[实用新型]叶片表面超声冲击强化装置

说明书

本实用新型涉及一种叶片表面超声冲击强化装置，属于表面纳米改性技术领域。包括机床和由超声波发生器激励的工具系统。机床本体由床身、双X向工作台、双Z向工作台、Y向工作台、旋转工作台和翻转夹具组成。旋转工作台及翻转夹具装载在Y向工作台面上。通过Y向的移动以及旋转工作台和翻转夹具的转动调整叶片的位姿；再通过双X轴与双Z轴的联动实现对叶片的双面同步表面强化处理。X、Y、Z三方向运动轴均采用精密滚珠丝杠与直线导轨副配合的方式，每根直线导轨装配有两个四方形滑块。优点在于：可以在叶片表面诱发梯度纳米结构，提高强度、硬度和疲劳性能，同时大幅度提高加工效率，降低成本。

技术领域

本实用新型涉及表面纳米改性技术领域，特别涉及一种叶片表面超声冲击强化装置，可对叶片双表面进行同步强化处理。

背景技术

航空发动机依靠数量庞大的叶片完成对气体的压缩、膨胀以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进。作为航空发动机热工转换的关键部件，叶片长期处于高温、高压、高速气流的包围中，承受高频甚至超高频机械振动（次数通常在10¹⁰～10¹²之间）以及循环热载荷（400℃以上）。此外，受服役环境的影响，叶片还可能受到大气腐蚀、异物撞击以及离心力等一系列外来作用。由此造成的失效事故不容忽视，尤其是高速旋转的转子叶片，因其数量多、形体单薄、载荷状况严酷、工作环境复杂而成为发动机使用和实验中故障率最高的零部件之一。据统计，在航空发动机中，叶片故障可占到总故障的40%以上。可见，叶片的性能直接影响飞机的性能、可靠性及经济性。

在引发上述结构失效的机制中以疲劳损伤、腐蚀和磨损较为常见，特别是疲劳破坏，已成为发动机叶片失效的主要形式，占所有断裂事故的80％～90％。在大多数情况下，结构的失效是从表面开始的。表面是疲劳裂纹萌生的重要部位，腐蚀和磨损也多始于表面。显然，叶片的表面质量是能否保证其长时间安全服役的关键指标之一。考虑到降低失效事故的发生概率，极大限度地延长服役寿命，节约维修成本，必须对叶片表面进行强化处理。

用于发动机叶片表面强化的工艺有喷丸、超声喷丸、激光喷丸等。喷丸和超声喷丸过程中丸粒的运动是随机不可控的，无法使叶片表面局部区域达到精密强化的理想效果。鉴于这一点，研究人员将数控技术融入到喷丸强化中，发展成为数控喷丸。这在一定程度上改善了不恰当的喷丸工艺造成的不利影响，但究其根本丸粒运动的不可控性是无法根除的，同时喷丸引入的残余压应力场还有深化的空间。激光喷丸可以引入较深的残余压应力场，但加工效率不高且设备昂贵。值得注意的是，航空发动机叶片在工作状态下受到的载荷非常复杂，叶片不同区域承受的循环载荷应力比R相差较大，对于低应力比工况，喷丸等工艺引入的残余压应力在提高疲劳强度上效果较为明显，而当应力比较高时，表面粗糙度对疲劳强度的影响逐渐明显。一般喷丸工艺获得的表面微观轮廓局部区域相对尖锐，应力集中系数较大，在高应力比区域这种情况极易萌生疲劳裂纹，在很大程度上抵消了压缩残余应力带来的疲劳强度提高效果。激光喷丸后叶片的表面粗糙度相对喷丸较好，但仍无法大面积消除表面微观尖角。此外，叶片的几何构型是通过空气动力学计算得出的，其复杂的曲面几何特征直接影响着飞行性能。过度的喷丸处理会改变叶片的型面精度，影响发动机的正常工作。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种叶片表面超声冲击强化装置，解决常规强化处理后，叶片表面粗糙度高、面型精度差、表层残余压缩应力浅等问题，以满足叶片表面高效精密的强化要求。可实现双面同步强化叶片复杂曲面，并根据需要准确调整机床参数，保证超声工具系统的精确走位及叶片位置的精确调整，从而提高叶片表面强化的高效性和精密性。此外，该装置结构紧凑，装配精度高，且针对不同形状和尺寸的叶片均适用。激光喷丸工艺具有“点冷作”的优越性，保证叶片面型精度的能力稍强些。本实用新型旨在消除喷丸处理过程的不可控性，并兼顾激光喷丸引入高数值大范围残余压应力等优点，同时满足加工效率的高要求并最大限度地降低成本。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：