一种适用于机械化操作的内藏针式超声表面强化冲击头制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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。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，专利技术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等专利技术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等专利技术了用于超声冲击处理的振动系统及工具(专利号US 2007/0040476 Al)。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等专利技术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 Al )，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。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，王东坡等专利技术了《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。相关系列专利技术专利还有《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，又分别申请了专利技术专利《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。2003年，赵显华等《一种提高焊缝疲劳强度超声冲击枪》技术专利(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t匕，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)两项技术专利技术。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。技术专利《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。 2008年，王冬生等的专利技术专利《一种用于焊缝应力消除的高效超声冲击头》专利技术专利(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2-5°，可同时处理焊缝两边的焊趾，提高焊缝处理效果与效率。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。如果变幅杆振动频率为/，无操作外力作用Ae = 0时，变幅杆的振动幅度为义，变幅杆自由端振动位移随时间t变化的关系 7 =為 cos2 ft ft(I) 振动速度^为V = dy/dt =-2 *^afsin2 %ft(2) 式(2)中，= -2 为变幅杆输出振动速度的幅值。若冲击针单根质量为&，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/2 = 1/2八根据动量原理，无操作外力作用时冲击针对工件表面的冲击力&近似为 F_ 0^2 _ ^OvI _ —2fflo^O(3) 即 Z70 = 8 mAjn0f 2(4) 式(3)中，K1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；K2为冲击针下端离开工件表面瞬间回弹速度。由于次由超声发生器设备的输出功率调节，与操作外力^无关，在确定的叫、4、f条件下，冲击针每针次的冲击力均可保证相同。当超声冲击枪施加操作外力Z7e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次减小为W，冲击针对工件表面的冲击力也将由无外力时的Z7ci减小为/7'， F1 = 8mA' /B0T2(5) 由于振幅#随操作外力巧变化，巧越大，#越小，P也越小，即每针次对工件表面的冲击力P随外力Ae变化。当^增大超过一临界值JZ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P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Z7e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，则冲击本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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)插入导向孔(4C)的长度小于导向孔(4C)深度0-5 iim。2.根据权利要求I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...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷明凯，王桂芹，潭家隆，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：