[發明專利]一種氣壓輔助式超聲振動可適配表面強化裝置及方法

有效

• 申請號: 201711003627.2
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107739798B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 王兵;劉戰強;宋清華;任小平;萬熠
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C21D7/06
• 分類號: C21D7/06
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 任歡

本發明公開了一種氣壓輔助式超聲振動可適配表面強化裝置及方法，它解決了現有技術中超聲振動能量發揮受限、噴丸處理應用對象受限的問題，實現了零件表面材料變形過程中的超聲波能量輸入的有益效果，其方案如下：一種氣壓輔助式超聲振動可適配表面強化裝置，包括工作臺，用于支撐零件；固定套筒，設于工作臺上方，且固定套筒內設有多個丸體，并約束丸體的周向運動；工具頭，活動設于固定套筒內；超聲振動機構，與工具頭接觸；氣缸，氣缸內活塞與超聲振動機構接觸或連接，以推動工具頭擠壓丸體進而通過丸體將工具頭的超聲振動能量沿軸向傳入零件表面。

技術領域

本發明涉及表面強化裝置，特別是涉及一種氣壓輔助式超聲振動可適配表面強化裝置及方法。

背景技術

零件失效多源于表面或亞表面存在的孔隙和微裂紋等缺陷。在零件制造(包括冷加工和熱加工)過程中，由于工藝路徑或工藝用量不合理、工件材料內部組織不均勻等因素，易于在零件表面或亞表面形成殘余拉應力或微觀缺陷，在工作載荷下誘發裂紋成核擴展并最終導致零件失效。其中疲勞斷裂是零件失效的主要模式，據統計，汽車、船舶等零部件中疲勞斷裂導致的零件失效所占比例達40-50％，而航空航天領域等關鍵零部件中疲勞斷裂導致的零件失效所占比例高達90％。對于承受交變載荷的主要承力構件，如航空發動機中的渦輪盤、風扇及渦輪葉片等，隨時可能因表面加工缺陷發生疲勞斷裂失效。由此可見，從制造工藝出發保障零件表面的少無缺陷加工，是提高零件和裝備疲勞壽命并保證其工作性能的重要手段。

近年來，用于提高零件及材料表面疲勞強度的工藝方法包括機械處理工藝、化學處理工藝、淬火處理工藝、激光處理工藝、復合強化工藝等。強化處理的目的是使零件表面的殘余拉應力釋放并形成殘余壓應力層，同時細化零件表層組織，提高表層材料力學性能和疲勞強度。

噴丸處理屬于零件表面強化工藝中的機械處理工藝，相比于普通噴丸，超聲噴丸具有效率高、材料強化程度高以及可處理材料類型廣泛等優點。現有超聲噴丸技術是利用高能量密度的超聲波轉化為丸體動能，經過丸體多次撞擊材料表面實現表面改性的目的。但現有常用超聲噴丸裝置中超聲振動產生的能量僅用于提供丸體運動的動能，丸體在撞擊零件表面使材料發生塑性變形的過程中超聲波能量并未發生作用，不能完全發揮超聲波的高能量密度優勢，從而改性過程時間長，效率低，材料使用壽命仍然受到制約。此外，現有超聲噴丸裝置為使丸體撞擊零件表面后利用重力作用回到初始位置，其結構均設計為倒置式，操作使用不方便，無法處理大型結構件的正置表面或處理難度大；而且所處理零件局限于平面結構，對于復雜曲面零件的強化處理難度較大，應用范圍受到制約。

現有超聲噴丸裝置設計和使用的局限性主要來源于兩方面，即原理認識的局限性和不合理的結構設計，前者使人們誤將驅動丸體運動的超聲振動動力源理解為被處理材料在超聲振動作用下發生塑性變形和強化，但卻并沒有充分利用超聲波能量，而后者使得現有噴丸裝置的應用范圍和操作方式受到較多的限制。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種氣壓輔助式超聲振動可適配表面強化裝置，該裝置能夠應用于平面和復雜曲面零件的表面改性和強化處理，并且實現丸體與零件表面撞擊過程中的超聲波能量持續輸入。

一種氣壓輔助式超聲振動可適配表面強化裝置的具體方案如下：

一種氣壓輔助式超聲振動可適配表面強化裝置，包括：

工作臺，用于支撐零件；

固定套筒，設于工作臺上方，且固定套筒內設有多個丸體，并約束丸體的周向運動；

工具頭，活動設于固定套筒內；

超聲振動機構，與工具頭接觸；

氣缸，氣缸內活塞與超聲振動機構接觸或連接，以推動工具頭擠壓丸體進而通過丸體將工具頭的超聲振動能量沿軸向傳入零件表面。