
5.根据权利要求1所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,所述凹球面压电换能器的轴线与待加工的工件表面保持倾斜预设角度。
6.根据权利要求5所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,所述预设角度的范围是25~65°。
7.根据权利要求1所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,配置一个液体循环装置,其输出端通过输送管与耦合介质入口连接,液体循环装置放在一个收集液态超声耦合介质的容器中,以实现将表面强化过程中排出的液态超声耦合介质收集再循环利用。
8.根据权利要求1所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,配置有执行装置,该执行装置用于按预设的导入的加工方案移动聚焦超声表面强化模块,以控制聚焦超声表面强化模块的超声波会聚的焦点位置,控制工件上的各点超声聚焦驻留时间,实现对工件表面强化处理。
9.根据权利要求8所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,所述执行装置是数控机床或是工业机器人机械臂。
10.根据权利要求8所述基于液柱耦合方式的聚焦超声表面强化系统,其特征在于,所述加工方案包括预先根据工件表面的原始硬度数据计算出在工件的各点超声聚焦驻留时间及规划出的最优加工路径。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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