CN115821000A - 一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置及方法，装置包括：探头模块，包括以矩阵方式排列的换能器探头；信号控制模块，根据聚焦点的位置确定换能器探头的延迟时间；激发模块，产生标准脉冲信号；延时模块，对标准脉冲信号进行延时处理，换能器探头将经过延时处理的脉冲信号转换为超声波；水箱，内部盛放有液态的传导介质，超声波传入传导介质后，对工件的表面进行强化处理。本申请利用相控阵技术，将换能器探头布置成矩阵模式，通过改变标准脉冲信号的相位使超声波能精准的在待强化工件的表面聚焦，改变焦点位置只需重新计算出延迟时间和改变相位，避免了机械改变距离的复杂和焦点不易控制，保证了超声空化喷丸技术的强化效果。
Description
技术领域
本申请涉及机械加工技术领域，特别涉及一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置及方法。
背景技术
在航空发动机制造技术领域，表面加工缺陷和应力集中是疲劳源产生的主要位置，因此在制造中常用表面强化处理来改善零部件的加工表面状态，通过引入残余压应力和细化晶粒等来抑制裂纹在工件表面的萌生和扩展，延长疲劳寿命。常用的强化技术有机械喷丸、挤压强化、超声冲击和超声滚压等，受制于技术原理和设备结构，现有的表面强化手段对于榫齿、叶尖叶根等复杂结构的强化效果并不显著，不能对结构应力集中的位置进行强化处理。
超声空化水喷丸技术是一种新兴的表面强化技术，其原理是利用超声波诱导在介质中产生空化现象。在超声波作用下，液体介质内部微小的气泡和泡核迅速形成、生长和溃灭，利用气泡破裂瞬间产生的局部高温高压冲击材料表面使其发生塑性变形，进行表面强化，提高材料的表面强度和疲劳性能。
但是，现有的超声空化喷丸技术对于超声波聚焦点位置的改变都是通过移动工具头或者待强化工件，改变他们之间的距离来控制焦点的位置，这种方法操作复杂，聚焦点位置不易控制，强化效果难以保证。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置及方法，用以解决现有技术中改变工具头和待强化工件之间的距离来控制焦点的位置，存在操作复杂、聚焦点位置不易控制和强化效果难以保证的问题。
一方面，本申请实施例提供了一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，包括：
探头模块，包括多个以矩阵方式排列的换能器探头；
信号控制模块，用于根据聚焦点的位置确定每个换能器探头的延迟时间；
激发模块，用于产生标准脉冲信号；
延时模块，用于对标准脉冲信号按照延迟时间进行延时处理，换能器探头将经过延时处理的脉冲信号转换为超声波；
水箱，内部盛放有液态的传导介质，且工件也放置在传导介质中，换能器探头产生的超声波传入传导介质后，在工件上的聚焦点聚焦，对工件的表面进行强化处理。
另一方面，本申请是合理提供了一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸方法，包括：
根据聚焦点的位置确定探头模块中每个换能器探头的延迟时间，其中多个换能器探头以矩阵方式排列；
产生标准脉冲信号；
对标准脉冲信号按照延迟时间进行延时处理；
换能器探头将经过延时处理的脉冲信号转换为超声波；
超声波传入传导介质，在工件上的聚焦点聚焦，对工件的表面进行强化处理。
本申请中的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置及方法，具有以下优点：
利用相控阵技术，将换能器探头布置成矩阵模式，计算出每个换能器探头所需的延迟时间后通过相位控制器改变标准脉冲信号的相位，即可使超声波产生后能精准的在待强化工件的表面聚焦，改变焦点位置只需重新计算出延迟时间和改变相位，避免了机械改变距离的复杂和焦点不易控制，保证了超声空化喷丸技术的强化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置的整体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置的功能模块示意图；
图3为本申请实施例提供的超声聚焦点位置示意图；
图4为本申请实施例提供的换能器阵元中换能器探头的分布示意图；
图5为本申请实施例提供的换能器探头结构示意图；
图6为本申请实施例提供的超声空化喷丸强化的过程示意图。
附图标号说明：1-电源模块，2-信号控制模块，3-激发模块，4-延时模块，5-探头模块，6-水箱，7-传导介质，8-夹具，9-工件，5-1-换能器外壳，5-2-透镜，5-3-电极片，5-4-压电陶瓷，5-5-芯轴，5-6-变幅杆，5-7-工具头。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置的结构示意图。本申请实施例提供了一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，包括：
探头模块5，包括多个以矩阵方式排列的换能器探头；
信号控制模块2，用于根据聚焦点的位置确定每个换能器探头的延迟时间；
激发模块3，用于产生标准脉冲信号；
延时模块4，用于对标准脉冲信号按照延迟时间进行延时处理，换能器探头将经过延时处理的脉冲信号转换为超声波；
水箱6，内部盛放有液态的传导介质7，且工件9也放置在传导介质7中，换能器探头产生的超声波传入传导介质7后，在工件9上的聚焦点聚焦，对工件9的表面进行强化处理。
示例性地，在实际使用时，可以根据工件9的形状和大小选择合适的水箱6，并且水箱6内部设置有夹具8，夹具8用于固定工件9。夹具8将工件9夹持后，工件9将在水箱6中固定不动，而通过对探头模块5的控制，可以使超声波在需要强化的工件9表面形成聚焦点，无需采用机械移动，保证了超声空化喷丸技术的强化效果。
在本申请的实施例中，激发模块3主要采用脉冲发生器，其在电源模块1的供电下产生标准脉冲信号，且脉冲发生器具有多路输出，其输出通道的数量与换能器探头的数量相同，脉冲发生器的输出通道与换能器探头一一对应。延时模块4主要采用相位控制器，其具有多个输入通道和相同数量的输出通道，其输入通道和脉冲发生器的输出通道一一对应连接，其输出通道则与换能器探头一一对应连接。多个换能器探头以矩阵形式排列后，形成换能器阵元，如图2所示。
在一种可能的实施例中，信号控制模块2以距离聚焦点最近的换能器探头为参考探头，确定其他换能器探头与参考探头之间的声程差，根据超声波在传导介质7中的传播速度以及声程差确定延迟时间。
示例性地，激发模块3产生的具有相同幅值和相位的标准脉冲信号表示为：
其中，A0表示标准脉冲信号的幅值，ω表示角速度，
表示初相位。
信号控制模块2根据每个换能器探头与聚焦点的距离计算得出延迟时间，并将延迟时间传递给延时模块4。延迟时间的计算以距离聚焦点最近的换能器探头为参考点，称为参考探头，其他所有换能器探头的延迟时间根据该参考探头进行计算，得出所有换能器探头的相位值。如图3所示，对于任意三角形OPB，根据余弦三角变换有：
其中，BP为第n个换能器探头到聚焦点的距离，OP为参考探头到聚焦点的距离，θ为声束中心线偏转角度，d为相邻换能器探头之间的距离。
则第n个换能器探头与参考探头的声程差为：
Δl＝OP-BP
设超声波在传导介质7中的传播速度为v，则第n个换能器探头相对于参考探头的延迟时间为：
根据每一个延迟时间Tn，可以确定一个相位角
从而可以得到每一个换能器探头输入的脉冲信号：
...
...
根据计算得到的脉冲信号，经过延时模块4对标准脉冲信号进行延时处理，改变相位后的脉冲信号传递到探头模块5，一一对应控制换能器探头将电信号转变为频率在20KHz以上的超声波机械振动信号。
如图4所示，为了更好的对超声波进行聚焦，探头模块的换能器探头包含m2个换能器探头，这m2个换能器探头按照矩阵规则分布与命名，每一个换能器探头有独立的振动结构，可以根据实际情况选择合适数量的换能器探头。
在一种可能的实施例中，换能器探头包括依次连接的换能器、变幅杆5-6和工具头5-7。
示例性地，如图5所示，换能器包括：换能器外壳5-1；透镜5-2，设置在换能器外壳5-1的内顶部；电极片5-3，设置在换能器外壳5-1内部；压电陶瓷5-4，设置在换能器外壳5-1内部，且压电陶瓷5-4和电极片5-3连接在一起；芯轴5-5，设置在换能器外壳5-1内部，且芯轴5-5的一端与压电陶瓷5-4连接，另一端与变幅杆5-6连接。
换能器外壳5-1的上端封闭，下端开口，透镜5-2则设置在该封闭端的内侧面上。电极片5-3设置在该透镜的下方，在本申请的实施例中，电极片5-3和压电陶瓷5-4均设置有多层，且电极片5-3和压电陶瓷5-4依次交替设置。进一步地，电极片5-3和压电陶瓷5-4均为环状结构，芯轴5-5的上端插接在电极片5-3和压电陶瓷5-4内部的孔中，使压电陶瓷5-4加电后产生的振动能够传递至芯轴5-5，进而依次通过变幅杆5-6和工具头5-7向外传播。
为方便安装，芯轴5-5和变幅杆5-6螺接，变幅杆5-6和工具头5-7也螺接。
如图6所示，换能器探头产生不同相位的超声波，这些不同相位的超声波在传导介质7中经过不同距离的传播后，在聚焦点处都处于最大幅值时的相位，从而在工件9的表面形成聚焦点，在聚焦点处空化泡迅速形成、生长和溃灭，气泡破裂瞬间产生局部高温高压冲击材料表面使其发生塑性变形，进行表面强化，从而提高材料的表面强度和疲劳性能。
本申请实施例还提供了一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸方法，该方法包括：
根据聚焦点的位置确定探头模块5中每个换能器探头的延迟时间，其中多个换能器探头以矩阵方式排列；
产生标准脉冲信号；
对标准脉冲信号按照延迟时间进行延时处理；
换能器探头将经过延时处理的脉冲信号转换为超声波；
超声波传入传导介质7，在工件9上的聚焦点聚焦，对工件9的表面进行强化处理。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，其特征在于，包括：
探头模块(5)，包括多个以矩阵方式排列的换能器探头；
信号控制模块(2)，用于根据聚焦点的位置确定每个所述换能器探头的延迟时间；
激发模块(3)，用于产生标准脉冲信号；
延时模块(4)，用于对所述标准脉冲信号按照所述延迟时间进行延时处理，所述换能器探头将经过延时处理的脉冲信号转换为超声波；
水箱(6)，内部盛放有液态的传导介质(7)，且工件(9)也放置在所述传导介质(7)中，所述换能器探头产生的超声波传入所述传导介质(7)后，在工件(9)上的聚焦点聚焦，对工件(9)的表面进行强化处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，其特征在于，所述信号控制模块(2)以距离所述聚焦点最近的所述换能器探头为参考探头，确定其他所述换能器探头与所述参考探头之间的声程差，根据超声波在所述传导介质(7)中的传播速度以及所述声程差确定所述延迟时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，其特征在于，所述换能器探头包括依次连接的换能器、变幅杆(5-6)和工具头(5-7)。
4.根据权利要求3所述的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，其特征在于，所述换能器包括：
换能器外壳(5-1)；
透镜(5-2)，设置在所述换能器外壳(5-1)的内顶部；
电极片(5-3)，设置在所述换能器外壳(5-1)内部；
压电陶瓷(5-4)，设置在所述换能器外壳(5-1)内部，且所述压电陶瓷(5-4)和电极片(5-3)连接在一起；
芯轴(5-5)，设置在所述换能器外壳(5-1)内部，且所述芯轴(5-5)的一端与所述压电陶瓷(5-4)连接，另一端与所述变幅杆(5-6)连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，其特征在于，所述芯轴(5-5)和变幅杆(5-6)螺接，所述变幅杆(5-6)和工具头(5-7)也螺接。
6.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，其特征在于，所述水箱(6)内部设置有夹具(8)，所述夹具(8)用于固定工件(9)。
7.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸装置，其特征在于，还包括：
电源模块(1)，所述电源模块(1)向所述激发模块(3)供电。
8.一种基于相控阵的聚焦超声空化喷丸方法，其特征在于，包括：
根据聚焦点的位置确定探头模块(5)中每个换能器探头的延迟时间，其中多个所述换能器探头以矩阵方式排列；
产生标准脉冲信号；
对所述标准脉冲信号按照所述延迟时间进行延时处理；
所述换能器探头将经过延时处理的脉冲信号转换为超声波；
所述超声波传入传导介质(7)，在工件(9)上的聚焦点聚焦，对工件(9)的表面进行强化处理。
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