CN116770033A - 一种超声冲击强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声冲击强化装置及方法，装置包括：超声冲击强化机构；第一Z轴移动平台，其驱动超声冲击强化机构移动；XY轴双向移动平台，用于夹持或限位板状试件并驱动其移动；第二Z轴移动平台，用于驱动XY轴双向移动平台移动；第一Y轴移动平台，其驱动第一Z轴移动平台和第二Z轴移动平台同步移动；旋转夹持机构，包括第一操作部分和第二操作部分，第一操作部分和第二操作部分配合夹持棒状试件并驱动其转动；第一Y轴移动平台置于第一操作部分和第二操作部分之间。方法通过上述装置实现。本发明既能够对棒状试件进行超声滚压加工，又能对板状试件进行超声冲击强化加工，而且切换快速便捷，无需改装，通用性强，利于高效生产。

Description

一种超声冲击强化装置及方法

技术领域

本发明涉及超声表层强化技术领域，尤其涉及一种超声冲击强化装置及方法。

背景技术

超声强化表面改性技术属于抗疲劳制造领域，其原理是利用冲击头的高频震动，使试件表层发生强烈的塑性变形，随着表层残余压应力提高，使得亚表层晶粒组织结构改变。试件在经过超声表面改性处理后，表面质量和力学性能显著提高，同时实现表面光整加工和表层强化的效果，提升了试件的使用寿命。

现有超声冲击强化装置基本上只能单一地对棒状试件或板状试件进行超声冲击强化，如若需要处理不同类型的试件，必须对装置进行改装，切换十分麻烦，装置通用性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声冲击强化装置及方法，其既能够对棒状试件进行超声滚压加工，又能对板状试件进行超声冲击强化加工，切换快速便捷，通用性强。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超声冲击强化装置，其包括：

超声冲击强化机构；

第一Z轴移动平台，所述第一Z轴移动平台驱动超声冲击强化机构沿Z轴方向移动；

XY轴双向移动平台，用于夹持或限位板状试件并驱动其在X轴和Y轴方向上移动；

第二Z轴移动平台，相对所述第一Z轴移动平台设置，所述第二Z轴移动平台驱动XY轴双向移动平台沿Z轴方向移动；

第一Y轴移动平台，所述第一Y轴移动平台驱动第一Z轴移动平台和第二Z轴移动平台同步地沿Y轴方向移动；

旋转夹持机构，包括第一操作部分和第二操作部分，所述第一操作部分和第二操作部分配合夹持棒状试件并驱动其转动；所述第一Y轴移动平台置于第一操作部分和第二操作部分之间。

所述超声冲击强化机构包括超声波发生器、换能器、变幅杆和冲击头；所述换能器安装在第一Z轴移动平台上，所述换能器连接超声波发生器并将电能转换为机械能；所述变幅杆的一端连接换能器，用于将机械能扩大，所述变幅杆的另一端连接冲击头。

所述冲击头为直径等于8-15mm的硬质合金圆球。

所述超声冲击强化机构还包括压力传感器，所述压力传感器设置在变幅杆和冲击头之间，或者，所述压力传感器设置在变幅杆和换能器之间。

所述第一Z轴移动平台、第二Z轴移动平台和XY轴双向移动平台上均设有用于保证位移精度的控制组件，所述第一Y轴移动平台上可选择地设置用于保证位移精度的控制组件。

所述控制组件包括光栅尺和读数头。

所述第一操作部分和/或第二操作部分设有第二Y轴移动平台，所述第二Y轴移动平台用于驱使第一操作部分和第二操作部分相互靠近或远离。

所述第一操作部分包括旋转驱动件和卡盘，所述旋转驱动件驱动卡盘转动；所述第二操作部分包括顶针，所述顶针的针尖朝向与卡盘的中心轴在一条直线上；所述卡盘和顶针配合夹持固定棒状试件。

本发明还公开了一种板状试件的超声冲击强化方法，其通过上述任一项所述的超声冲击强化装置实现，包括以下步骤：

步骤1：通过XY轴双向移动平台将板状试件夹持或限位；

步骤2：移动超声冲击强化机构，使其与板状试件接触并施加静载荷；

步骤3：启动动超声冲击强化机构；

步骤4：XY轴双向移动平台根据设定好的运动路径带动板状试件移动，使超声冲击强化机构按照运动路径对板状试件进行超声冲击强化处理。

另外，本发明还公开了一种棒状试件的超声冲击强化方法，其通过上述任一项所述的超声冲击强化装置实现，包括以下步骤：

步骤1：通过旋转夹持机构将棒状试件夹持固定；

步骤2：移动超声冲击强化机构，使其与棒状试件接触并施加静载荷；

步骤3：旋转夹持机构驱动棒状试件定速旋转，并启动超声冲击强化机构；

步骤4：第一Y轴移动平台带动超声冲击强化机构沿棒状试件的长度方向定速地往返移动并进行超声冲击强化处理。

采用上述方案后，通过旋转夹持机构可以夹持棒状试件，通过XY轴双向移动平台可以夹持或限位板状试件，而这两套针对不同试件的夹具共用超声冲击强化机构，使得本发明既能够对棒状试件进行超声滚压加工，又能对板状试件进行超声冲击强化加工，而且切换快速便捷，无需改装，通用性强，利于高效生产。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明加工板状试件时的示意图。

图3为板状试件加工路径的示意图。

图4为本发明加工棒状试件时的示意图。

标记说明：

第一Y轴移动平台11，第一Z轴移动平台12，第二Z轴移动平台13，XY轴双向移动平台14，支撑架15，刀具塔16；

超声冲击强化机构20，换能器21，变幅杆22，压力传感器23，冲击头24；

卡盘31，顶针32,第二Y轴移动平台33；

板状试件41，棒状试件42。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，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所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1-4所示，本发明揭示了一种超声冲击强化装置，其包括：超声冲击强化机构20、第一Z轴移动平台12、第二Z轴移动平台13、XY轴双向移动平台14、第一Y轴移动平台11和旋转夹持机构，为了便于统一控制，还可以设置控制器，比如PLC，控制器与上述机构和移动平台连接并对它们进行控制。本案中，第一Z轴移动平台12、第二Z轴移动平台13、和第一Y轴移动平台11均是基于电机的直线移动模组，直线移动模组是现有技术，本案中不再赘述。XY轴双向移动平台14是两套直线移动模组的结合体，这两套直线移动模组同样是基于电机构建，是为现有技术，不再赘述。

第一Z轴移动平台12和第二Z轴移动平台13均设置在第一Y轴移动平台11上，第一Z轴移动平台12和第二Z轴移动平台13相对设置，第一Y轴移动平台11驱动第一Z轴移动平台12和第二Z轴移动平台13同步地沿Y轴方向移动。在第二Z轴移动平台13上设置有一刀具塔16，第二Z轴移动平台13驱动刀具塔16沿Z轴方向移动，XY轴双向移动平台14安装在刀具塔16上，刀具塔16为XY轴双向移动平台14提供可靠的支撑力。XY轴双向移动平台14用于夹持固定或限位板状试件41，并驱动板状试件41在X轴和Y轴方向上移动。在第一Z轴移动平台12上设有支撑架15，且第一Z轴移动平台12驱动支撑架15沿Z轴方向移动，超声冲击强化机构20安装在支撑架15上。

为了保证移动精度，第一Z轴移动平台12、第二Z轴移动平台13、第一Y轴移动平台11和XY轴双向移动平台14上均设有用于保证位移精度的控制组件，控制组件与直线移动模组的电机或控制器连接，可以构成闭环控制，进而保证移动精度。作为一较佳实施方式，控制组件包括了光栅尺和读数头，光栅尺设置在直线移动模组的座体上，并沿直线移动模组的活动方向设置，而读数头则设置在直线移动模组的活动部（滑块）上，通过读数头读取光栅尺可以保证移动定位精度达到1μm。

超声冲击强化机构20包括超声波发生器、换能器21、变幅杆22、压力传感器23和冲击头24，超声波发生器用于提供高频交流电信号，超声波发生器可以设置在支撑架15上，也可以独立设置，优选后者，利于操作平台的简洁布设。换能器21安装在支撑架15上，换能器21连接超声波发生器并将电能转换为机械能。变幅杆22的一端连接换能器21，变幅杆22的另一端连接冲击头24，变幅杆22用于将换能器21输出的机械能扩大。冲击头24优选为直径等于8-15mm的硬质合金圆球，再进一步优选10mm。冲击头24提供高频振动，其振动频率与振动幅度通过超声波发生器提供的电能大小进行控制。压力传感器23设置在变幅杆22和冲击头24之间，或者，压力传感器23设置在变幅杆22和换能器21之间，压力传感器23可以实时测量在三个相互正交方向的力值，测量范围-2～2kN，固有频率应高于50kHz。通过压力传感器23可以实时监测超声冲击强化过程中冲击力值的大小与方向，保障冲击力值稳定且冲击头24始终垂直于试件表面，避免冲击头24与试件表面间的接触夹角变化而产生切向力等不利影响。

旋转夹持机构包括第一操作部分和第二操作部分，第一操作部分和第二操作部分配合夹持棒状试件42并驱动其转动。第一Y轴移动平台11置于第一操作部分和第二操作部分之间，以使得超声冲击强化机构20可以触碰到棒状试件42。作为一较佳实施方式，第一操作部分包括旋转驱动件和卡盘31，旋转驱动件可以是电机，卡盘31为三爪卡盘31，旋转驱动件驱动卡盘31定速转动。第二操作部分包括顶针32，顶针32的针尖朝向与卡盘31的中心轴在一条直线上。卡盘31和顶针32配合夹持固定棒状试件42。特别地，第一操作部分和/或第二操作部分还可以设置第二Y轴移动平台33，第二Y轴移动平台33用于驱使第一操作部分和第二操作部分相互靠近或远离，已适配不同长度的棒状试件42。

基于同一发明构思，本发明公开了通过上述超声波冲击强化装置加工板状试件41的方法，其包括以下步骤：

步骤1：通过XY轴双向移动平台14将板状试件41夹持固定或限位。

步骤2：移动超声冲击强化机构20，使得冲击头24距离板状试件411-3mm预备，此时，板状试件41的起点位置正对冲击头24的中心。超声冲击强化机构20继续移动，使冲击头24与板状试件41表面接触并压紧试件，压力约为800N。

步骤3：启动超声冲击强化机构20，设定超声发生器提供28kHz的高频电信号，通过换能器21将高频电信号转换为轴向振动，并利用变幅杆22的振幅放大作用产生约20μm的超声振幅，最后冲击头24将高频、高振幅振动施加到板状试件41表面，从而起到超声冲击强化作用。

步骤4：XY轴双向移动平台14根据预先设定好的运动路径带动板状试件41移动，给进速度为0.1mm/s，两道相邻加工路径间隔为0.1mm，直至终点。根据材料性质的不同可以设置不同加工路径和加工次数。

此外，本发明还公开了通过上述超声波冲击强化装置加工棒状试件42的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过卡盘31和顶针32将棒状试件42夹持固定。

步骤2：移动超声冲击强化机构20，使得冲击头24距离棒状试件421-3mm预备，此时，棒状试件42的中心轴线及冲击头24的中心应当在X轴方向上处于同一高度。再次移动超声冲击强化机构20，使冲击头24与棒状试件42接触并压紧试件，压力约800N。

步骤3：驱使棒状试件42以300rpm转速旋转。启动超声冲击强化机构20，设定超声发生器提供28kHz的高频电信号，通过换能器21将高频电信号转换为轴向振动，并利用变幅杆22的振幅放大作用产生约20μm的超声振幅，最后冲击头24将高频、高振幅振动施加到棒状试件42表面，从而起到超声冲击强化作用。

步骤4：第一Y轴移动平台11带动超声冲击强化机构20沿棒状试件42的长度方向（Y轴方向）以同样的给进速度往返移动并进行多次超声冲击强化处理。可根据棒状试件42的材料属性以及加工位置的差异设置不同滚压路径长度和滚压次数。

本发明的关键在于，通过旋转夹持机构可以夹持棒状试件42，通过XY轴双向移动平台14可以夹持或限位板状试件41，而这两套针对不同试件的夹具共用超声冲击强化机构20，通过设置第二Z轴移动平台13可以使得两套夹具更不容易相互干涉。本发明既能够对棒状试件42进行超声滚压加工，又能对板状试件41进行超声冲击强化加工，而且切换快速便捷，无需改装，通用性强，利于高效生产。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”、“相连”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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。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申请中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

此外，本申请提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种超声冲击强化装置，其特征在于，包括：

超声冲击强化机构；

第一Z轴移动平台，所述第一Z轴移动平台驱动超声冲击强化机构沿Z轴方向移动；

XY轴双向移动平台，用于夹持或限位板状试件并驱动其在X轴和Y轴方向上移动；

第二Z轴移动平台，相对所述第一Z轴移动平台设置，所述第二Z轴移动平台驱动XY轴双向移动平台沿Z轴方向移动；

第一Y轴移动平台，所述第一Y轴移动平台驱动第一Z轴移动平台和第二Z轴移动平台同步地沿Y轴方向移动；

旋转夹持机构，包括第一操作部分和第二操作部分，所述第一操作部分和第二操作部分配合夹持棒状试件并驱动其转动；所述第一Y轴移动平台置于第一操作部分和第二操作部分之间。

2.根据权利要求1所述的一种超声冲击强化装置，其特征在于：所述超声冲击强化机构包括超声波发生器、换能器、变幅杆和冲击头；所述换能器安装在第一Z轴移动平台上，所述换能器连接超声波发生器并将电能转换为机械能；所述变幅杆的一端连接换能器，用于将机械能扩大，所述变幅杆的另一端连接冲击头。

3.根据权利要求2所述的一种超声冲击强化装置，其特征在于：所述冲击头为直径等于8-15mm的硬质合金圆球。

4.根据权利要求2所述的一种超声冲击强化装置，其特征在于：所述超声冲击强化机构还包括压力传感器，所述压力传感器设置在变幅杆和冲击头之间，或者，所述压力传感器设置在变幅杆和换能器之间。

5.根据权利要求1所述的一种超声冲击强化装置，其特征在于：所述第一Z轴移动平台、第二Z轴移动平台和XY轴双向移动平台上均设有用于保证位移精度的控制组件，所述第一Y轴移动平台上可选择地设置用于保证位移精度的控制组件。

6.根据权利要求5所述的一种超声冲击强化装置，其特征在于：所述控制组件包括光栅尺和读数头。

7.根据权利要求1所述的一种超声冲击强化装置，其特征在于：所述第一操作部分和/或第二操作部分设有第二Y轴移动平台，所述第二Y轴移动平台用于驱使第一操作部分和第二操作部分相互靠近或远离。

8.根据权利要求1或7所述的一种超声冲击强化装置，其特征在于：所述第一操作部分包括旋转驱动件和卡盘，所述旋转驱动件驱动卡盘转动；所述第二操作部分包括顶针，所述顶针的针尖朝向与卡盘的中心轴在一条直线上；所述卡盘和顶针配合夹持固定棒状试件。

9.一种超声冲击强化方法，其特征在于：通过如权利要求1-8任一项所述的超声冲击强化装置实现，包括以下步骤：

步骤1：通过XY轴双向移动平台将板状试件夹持或限位；

步骤2：移动超声冲击强化机构，使其与板状试件接触并施加静载荷；

步骤3：启动动超声冲击强化机构；

步骤4：XY轴双向移动平台根据设定好的运动路径带动板状试件移动，使超声冲击强化机构按照运动路径对板状试件进行超声冲击强化处理。

10.一种超声冲击强化方法，其特征在于：通过如权利要求1-8任一项所述的超声冲击强化装置实现，包括以下步骤：

步骤1：通过旋转夹持机构将棒状试件夹持固定；

步骤2：移动超声冲击强化机构，使其与棒状试件接触并施加静载荷；

步骤3：旋转夹持机构驱动棒状试件定速旋转，并启动超声冲击强化机构；

步骤4：第一Y轴移动平台带动超声冲击强化机构沿棒状试件的长度方向定速地往返移动并进行超声冲击强化处理。