[发明专利]一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法

说明书

本发明公开了一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法，它解决了现有技术中超声振动能量发挥受限、喷丸处理应用对象受限的问题，实现了零件表面材料变形过程中的超声波能量输入的有益效果，其方案如下：一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，包括工作台，用于支撑零件；固定套筒，设于工作台上方，且固定套筒内设有多个丸体，并约束丸体的周向运动；工具头，活动设于固定套筒内；超声振动机构，与工具头接触；气缸，气缸内活塞与超声振动机构接触或连接，以推动工具头挤压丸体进而通过丸体将工具头的超声振动能量沿轴向传入零件表面。

技术领域

本发明涉及表面强化装置，特别是涉及一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置及方法。

背景技术

零件失效多源于表面或亚表面存在的孔隙和微裂纹等缺陷。在零件制造(包括冷加工和热加工)过程中，由于工艺路径或工艺用量不合理、工件材料内部组织不均匀等因素，易于在零件表面或亚表面形成残余拉应力或微观缺陷，在工作载荷下诱发裂纹成核扩展并最终导致零件失效。其中疲劳断裂是零件失效的主要模式，据统计，汽车、船舶等零部件中疲劳断裂导致的零件失效所占比例达40-50％，而航空航天领域等关键零部件中疲劳断裂导致的零件失效所占比例高达90％。对于承受交变载荷的主要承力构件，如航空发动机中的涡轮盘、风扇及涡轮叶片等，随时可能因表面加工缺陷发生疲劳断裂失效。由此可见，从制造工艺出发保障零件表面的少无缺陷加工，是提高零件和装备疲劳寿命并保证其工作性能的重要手段。

近年来，用于提高零件及材料表面疲劳强度的工艺方法包括机械处理工艺、化学处理工艺、淬火处理工艺、激光处理工艺、复合强化工艺等。强化处理的目的是使零件表面的残余拉应力释放并形成残余压应力层，同时细化零件表层组织，提高表层材料力学性能和疲劳强度。

喷丸处理属于零件表面强化工艺中的机械处理工艺，相比于普通喷丸，超声喷丸具有效率高、材料强化程度高以及可处理材料类型广泛等优点。现有超声喷丸技术是利用高能量密度的超声波转化为丸体动能，经过丸体多次撞击材料表面实现表面改性的目的。但现有常用超声喷丸装置中超声振动产生的能量仅用于提供丸体运动的动能，丸体在撞击零件表面使材料发生塑性变形的过程中超声波能量并未发生作用，不能完全发挥超声波的高能量密度优势，从而改性过程时间长，效率低，材料使用寿命仍然受到制约。此外，现有超声喷丸装置为使丸体撞击零件表面后利用重力作用回到初始位置，其结构均设计为倒置式，操作使用不方便，无法处理大型结构件的正置表面或处理难度大；而且所处理零件局限于平面结构，对于复杂曲面零件的强化处理难度较大，应用范围受到制约。

现有超声喷丸装置设计和使用的局限性主要来源于两方面，即原理认识的局限性和不合理的结构设计，前者使人们误将驱动丸体运动的超声振动动力源理解为被处理材料在超声振动作用下发生塑性变形和强化，但却并没有充分利用超声波能量，而后者使得现有喷丸装置的应用范围和操作方式受到较多的限制。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，该装置能够应用于平面和复杂曲面零件的表面改性和强化处理，并且实现丸体与零件表面撞击过程中的超声波能量持续输入。

一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置的具体方案如下：

一种气压辅助式超声振动可适配表面强化装置，包括：

工作台，用于支撑零件；

固定套筒，设于工作台上方，且固定套筒内设有多个丸体，并约束丸体的周向运动；

工具头，活动设于固定套筒内；

超声振动机构，与工具头接触；

气缸，气缸内活塞与超声振动机构接触或连接，以推动工具头挤压丸体进而通过丸体将工具头的超声振动能量沿轴向传入零件表面。