[发明专利]一种基于超声波的小孔强化方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于零件表面强化领域，具体的说是直径为2mm-5mm小孔，特别适用于应力集中严重的小孔的内表面光整加工和强化。

背景技术

     在航空航天等领域的机械结构中,孔在机械连接机构中占有重要地位，一般而言，孔是整个零件的应力集中部位，零部件往往都是从孔位置开始发生失效而导致整个零件的报废。换言之，由于孔本身的低寿命降低整个零部件的使用寿命。因此，急待有效的小孔强化和光整加工工艺，目的就是为了改善带孔零部件的机械性能，从而在使用的过程中有更长的疲劳寿命。

     目前国内外孔的强化工艺采用较多的是机械喷丸、冷挤压和激光冲击强化处理。传统机械喷丸的方法对孔壁进行强化，即在孔内设置一带有锥角的反射装置，将喷丸喷射到反射装置上，使弹丸与孔内壁发生撞击，从而起到强化的效果，但是这种强化方法受到孔尺寸的限制，当孔径小到一定程度的时候就无法或者很难实现。

     冷挤压强化小孔技术即将一开缝衬套放入孔中，芯棒塞入孔使开缝衬套膨胀来间接挤压紧固孔内壁，使零件产生塑性变形产生强化作用。但是这种强化方法需要设计模具，无法产生孔内壁的正向残余应力，强化效果不明显。同时小孔的直径和零件本身的形状也会使模具设计难度加大。

陈洁的专利CN102205488A中叙述了一种开缝衬套冷挤压加工孔的办法，其原理是将开缝衬套装在一根具有过盈量的锥形挤压棒上，使挤压芯棒强行通过零件内孔，挤压力通过开缝衬套均匀传递到零件的内孔壁上，使内孔的周围产生残余压应力，但是在挤压过程中极易断棒，生产成本太大。

激光冲击强化小孔技术将能量吸收杆置于小孔适当位置，利用激光诱导能量吸收杆产生等离子爆炸，产生冲击波从而使小孔内壁强化。这种方法对直径小于3mm的小孔强化效果受到限制，强化结果难以得到保证。

费希尔厂有限责任两合公司的专利CN101568394A中描述了一种用于超声波钻孔的超声波-振动变换器，该装置利用超声波-振动的原理，通过设计一种空心形状实现了较高的振动放大，利用可更换的芯部与其他工具连接实现钻孔。陈元平的专利CN 201543855 U设计了一种大功率超声波钻孔设备，该设备是利用超声波的纵向振动实现钻孔。

专利CN 1915592A叙述了一种用于轴类零件的高效超声波光整设备及加工方法，其实施方法是一台每分钟产生20-30万Hz高频率的超声波发生仪和与之相联结的磨头组成高效超声波表面光整设备，安装在车床的车刀架上进行工作。

专利CN101126117A叙述了一种孔结构的激光冲击处理方法，其实施方法为在激光冲击强化之前将芯棒或衬套放置于孔内，芯棒或者衬套与处理孔表面平齐,完成激光冲击强化后去除芯棒或者衬套，该专利的特点是先开孔后强化，加入芯棒或者是衬套是为了保证孔口位置激光冲击强化后不变形，保证强化后孔口的质量，但是采用这种强化方法很可能在激光冲击强化后，芯棒或者衬套很难从小孔中取出或者是无法取出,也很容易对小孔造成伤害。

极化方法是利用极化材料在被极化后外加声场产生振动这一特性，实现声能转化为机械能，但是，目前尚无有关利用极化方法激励超声波产生径向位移实现小孔强化的报道。

发明内容

本发明目的是要提供一种小孔内壁处理方法和装置，具体的说是针对直径为2mm-5mm的小孔，采用PZT压电陶瓷进行极化后成型，通过将压电陶瓷柱深入到小孔合适位置，并给压电陶瓷柱激励超声波，根据超声波原理，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击小孔内壁，通过旋转振动对小孔内壁进行珩磨，降低粗糙度，实现光整加工，同时使孔壁引入残余应力实现强化效果。

本发明实施方法具体为：对压电陶瓷柱进行极化；超声波发生器激励窄带半正弦脉冲信号，幅值为20V ，检测频率为2OKHz～60KHz ，压电陶瓷柱极化后激励超声波产生5-10um的振幅对小孔进行撞击，使小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，使小孔得到强化

压电陶瓷柱上下两端涂有银层，并且侧面开有占棒长2/3的一槽填充导电胶将负极引到侧面，连接超声波发生器负极，另一端连接超声波发生器正极，负极端倒椭圆角。

保护套应是由具有振动能力强，高硬度和耐反复冲击性强等优点的材料制成，保护套可以防止在振动时压电陶瓷柱的脆裂； 保护套开有一条缝隙，装配时与压电陶瓷柱的槽在同一位置，方便负极的引出，并且可以防止保护套与负极接通，影响振动效果，保护套与压电陶瓷柱之间用胶粘的方式固定。

保护套工作面做成椭圆形，将径向振动能量集中在一点，对小孔表面进行珩磨和强化。