CN115710619A - 一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置及其强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机零件表面强化技术领域，公开了一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置及其强化方法，包括工作台，所述工作台表面设置有滑轨，所述滑轨一侧设置有机匣孔固定件，所述滑轨表面通过安装座连接有超声滚压装置；所述超声滚压装置包括外壳，所述外壳一侧设置有超声波换能器，所述外壳另一侧连接有弹性套筒，所述超声波换能器远离外壳的一侧通过联轴器连接于电机。可根据实际加工情况选择不同规格的弹性套筒和芯轴；采用超声滚压装置，在减小粗糙度的同时还能均匀的在内壁表层引入残余压应力，降低应力集中，抑制裂纹的萌生和扩展；通过超声滚压装置配合滑轨以及电机，方便控制超声滚压装置的进给速度和转速，实现对机匣内壁表面均匀全面的超声滚压强化。

Description

一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置及其强化方法

技术领域

本发明属于航空发动机零件表面强化技术领域，具体涉及一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置及其强化方法。

背景技术

机匣中的孔结构是一类常见的结构，通常为了减轻重量、装配方便等作用，机匣很多部位都会加工出不同尺寸的空心孔洞。但是受加工技术限制，内孔的加工质量往往低于外部结构，这就容易在加工刀痕处产生应力集中，造成疲劳开裂，降低零部件的使用寿命，因此一般都会对加工后的表面进行强化。目前在表面强化领域，常用的技术有机械喷丸、挤压强化、超声冲击和超声滚压等，但受技术原理及设备结构限制，现有设备主要都是用于加工外表面，而对于空心回转这类结构的内壁，强化过程不易控制，强化效果不显著。

发明内容

本发明的目的是：设计一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置及其强化方法，以解决表面强化领域现有设备主要都是用于加工零部件外表面，对于机匣这类空心回转结构的内壁，其强化过程不易控制，强化效果不显著的问题。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一方面提供一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，包括工作台，所述工作台表面设置有滑轨，所述滑轨一侧设置有机匣孔固定件，所述滑轨表面通过安装座连接有超声滚压装置；安装座底部的滑槽配合滑轨的作用可以实现进给运动，便于超声滚压装置的工作端进入机匣孔固定件内部装夹的机匣孔工件内部。

所述超声滚压装置包括外壳，所述外壳一侧设置有超声波换能器，所述外壳另一侧连接有弹性套筒，所述超声波换能器远离外壳的一侧通过联轴器连接于电机。

所述超声波换能器内部设置有后驱动器和前驱动器，所述后驱动器和前驱动器之间设置有压电陶瓷，通过后驱动器-和前驱动器-可以对压电陶瓷-施加预紧力，所述前驱动器外侧连接有变幅杆，且所述变幅杆设置于所述外壳内部，所述变幅杆末端设置有芯轴。超声波换能器与变幅杆通过螺纹连接，变幅杆的作用是放大换能器产生的机械振动的振幅。

所述外壳与弹性套筒通过螺栓幅紧固连接，且所述外壳与弹性套筒之间设置有橡胶垫圈，所述芯轴贯穿橡胶垫圈设置于所述弹性套筒内部，所述芯轴末端设置有锥形头。

进一步，所述弹性套筒靠近所述机匣孔固定件的一侧末端均匀设置有多个凹槽，且所述相邻的凹槽之间均设置有通孔，所述通孔内部活动连接有滚珠，所述滚珠设置于弹性套筒和锥形头之间。滚珠与锥形头相切，通孔直径小于滚珠直径，用于嵌入滚珠，弹性套筒的端部有45°斜面，使弹性套筒在回复的过程中能够与端盖的斜面相契合，便于对弹性套筒施加作用力。

进一步，所述锥形头末端还设置有端盖，所述端盖边缘处设置有45°斜面，所述弹性套筒末端设置有45°斜面，且所述端盖边缘处的斜面与弹性套筒末端的斜面相互啮合。锥形头与端盖通过螺纹连接，端盖的边缘有45°斜面，可以在锥形头上移的过程中对弹性套筒的回复过程起到助推作用。

进一步，所述工作台表面还设置有超声电源，且所述超声电源电性连接于所述超声波换能器。超声电源的作用是将一般的频率为Hz的交流电转化成超声频次的电流信号，并将此信号传递给超声换能器。超声波换能器的作用是将超声电源传递来的高频的电振荡信号转化成自身相同频率的机械振动，并将振动传递到变幅杆。

优选地，所述外壳与所述超声波换能器之间通过螺钉紧固连接。

优选地，所述安装座通过轴承活动连接外壳和超声波换能器。在电机通过联轴器带动超声波换能器进行旋转的时候，外壳和超声波换能器能够在轴承的作用下进行旋转。

另一方面，提供一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置的强化方法，包括以下步骤：

将需要强化的机匣孔工件装夹于机匣孔固定件内部；

根据需要强化的机匣孔工件孔径尺寸选择合适大小的弹性套筒、芯轴和滚珠；

选择滑轨的进给速度、超声波换能器的超声波频率和电机的转速；

对超声滚压装置和装夹于机匣孔固定件内部的机匣孔进行位置校准；

通过超声滚压装置配合滑轨以及电机带动滚珠对机匣孔工件内壁进行挤压强化。

本发明的有益效果是：

本发明的弹性套筒和芯轴直径小，轴向距离长，可用于对机匣较小内径的深孔内壁表面进行滚压强化，且弹性套筒和芯轴易于拆卸和更换，可根据实际加工情况选择不同规格的弹性套筒和芯轴；本发明采用超声滚压装置，在减小粗糙度的同时还能均匀的在内壁表层引入残余压应力，降低应力集中，抑制裂纹的萌生和扩展；通过超声滚压装置配合滑轨以及电机，方便控制超声滚压装置的进给速度和转速，实现对内壁表面均匀全面的超声滚压强化。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构正视图；

图3为本发明的超声滚压装置示意图；

图4为本发明的超声滚压装置剖视图；

图5为本发明的端盖结构示意图；

图6为本发明的弹性套筒结构示意图；

图7为本发明的工作状态部分结构示意图；

图中：1.工作台，2.机匣孔固定件，3.弹性套筒，4.轴承，5.外壳，6.超声波换能器，6-1.后驱动器，6-2.压电陶瓷，6-3.前驱动器，7.联轴器，8.电机，9.超声电源，10.滑轨，11.螺钉，12.螺栓幅，13.变幅杆，14.橡胶垫圈，15.芯轴，16.锥形头，17.滚珠，18.端盖。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2为本发明实施例的机匣孔壁表面超声滚压强化装置示意图，工作台1表面设置有滑轨10，滑轨10一侧设置有机匣孔固定件2，滑轨10表面通过安装座4连接有超声滚压装置，超声滚压装置与机匣孔固定件2同轴心设置，安装座4底部的滑槽配合滑轨10的作用可以实现进给运动，便于超声滚压装置的工作端进入机匣孔固定件2内部装夹的机匣孔工件内部；

如图3、图4为本发明实施例的超声滚压装置示意图，包括外壳5，外壳5一侧设置有超声波换能器6，外壳5另一侧连接有弹性套筒3，其结构如图6所示，超声波换能器6远离外壳5的一侧通过联轴器7连接于电机8。

超声波换能器6内部设置有后驱动器6-1和前驱动器6-3，后驱动器6-1和前驱动器6-3之间设置有压电陶瓷6-2，通过后驱动器6-1和前驱动器6-3对压电陶瓷6-2施加预紧力，前驱动器6-3外侧连接有变幅杆13，且变幅杆13设置于外壳5内部，变幅杆13末端设置有芯轴15。工作台1表面还设置有超声电源9，且超声电源9电性连接于超声波换能器6。超声电源9的作用是将一般的频率为50Hz的交流电转化成超声频次的电流信号，并将此信号传递给超声换能器6。超声波换能器6的作用是将超声电源9传递来的高频的电振荡信号转化成自身相同频率的机械振动，并将振动传递到变幅杆13。外壳5与弹性套筒3通过螺栓幅12紧固连接，且外壳5与弹性套筒3之间设置有橡胶垫圈14，芯轴15贯穿橡胶垫圈14设置于弹性套筒3内部，芯轴15末端设置有锥形头16，锥形头16末端还设置有端盖18，如图5所示，端盖18边缘处设置有45°斜面，弹性套筒3末端设置有45°斜面，且端盖18边缘处的斜面与弹性套筒3末端的斜面相互啮合。超声波换能器6与变幅杆13通过螺纹连接，变幅杆13的作用是放大换能器产生的机械振动的振幅，变幅杆13与芯轴15通过螺纹连接，芯轴15与锥形头16通过螺纹连接，锥形头16与端盖18通过螺纹连接，端盖18的边缘有45°斜面，可以在锥形头16上移的过程中对弹性套筒3的回复过程起到助推作用。

弹性套筒3靠近机匣孔固定件2的一侧末端均匀设置有多个凹槽，且相邻的凹槽之间均设置有通孔，通孔内部活动连接有滚珠17，滚珠17设置于弹性套筒3和锥形头16之间。滚珠17与锥形头16相切，通孔直径小于滚珠17直径，用于嵌入滚珠17，弹性套筒3的端部有45°斜面，使弹性套筒3在回复的过程中能够与端盖18的斜面相契合，便于对弹性套筒3施加作用力。

外壳5与超声波换能器6之间均匀设置有多个螺钉11，通过螺钉11紧固连接外壳5与超声波换能器6；安装座4通过轴承活动连接外壳5和超声波换能器6。在电机8通过联轴器7带动超声波换能器6进行旋转的时候，外壳5和超声波换能器6能够在轴承的作用下进行旋转。

基于本发明的机匣孔壁表面超声滚压强化装置的强化方法，包括以下步骤：

将需要强化的机匣孔工件装夹于机匣孔固定件2内部；

根据需要强化的机匣孔工件孔径尺寸选择合适大小的弹性套筒3、芯轴15和滚珠17；

选择滑轨10的进给速度、超声波换能器6的超声波频率和电机8的转速；

对超声滚压装置和装夹于机匣孔固定件2内部的机匣孔进行位置校准；

通过超声滚压装置配合滑轨10以及电机8带动滚珠17对机匣孔工件内壁进行挤压强化。

工作原理：

将需要强化的机匣孔工件装夹于机匣孔固定件2内部；根据需要强化的机匣孔工件孔径尺寸选择合适大小的弹性套筒3、芯轴15和滚珠17；选择滑轨10的进给速度、超声波换能器6的超声波频率和电机8的转速；对超声滚压装置和装夹于机匣孔固定件2内部的机匣孔进行位置校准。在滑轨10配合安装座4的作用下带动超声滚压装置，进而带动锥形头16向工件方向移动。超声波换能器6将超声电源9传递来的高频的电振荡信号转化成自身相同频率的机械振动，并将振动传递到变幅杆13，变幅杆13放大换能器产生的机械振动的振幅，并通过芯轴15传导于锥形头16，进而使锥形头16处产生左移的机械运动，在左移过程中，锥形头16与滚珠17接触点的锥面上圆的直径由小变大，对滚珠17产生挤压作用，由于滚珠17被约束在弹性套筒3中，而弹性套筒3是固定的，滚珠17不能随着锥形头17产生轴向的左移，只能产生径向的运动，从而对孔内壁进行挤压强化。在锥形头16左移的过程中，连接在锥形头16上的端盖18也会左移，因此滚珠17运动带动弹性套筒3前端产生向外散开的运动趋势不会受到端盖18的影响。

反之同理，在右移过程中，锥形头16与滚珠17接触点的锥面上圆的直径由大变小，对滚珠17产生的径向挤压作用消失，此时在弹性套筒3的弹性回复作用下滚珠17被带离内壁表面，同时端盖18随着锥形头16右移，将弹性套筒3没有完全回复的部分带回到原位，完成一个超声冲击运动过程。

按照上述的过程，可对机匣孔工件孔内壁单点实现高频的冲击作用，在冲击过程中，滑轨10带动弹性套筒3的头部逐渐深入工件，同时电机8转动，实现对机匣孔工件孔内壁所有位置的均匀超声滚压强化，即可完成机匣孔工件孔内壁的强化加工。

Claims (9)

1.一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，包括工作台(1)，其特征在于：所述工作台(1)表面设置有滑轨(10)，所述滑轨(10)一侧设置有机匣孔固定件(2)，所述滑轨(10)表面通过安装座(4)连接有超声滚压装置；

所述超声滚压装置包括外壳(5)，所述外壳(5)一侧设置有超声波换能器(6)，所述外壳(5)另一侧连接有弹性套筒(3)，所述超声波换能器(6)远离外壳(5)的一侧通过联轴器(7)连接于电机(8)。

2.根据权利要求1所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于：所述超声波换能器(6)内部设置有后驱动器(6-1)和前驱动器(6-3)，所述后驱动器(6-1)和前驱动器(6-3)之间设置有压电陶瓷(6-2)，所述前驱动器(6-3)外侧连接有变幅杆(13)，且所述变幅杆(13)设置于所述外壳(5)内部，所述变幅杆(13)末端设置有芯轴(15)。

3.根据权利要求2所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于：所述外壳(5)与弹性套筒(3)通过螺栓幅(12)紧固连接，且所述外壳(5)与弹性套筒(3)之间设置有橡胶垫圈(14)，所述芯轴(15)贯穿橡胶垫圈(14)设置于所述弹性套筒(3)内部，所述芯轴(15)末端设置有锥形头(16)。

4.根据权利要求3所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于：所述弹性套筒(3)靠近所述机匣孔固定件(2)的一侧末端均匀设置有多个凹槽，且所述相邻的凹槽之间均设置有通孔，所述通孔内部活动连接有滚珠(17)，所述滚珠(17)设置于弹性套筒(3)和锥形头(16)之间。

5.根据权利要求4所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于：所述锥形头(16)末端还设置有端盖(18)，所述端盖(18)边缘处设置有45°斜面，所述弹性套筒(3)末端设置有45°斜面，且所述端盖(18)边缘处的斜面与弹性套筒(3)末端的斜面相互啮合。

6.根据权利要求1所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于：所述工作台(1)表面还设置有超声电源(9)，且所述超声电源(9)电性连接于所述超声波换能器(6)。

7.根据权利要求1所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于：所述外壳(5)与所述超声波换能器(6)之间通过螺钉(11)紧固连接。

8.根据权利要求1所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于：所述安装座(4)通过轴承活动连接外壳(5)和超声波换能器(6)。

9.一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置的强化方法，利用权利要求1所述的一种机匣孔壁表面超声滚压强化装置，其特征在于，所述强化方法包括以下步骤：

将需要强化的机匣孔工件装夹于机匣孔固定件(2)内部；

根据需要强化的机匣孔工件孔径尺寸选择合适大小的弹性套筒(3)、芯轴(15)和滚珠(17)；

设置滑轨(10)的进给速度、超声波换能器(6)的超声波频率和电机(8)的转速；

对超声滚压装置和装夹于机匣孔固定件(2)内部的机匣孔进行位置校准；

通过超声滚压装置配合滑轨(10)以及电机(8)带动滚珠(17)对机匣孔工件内壁进行挤压强化。

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