一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头

摘要

一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，属于金属表面处理技术领域。这种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头包括导向套和冲击针，冲击针设置在位于导向套上的导向孔内。冲击针上端与砧铁下端接触，保证冲击针插入导向孔的长度小于导向孔深度0-5μm。该冲击头在机械夹持下，配合机械夹持的冲击头运动轨迹、运动速度控制系统以及法向追踪自动控制系统，可对平面、恒曲率曲面和任意连续曲率曲面工件均匀一致的超声强化处理。其主要优点是满足机械夹持、自动控制的要求，也适合人工手持操作。

权利要求

1.一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，它包括导向套（4）和冲击针（6），冲击针（6）设置在位于导向套（4）上的导向孔（4C）内，其特征在于：所述冲击针（6）为阶梯圆柱形，其长度为导向孔（4C）深度的2倍，阶梯面以上为粗圆柱形，阶梯面以下为细圆柱形，细圆柱段上半段套装回复弹簧（5），下半段插入导向孔（4C）中，回复弹簧（5）上端止于冲击针（6）阶梯面，下端止于导向套（4）上端面，冲击针（6）上端与砧铁（10）下端接触，保证冲击针（6）下端与导向套（4）下端面的距离为0-5μm。

2.根据权利要求1所述的一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，其特征在于：所述导向套（4）采用平面端面导向套(4-1)，在平面端面导向套(4-1)上设有多个均匀分布的导向孔（4C），导向孔（4C）的轴线与导向套（4）的下端面垂直。

3.根据权利要求1所述的一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，其特征在于：所述导向套（4）采用圆弧端面导向套(4-2)，在圆弧端面导向套(4-2)上设有一排均匀排列的导向孔（4C），导向孔（4C）的轴线与导向套（4）的圆弧下端面在交点处垂直。

4.根据权利要求1所述的一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，其特征在于：所述导向套（4）采用锥顶小平面导向套(4-3)，在锥顶小平面导向套(4-3)上设有一个导向孔（4C），导向孔（4C）的轴线与导向套（4）的下端面垂直。

说明书

一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，属于金属表面处理技术领域。

背景技术

[0002] 喷丸表面处理是金属材料表面强化的有效手段之一。传统喷丸工艺通常以压缩空气和机械离心力作为动力源，加速弹丸轰击材料表面。其缺点是设备能耗大，有粉尘污染，占用空间大，不方便移动作业等。超声喷丸表面处理尽管受到设备结构和功率限制，只适合对小型工件进行表面强化，但是克服了传统喷丸工艺的缺点，功率超声用于表面强化显示出巨大的发展潜力。

[0003] 超声冲击（Ultrasonic Impact Treatment- UIT）技术最早由乌克兰Paton焊接研究所提出。1972年，发明了磁致伸缩换能器超声冲击装置（专利号USSR No.472782）。1997年，乌克兰专利（专利号Ukrainian Patent No.13936）针对早期装置存在的表面处理均匀性差，系统需要水冷导致设备和工艺过程复杂，以及冲击部件易于损坏等缺点，采用冲击头与变幅杆的弹性连接结构，并在变幅杆与冲击杆（针）之间增加高强材料垫片等方式，对早期装置进行了改进。但改进后的装置一般只能连续工作3-5分钟，需频繁停机冷却，且只适合处理零部件平整表面，对焊缝处理效果不佳。2002年，Prokopenko等发明了压电陶瓷换能器超声冲击装置（专利号US 6467321 B2），提高了能量转换效率，减小了冲击装置体积、重量及对冷却强度的要求。2007年，Statnikov等发明了用于超声冲击处理的振动系统及工具（专利号US 2007/0040476 A1）。通过分析磁致伸缩体的形状、尺寸、排列方式、铜焊工艺、防气蚀方式和内腔形状，变幅杆的材质、形状、尺寸、端头硬化方式和硬化层结构，冲击针的形状、尺寸和装配方式，以及密封环的材质、形状、尺寸和装配方式等影响因素，全面优化了各部件的材质、形状、尺寸，制备工艺和装配方式，显著提高了装置性能的一致性、稳定性和可靠性。2008年，Prokopenko等发明了用于金属硬化和消除应力处理的超声工具（专利号WO 2008/150250 A1），通过增设温度传感器等措施，使冷却系统的效率增加，工作周期延长，冲击头零件的磨损与疲劳性能提高，改善了装置的可靠性。

[0004] 天津大学焊接工程技术研究所于1997年建造了超声冲击设备。2002年，王东坡等发明了《一种提高焊接接头疲劳性能的压电式超声冲击装置》（公开号CN1359778A），用压电式换能器代替了原有的磁致伸缩换能器。与同类装置相比，在相同工作频率下，其体积减小300-600%，重量减轻40-100%，效率提高200-300%，焊接部位的疲劳强度提高20-200%，疲劳寿命延长3-400倍，且无需液体冷却。相关系列发明专利还有：《一种压电式超声冲击枪》（公开号CN 1359777A），《一种超声冲击枪用振幅杆》（公开号CN 1359781A）和《一种超声冲击枪用多针式冲击头》（公开号CN 1359780A）等。2006-2008年，又分别申请了发明专利《斜角度超声冲击枪》（公开号CN 1887507A），可适应各种空间位置和任意角度操作；《一种半波长超声冲击枪》(公开号CN 101134195A)和《一种3/2波长的超声冲击枪》(公开号CN201186944Y),冲击针能够接触到工件上狭小空间等特殊位置；《一种滚动冲击头超声冲击枪》（公开号CN 101220407A），保证了系统的谐振特性稳定和超声能量的有效利用。

[0005] 2003年，赵显华等《一种提高焊缝疲劳强度超声冲击枪》实用新型专利（专利号ZL02270273.3），采用推动级和输出级两级变幅的全波长复合变幅杆传递能量，推动级为变幅比较大的阶梯形，输出级为对负载敏感度很低的锥形，从而克服了阶梯型半波长变幅杆对负载敏感的问题，以及变幅杆扁平状输出端对声波传播不利的问题，既获得了较大的变幅比，也满足了在大功率下工作对变幅杆形状因数的要求，减小了变幅杆的应力集中，提高了使用寿命，增加了系统的稳定性和可靠性,改善的压电陶瓷换能器与负载匹配，也大大提高了换能器的使用寿命。2007年又相继获准了《一种适用于航空发动机叶轮焊缝的超声冲击工具》（专利号ZL 200620087844.5）和《一种对狭小空间焊缝进行超声冲击的工具》（专利号ZL 200620087846.4）两项实用新型专利技术。前者采用同一平面内呈放射状分布的三个冲击针，可高质、高效地处理直角焊缝、立焊缝；后者采用较长、单根、锥形冲击针，对狭小空间焊缝，如槽焊缝、环形槽焊缝，桶底、内腔等复杂形状内腔进行处理。实用新型专利《扁平冲击针》（专利号ZL 200620087845.X），克服了圆形冲击针易在金属表面留下冲击坑并可能引起二次应力集中的问题，使焊接残余应力得以更有效消除。

[0006] 2008年，王冬生等的发明专利《一种用于焊缝应力消除的高效超声冲击头》发明专利（公开号CN 101429588A），将冲击针孔对称分布于中轴线两侧，并以中轴线为基准向内倾斜2-5º，可同时处理焊缝两边的焊趾，提高焊缝处理效果与效率。

[0007] 综上所述，现有超声冲击枪的共同特点是冲击针完全暴露于冲击头导向套之外，冲击针上端通过砧铁与变幅杆下端接触，冲击针下端直接抵于待处理表面。即变幅杆、冲击针和待处理表面三者为纵向硬接触。冲击枪工作时，施加在冲击枪上的操作外力和变幅杆下端的振动能量通过冲击针作用到工件表面，对工件进行击打，操作外力的反作用力和工件表面的弹力使冲击针回弹，同时操作外力的反作用力也通过冲击针作用到变幅杆下端，使变幅杆的输出能量受到操作外力的影响。

[0008] 如果变幅杆振动频率为 ，无操作外力作用FE = 0时, 变幅杆的振动幅度为A0，变幅杆自由端振动位移y 随时间t 变化的关系

[0009] y = A0cos2 ft (1)

[0010] 振动速度v 为

[0011] v = dy/dt =-2 A0fsin2 ft (2)

[0012] 式(2)中，v0 = -2 A0f 为变幅杆输出振动速度的幅值。

[0013] 若冲击针单根质量为m0，冲击工件表面的作用时间t 近似等于振动周期T的二分之一，即t = T/2 = 1/2f。根据动量原理，无操作外力作用时冲击针对工件表面的冲击力F0近似为

[0014] F0t = m0v2 – m0v1 = -2m0v0 (3) [0015] 即

[0016] F0 = 8 A0m0f 2 (4)[0017] 式(3)中，v1为冲击针下端与工件表面接触瞬间冲击针向下的冲击速度；v2为冲击针下端离开工件表面瞬间回弹速度。

[0018] 由于A0由超声发生器设备的输出功率调节,与操作外力FE无关，在确定的m0、A0、f 条件下，冲击针每针次的冲击力均可保证相同。

[0019] 当超声冲击枪施加操作外力FE时，操作外力的反作用力通过冲击针作用在变幅杆下端，将限制变幅杆振动幅度，变幅杆振幅由无外力时的A0减小为A′，冲击针对工件表面的冲击力也将由无外力时的F0减小为F′,

[0020] F′ = 8 A′m0f 2 (5)[0021] 由于振幅A′随操作外力FE变化，FE越大，A′越小，F′也越小，即每针次对工件表面的冲击力F′随外力FE变化。当FE增大超过一临界值，A′趋近于0，变幅杆下端将难于起振,冲击针对工件表面的冲击力F′随即降低为0，发生冲击枪过载，即“闷死”现象，从而中断对工件表面的击打。若施加在枪体上的操作外力FE过小，或多个冲击针中的某个冲击针与被处理表面没有完全接触，则冲击针难于回弹，同样不能形成连续击打。

[0022] 可见，现有超声冲击枪采用人工手持操作进行表面强化处理时，人工操作外力FE是随机变化的，每针次作用于工件表面的冲击力F′也随外力FE变化，不能保证表面强化处理的均匀性和一致性。同时在整个冲击过程中，冲击针与处理表面间的夹角、冲击枪的移动速度等其它操作参数，完全依靠人工控制，也难以保持恒定，所以人工手持操作现有冲击枪进行表面强化处理，不可能获得质量均匀一致的处理表面。

[0023] 还需指出的是现有超声冲击枪即使采用机械化操作，从而在冲击枪上施加恒定的操作外力FE，也难于实现质量均匀一致而稳定的表面处理。由于超声冲击枪工作时移动阻力的随机变化，加之被处理表面的复杂与多样性，常规机械操作系统很难根据移动阻力和被处理工件表面的瞬时变化及时反馈并调整其操作力，操作外力FE过大或过小的情况经常发生，尤其在多针冲击强化时，后续冲击针是在前面冲击针已冲击处理过的表面进行再次冲击，同一时刻各冲击针的冲击点表面凸凹程度不同，操作外力FE分配在每个冲击针上的分力也不同，过大或过小的分力皆可造成该冲击针停止对工件表面的击打，其扫过的表面部位将形成未处理的冲击空位区，导致表面强化作用的不均匀。所以现有超声冲击枪 也不适合机械化操作进行表面处理。

[0024] 此外，施加于超声冲击枪上的操作外力FE的不断变化，也会导致冲击枪负载的不断改变，影响冲击枪的使用寿命。

发明内容

[0025] 本发明的目的是提供一种适用于机械化操作的内藏冲击针式超声表面强化冲击头，该冲击头在机械夹持下，配合机械夹持的冲击头运动轨迹、运动速度控制系统以及法向追踪自动控制系统，可对平面、恒曲率曲面和任意连续曲率曲面工件均匀一致的超声强化处理。克服现有超声冲击枪对操作外力过于敏感，只适合人工手持操作的问题，消除了操作外力对冲击作用的随机影响。

[0026] 本发明采用的技术方案是：一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头，它包括导向套和冲击针，冲击针设置在位于导向套上的导向孔内。所述冲击针为阶梯圆柱形，其长度约为导向孔深度的2倍，阶梯面以上为粗圆柱形，阶梯面以下为细圆柱形，细圆柱段上半段套装回复弹簧，下半段插入导向孔中，回复弹簧上端止于冲击针阶梯面，下端止于导向套上端面，回复弹簧使冲击针上端与砧铁下端接触，且保证冲击针插入导向孔的长度小于导向孔深度0-5μm。

[0027] 所述导向套采用平面端面导向套，在平面端面导向套上设有多个均匀分布的导向孔。导向孔的轴线与导向套的下端面垂直。

[0028] 所述导向套采用圆弧端面导向套，在圆弧端面导向套上设有一排均匀排列的导向孔。导向孔的轴线与导向套的圆弧下端面在交点处垂直。

[0029] 所述导向套采用锥顶小平面导向套，在锥顶小平面导向套上设有一个导向孔。导向孔的轴线与导向套的下端面垂直。

[0030] 采用上述技术方案的内藏于导向孔内的冲击针，与待处理工件表面自由接触或不接触，作用在冲击枪上的操作外力全部由导向套下端面承受，冲击针施加于被处理工件表面的作用力，仅与冲击枪自身参数相关，冲击针每针次的冲击力均可保证相同，实现均匀一致的表面强化处理。冲击针作用于被处理工件表面的力，与操作外力无关, 冲击枪负载稳定，有利于延长冲击枪使用寿命，满足机械夹持、自动控制的要求，适合机械化操作完成超声表面强化，而且，所述的冲击头同样适合人工手持操作。

[0031] 冲击头的导向套，其下端面可根据需要设计成平面或恒曲率曲面，当被处理工件表面为平面时，导向套下端面采用平面，当被处理工件表面为恒曲率曲面时，导向套下端面采用与工件表面相同曲率的曲面，导向孔轴线均始终与导向套下端面在交点处垂直，配合机械夹持的冲击头运动轨迹和运动速度自动控制系统，实现平面或恒曲率曲面的超声强化处理。冲击头的导向套，其下端面可根据需要设计成仅容纳单个导向孔的锥顶小平面，导向孔轴线始终与导向套下端面垂直，配合机械夹持的冲击头运动轨迹、运动速度控制系统以及法向追踪自动控制系统，实现任意连续曲率曲面的超声强化处理。

[0032] 本发明的有益效果是：这种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头包括导向套、冲击针和套装在冲击针上的回复弹簧，冲击针设置在位于导向套上的导向孔内。套装在冲击针上的回复弹簧使冲击针上端与砧铁下端接触，且保证冲击针插入导向孔的长度小于导向孔深度0-5μm。该冲击头在机械夹持下，配合机械夹持的冲击头运动轨迹、运动速度控制系统以及法向追踪自动控制系统，可对平面、恒曲率曲面和任意连续曲率曲面工件表面均匀一致的超声强化处理。克服了现有超声冲击枪对操作外力过于敏感，只适合人工手持操作的问题，消除了操作外力对冲击作用的随机影响。

附图说明

[0033] 图1是一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头的结构图。

[0034] 图2是多冲击针平面端面导向套示意图。

[0035] 图3是采用多冲击针平面端面导向套的冲击头与工件相对运动示意图。

[0036] 图4是单排冲击针圆弧端面导向套示意图。

[0037] 图5是采用单排冲击针圆弧端面导向套的冲击头与工件相对运动示意图。

[0038] 图6是采用锥顶小平面导向套的冲击头与工件相对运动示意图。

[0039] 图中：1、冲击头外壳，1A、配合段，1B、限止凸台，1C、倾斜出风口，2、连接螺母，3、固定螺母，4、导向套，4A、配合段，4B、限止凸台，4C、导向孔，4-1、平面端面导向套，4-2、圆弧端面导向套，4-3、锥顶小平面导向套，5、回复弹簧，6、冲击针，7、超声冲击枪外壳，8、变幅杆，9、被处理工件，10、砧铁。

具体实施方式

[0040] 以下结合附图对本发明进行具体说明。

[0041] 图1示出了一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头的结构图。冲击头外壳1包括配合段1A、限位凸台1B和倾斜出风口1C。其中配合段1A外轮廓为正方形，与冲击枪外壳7方形内孔配合，防止其切向转动；限位凸台1B内外轮廓均为圆形；6个倾斜出风口1C沿冲击头外壳1圆周均匀布置。连接螺母2，外滚花、内有螺纹、下端有内凸台，用以实现冲击头外壳1与超声冲击枪外壳7的连接。变幅杆8与超声换能器相接，换能器固定于冲击枪外壳7上。砧铁10置于冲击针6与变幅杆8之间，固定于变幅杆8下端面，以保护变幅杆不因冲击针6撞击而损坏。冲击针6为阶梯圆柱形，以阶梯面为界，上段为较大直径圆柱形，下段为较小直径圆柱形，下端面为半球形。固定螺母3与连接螺母2结构相同，用以实现导向套4与冲击头外壳1的固定连接。导向套4设有规则排列的、与冲击针6配合的导向孔4C，针孔的数量和排列方式视变幅杆8下端面形状和面积确定；导向套4的配合段4A，其外轮廓为圆形，与冲击头外壳1内孔配合；限位凸台4B外轮廓为圆形；导向孔4C内表面与冲击针6下段细圆柱面保持为滑动配合。回复弹簧5加套在冲击针6阶梯面以下细圆柱段的上半段，上端止于冲击针6阶梯面，下端止于导向孔4C上端面，自然长度为在静止条件下保证冲击针6上端与砧铁10下端面接触，冲击针下端与导向套下端面的距离0-5μm。

[0042] 装配时，先将冲击头外壳1的上端配合段1A插入冲击枪外壳7的下端内孔中，用连接螺母2将冲击头外壳1与冲击枪外壳7联接；将回复弹簧5从冲击针6的下端套入，再将冲击针6下端插入导向套4的导向针孔4C中；将安装好冲击针的导向套4的配合段4A插入到冲击头外壳1下端内孔中，再用固定螺母3将其与冲击头外壳1固定联接。

[0043] 实施例1

[0044] 对等离子体堆焊合金涂层的平板形工件表面进行超声冲击强化处理。采用图2、3所示的平面下端面内藏针式超声表面强化冲击头，导向套4采用平面端面导向套4-1，平面端面导向套4-1的下端面为平面，设有与下端面垂直排列的19个冲击针导向孔4C,每个孔安装有直径为2 mm的冲击针6。装配后的冲击针6静止时在回复弹簧5作用下，冲击针6上端与固定在变幅杆8自由端的砧铁10下端面接触，下端内藏于平面端面导向套4-1的下端面以内,即与被处理工件9表面之间留有0-5μm的间隙。

[0045] 被处理工件9基体为20 mm厚的45钢板，表面用等离子体堆焊机堆焊厚度为4 mm的Ni50合金粉末涂层，机加工将涂层表面加工平整，加工后的涂层表面粗糙度Ra为2.81μm， Rz为15.2μm。

[0046] 被处理工件9固定在数控工作台上，冲击枪借助导轨—滑块机构安装在数控工作台移动支架上，冲击枪可随滑块在垂直方向任意滑动。超声冲击处理前，将冲击枪冲击头放置在工件表面一角，冲击枪自重和滑块重量通过导向套下端面作用在工件表面。超声冲击时，开启超声冲击枪电源和数控工作台电源，冲击枪在支架的带动下，相对工件纵向移动，移动速度为86 mm/min。超声冲击参数为：电流2.64 A，功率0.58 kW，冲击频率18.7 kHz, 变幅杆振幅为35.2μm。冲击头移动到工件另一端后，横向进给0.25 mm，再沿反方向纵向移动。如此反复，直至被处理表面全部处理完毕。

[0047] 冲击处理后的堆焊层表面，其粗糙度与处理前的机加工表面基本相同，表面粗糙度Ra值为2.6μm，Rz值为15.5μm。表面硬度平均值由冲击前的HV1 N 5.35 GPa增加到HV1 N 6.30 GPa。堆焊层表面残余应力平均值由冲击前的+610 MPa降至+200 MPa。满足了工程要求。

[0048] 实施例2

[0049] 对 AISI 304奥氏体不锈钢圆柱形轴件进行电镀铬前超声冲击表面强化预处理。采用图4、5所示的圆弧形下端面内藏针式超声表面强化冲击头，导向套4采用圆弧端面导向套4-2，圆弧端面导向套4-2的圆弧面为与被处理工件9圆柱面有相同曲率的半圆柱面。
圆弧端面导向套4-2设有5个平行排列的冲击针导向孔4C，冲击针导向孔4C的轴线与圆弧端面在交点处垂直。 每个孔安装有直径为2 mm冲击针6。装配后的冲击针6静止时在回复弹簧5作用下，冲击针6上端与固定在变幅杆8自由端的砧铁10下端面接触，下端与导向套4下端面,即被处理工件9表面自由接触。

[0050] 被处理工件9为Ф40 × 150 mm的轴件，状态为车削加工+真空固溶处理。

[0051] 将被处理圆柱形轴件用数控工作台卡盘夹紧，冲击枪借助导轨—滑块机构安装在数控工作台移动支架上，冲击枪可随滑块在垂直方向任意滑动。超声冲击处理前，冲击枪移动至圆柱形轴件一端的上方，并使导向套下端曲面与工件圆柱面相吻合。冲击枪自重及滑块的重量通过导向套下端曲面作用在工件表面。超声冲击时，开启冲击枪电源及数控工作台电源，轴件随卡盘开始旋转，冲击枪在支架带动下相对轴件纵向移动。 移动速度为2 mm/min。超声冲击参数为：电流2.26 A，功率0.50 kW，冲击频率17.8 kHz, 变幅杆振幅为30μm。当冲击头从工件一端移动到另一端，冲击强化结束。

[0052] 冲击处理后工件表面粗糙度Ra为0.62μm，Rz为3.31μm。工件表面原始的全奥氏体组织有95.8%转变为高硬、耐磨的马氏体相组织。表面硬度平均值由原来的HV0.1 N 2.35 GPa增加到HV0.1 N 4.60 GPa,表面残余应力平均值由+150 MPa降至-580 MPa。满足了电镀铬前表面预处理的工程要求。

[0053] 实施例3

[0054] 对H13马氏体钢工件球冠面进行渗氮前超声冲击表面强化预处理。采用图6所示的锥顶小平面下端面内藏针式超声强化冲击头，导向套4采用锥顶小平面导向套4-3，锥顶小平面导向套4-3下端面为仅容纳1个导向孔4C的锥顶小平面，沿锥形中心线设计有1个冲击针导向孔4C，孔内安装有直径为5 mm的冲击针6。装配后的冲击针6静止时在回复弹簧5作用下，冲击针6上端与固定在变幅杆8自由端的砧铁10下端面接触，下端与导向套4下端面，即被处理工件9表面之间留有2-5μm的间隙。

[0055] 被处理工件9球冠面曲率半径R为150 mm，球冠直径100 mm，高38 mm，超声冲击处理前工件为淬火+回火状态。

[0056] 将被处理工件9夹持在数控工作台上，冲击枪安装在机械手前端。超声冲击前，将冲击枪冲击头放置在球冠面中心点，机械手的操作外力全部由锥顶小平面导向套4-3下端锥顶小平面承受。超声冲击时，开启超声冲击枪电源和数控工作台电源，利用机械手完成法向追踪、运动轨迹和运动速度控制，使冲击针完成对球冠表面的扫描。冲击针扫描线速度为58 mm/min,扫描重叠率为92%。超声冲击工艺参数为：电流2.0 A，功率0.44 kW，冲击频率
17.8 kHz,变幅杆振幅为26.4μm。

[0057] 经过超声冲击处理的工件在570 ℃等离子体渗氮1 h ，获得渗氮层深度为50.5μm，显微硬度为HV0.1 N 11.02 GPa, 较未冲击处理工件，渗氮层硬度提高了HV0.1 N
1.19 GPa, 深度增加了19.3μm，大大提高了渗氮效率,满足了渗氮前表面预处理要求。