CN112609053A - 一种基于射流辅助的超声滚压强化装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于射流辅助的超声滚压强化装置及***，基于射流辅助的超声滚压强化装置包括内部中空且沿轴向相连的外套筒和曲线保持壳；所述外套筒和曲线保持壳的内腔中设有依次相连的变幅杆、弯曲顶帽和滚压球，所述弯曲顶帽与所述曲线保持壳间隙配合，所述滚压球部分伸出所述曲线保持壳之外；所述弯曲顶帽上设有沿轴向贯通所述弯曲顶帽的射流通道。本发明提供的基于射流辅助的超声滚压强化装置及***，通过在弯曲顶帽上设置射流通道，通过在射流通道中通入不同介质的射流，从而实现超声滚压强化过程中的润滑并对变幅杆的输出进行抑制或增强，从而提升表面强化质量和效果。

Description

一种基于射流辅助的超声滚压强化装置及***

技术领域

本发明涉及材料表面强化领域，更具体地涉及一种基于射流辅助的超声滚压强化装置及***。

背景技术

先进的材料和制造工艺是航空发动机实现减重、增效、改善性能的关键技术之一。在新一代航空发动机性能的提高中，制造技术与材料的贡献率为50～70％，而在减重的贡献率中，制造技术和材料的贡献率占70～80％，这充分表明材料与制造工艺是制约新一代航空发动机发展的关键技术。然而，涡轮盘用高温合金均属于典型的难加工材料，其较高的硬度和韧性及较低的热导率，导致在加工过程中表面及次表面引发较大的残余应力及微观组织结构演变。表面加工质量的不确定性，尤其表面微观组织结构演化导致的材料不均匀，可能会直接影响着涡轮盘的服役行为、损伤乃至裂纹扩展，因此，需要通过表面强化来提高其疲劳寿命。

表面强化是通过在材料表面引入形变，进而使材料表层微观组织结构发生变化，从而改变材料性能的一种工艺。因为机械构件的表面往往承受最大应力，且在服役过程中直接与各种介质接触，所以机械构件的失效往往始于构件表面。如果能够在机械构件表面引入一层残余应力，中和表面承受的应力，同时提高机械构件的表层硬度，降低表面粗糙度，改善表层微观组织结构等，就可以改善机械构件的疲劳性能和耐磨性，从而拓宽材料的应用范围。表面机械处理包括很多种，常见的有喷丸、激光冲击强化、低塑性抛光、表面滚压等。

传统的喷丸可控性差，强化后表面质量较差；激光冲击强化属于高能耗冲击方法，冲击后的表面虽然较传统喷丸好，但是表面质量仍然达不到要求；低塑性抛光可以使得表面质量得到较大的提高，但是表层残余压应力较小；传统的表面滚压可以使表层产生一定的残余压应力，但是残余压应力的层深较小。

发明内容

本发明提供一种基于射流辅助的超声滚压强化装置及***，以提高材料表面强化后的表面质量及残余压应力层的深度。

本发明一方面提供一种基于射流辅助的超声滚压强化装置，包括：

内部中空且沿轴向相连的外套筒和曲线保持壳；

所述外套筒和曲线保持壳的内腔中设有依次相连的变幅杆、弯曲顶帽和滚压球，所述弯曲顶帽与所述曲线保持壳间隙配合，所述滚压球部分伸出所述曲线保持壳之外；

所述弯曲顶帽上设有沿轴向贯通所述弯曲顶帽的射流通道。

进一步地，所述弯曲顶帽的一端设有容纳槽，所述滚压球安装在所述容纳槽中。

进一步地，所述射流通道包括多个射流通道，所述射流通道分别位于所述弯曲顶帽的中心和侧方。

进一步地，所述曲线保持壳和弯曲顶帽通过螺栓紧固相连。

本发明另一方面提供一种基于射流辅助的超声滚压强化***，包括：介质存储器、机床、控制***和如上所述的超声滚压强化装置，所述介质存储器与所述射流通道相连通，所述超声滚压强化装置固定在所述机床上，所述控制***分别与所述机床和介质存储器相连。

进一步地，所述介质存储器内设有加热器和多个分隔的存储腔，所述存储腔与所述射流通道相连通。

进一步地，相邻的存储腔之间设有密封件。

进一步地，所述存储腔具有出口，所述出口处设置有喷射泵，所述控制***与喷射泵相连。

进一步地，所述出口处设置有电磁阀，所述控制***与电磁阀相连。

进一步地，所述控制***为计算机或可编程逻辑控制器。

本发明提供的基于射流辅助的超声滚压强化装置及***，通过在弯曲顶帽上设置射流通道，通过在射流通道中通入不同介质的射流，从而实现超声滚压强化过程中的润滑并对变幅杆的输出进行抑制或增强，变幅杆产生振动信号后，会传递到滚珠，产生激振力和静压力，进而使得表面产生塑性变形，加深残余压应力层深，滚珠的滚动也可以提升表面质量从而提升表面强化质量和效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超声滚压强化装置的结构示意图；

图2为图1所示装置的部分剖视图；

图3为本发明实施例提供的超声滚压强化装置的曲面保持架部分的立体图；

图4为图3的主视图；

图5为图4的B向视图；

图6为本发明另一实施例提供的超声滚压强化***的***配置图；

图7a-图7e分别为采用浇注式润滑、油润滑、水润滑、油水润滑和油气润滑的方式强化后所得到的材料表面形貌；

图8为采用图7a-图7e中不同射流方式强化后所得到的表面最大残余应力的柱形图。

附图标记：

1-外套筒；

11-连接通道；

2-变幅杆；

3-螺栓；

4-弯曲顶帽；

5-曲线保持壳；

51-圆弧段；

52-圆台段；

6-滚压球；

10-超声滚压强化装置；

20-控制***；

30-机床；

40-介质存储器。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供一种基于射流辅助的超声滚压强化装置10，包括沿轴向相连的外套筒1和曲线保持壳5，外套筒1和曲线保持壳5之间通过法兰8相连。曲线保持壳5包括与外套筒1等径的圆弧段51以及渐缩的圆台段52，在该圆台段52的顶端开孔中露出滚压球6。图2示出本发明该超声滚压强化装置10的内部结构，所述外套筒1具有中空的内腔，其中设有变幅杆2，所述变幅杆2与一弯曲顶帽4固定连接，弯曲顶帽4则与曲线保持壳5的内腔间隙配合。所述弯曲顶帽4的自由端容置并顶推一滚压球6，使该滚压球6在曲线保持壳5的夹持下部分伸出，以对被加工件的表面进行滚压强化。弯曲顶帽4中还设置有沿轴向贯通弯曲顶帽4的射流通道7，用于施加一定压力的气流和/或液流，在实现润滑的同时，也可以对变幅杆2的输出进行抑制或者增强，例如可以通过减少气流的射流通道和压力进行抑制，通过增加气流的射流通道和压力进行增强，从而改善表面强化质量和效果。外套筒1的内腔中设有连接通道11，该连接通道11与射流通道7连通，用于向射流通道7内通入气流和/或液流。

外套筒1和曲线保持架5可以通过螺栓3将两者法兰固定连接，外套筒1作为变幅杆2的保护壳，主要用于实现变幅杆2的防护，曲线保持架5主要用于控制该加工装置的整体角度，从而实现非连续曲面的超声滚压强化，曲线保持架5的形状是根据优化计算得到，以使加工装置的整体角度最优，加工效果更好。

具体地，弯曲顶帽4主要是用于固定和调整滚压球6，其上可以设置一与滚压球6相配合的容纳槽，滚压球6安装在该容纳槽中且可在容纳槽中自由滚动，滚压球6一部分处于该容纳槽中，另一部分则伸出该槽外，并在曲线保持壳5顶端开口的限制下不致脱离该容纳槽。

射流通道7用于通入一定压力的气流或液流，其中，通过气流的压力的调整，实现超声滚压的滚珠的振幅的调整，液流的作用主要是实现润滑，也可以通过加大液流压力与气流压力协同作用，实现超声滚压的滚珠的振幅和频率的调整。

射流通道7可以设置为1个或多个，当设置为1个时，其位于弯曲顶帽4的中心线处，在进行超声滚压强化过程中，可以向射流通道7内通入一定压力的气流或液流，气流和液流随滚压球6的转动而喷出，由于气液两相耦合形成湍流，一方面可以使滚压球6产生振动，另一方面液流会流至被加工件的表面，从而起到润滑和冷却的作用。

在实际应用中，可以根据需要选择单一液体或气体介质作为润滑，也可以选择多种介质组合作为润滑，例如，气体和液体组合、气体和气体组合或液体和液体组合等等，射流通道7为1个时，多种气体或液体介质均通过中心的射流通道7进行射流，从而实现气/液射流耦合作用。

如图3-5所示，射流通道7为多个时，其中一个位于弯曲顶帽4的中心线处，剩下的则相邻于弯曲顶帽4并可围绕着弯曲顶帽4的中心线均匀设置，这样，不同介质可以采用不同的射流通道来进行射流，例如，当采用气液双介质润滑时，可以将中间的射流通道作为气流通道，将周边的射流通道作为液流通道，分别在不同的射流通道7中通入一定压力和速度的气流及液流，从而实现气/液射流耦合作用。多个射流通道可以通过对不同射流通道进行射流，实现振幅的抑制和增强，并且可以实现滚珠的偏振，即椭圆振动。

气体介质可以为空气，液体介质可以为水、油、乳化液等。

本发明实施例提供的基于射流辅助的超声滚压强化装置，通过在弯曲顶帽6上设置射流通道7，通过在射流通道7中通入不同介质的射流，从而实现超声滚压强化过程中的润滑并对变幅杆2的输出进行抑制或增强，从而提升表面强化质量和效果。

实施例二

如图6所示，本实施例提供一种基于射流辅助的超声滚压强化***，包括介质存储器40、机床30、控制***20和实施例一中所述的超声滚压强化装置10，其中，介质存储器40通过连接管等与超声滚压强化装置10的连接通道11连通，从而与射流通道7相连通，用于向射流通道7中通入一定压力和速度的射流；超声滚压强化装置10固定在机床30上，由机床30为超声滚压强化装置10提供原动力并带动超声滚压强化装置10自由移动，以实现对被加工件表面的加工；控制***20分别与机床30和介质存储器40相连，用于控制射流的种类和射流的压力和速度，并通过控制机床30而控制超声滚压强化装置10的移动。

机床30上设有超声波发生器、换能器、电源等部件，超声滚压装置10的变幅杆2依次与换能器、超声波发生器相连，通过换能器将超声波发生器输送的高频交流电转换为机械振动，并通过变幅杆2放大后传递给滚压球6，再由滚压球6对被加工件的表面进行滚压。控制***10可以通过控制超声发生器的频率来控制滚压球6滚压力的大小。

介质存储器40中设有加热器和多个分隔的存储腔，存储腔中存放有不同种类的冷却气体或液体，加热器用于对存储腔中的冷却气体或液体进行加热，各个存储腔分别与超声滚压强化装置10中的射流通道7相连通，例如，可以通过连接管连通，用于喷射不同的润滑介质。

介质存储器40中还可以设置喷射泵等部件，用于控制通向射流通道7的射流的压力和速度，喷射泵设置于各个存储腔的出口处，各出口处还可以设置电磁阀，通过电磁阀的开关来控制所喷射介质的种类。控制***20分别与喷射泵和电磁阀相连，从而实现喷射介质及其压力、速度的控制。

相邻的存储腔之间设置有密封件，例如，密封圈等，防止不同的气体或液体进行混合。

控制***20可以为计算机或可编程逻辑控制器，其具有人机交互界面，可通过人机交互界面输入设定好的程序实现对该超声滚压强化***的自动控制，使用更方便，效率更高。

本实施例的基于射流辅助的超声滚压强化***的使用方法如下：首先，打开超声发生器，为超声滚压强化装置10提供原动力；第二，通过变幅杆2使滚压球6振动；第三，控制***10根据需求控制介质存储器40中的气体或液体以一定压力或速度通入射流通道7中，在实现润滑的同时，对变幅杆2的输出进行抑制或者增强，从而完成对被加工件的表面强化。在强化过程中，控制***20控制机床30，使其带动超声滚压强化装置10按预设的加工轨迹移动。

本实施例中的***可以实现单一液体或气体介质射流润滑或者多介质射流润滑。单一液体或气体介质射流润滑条件下，在单向超声滚压强化时，在介质存储器40中的任选一种液体或气体介质，然后通过控制***控制射流压力及速度，使其从中心的射流通道7中射出，由于射流流体对滚珠的作用力是法向的，不会产生偏转，因此可实现振动，从而实现单向超声滚压强化；在椭圆超声滚压强化时，则将液体或气体从中心和侧方的射流通道7中同时射出，中间的射流仍然是实现法向加载，可以实现法向振幅，侧面射流的时候可以实现横向和法向同时加载，经过横向和法向的耦合，形成了椭圆轨迹振动，从而实现椭圆超声滚压强化。

在多介质射流润滑时，以双介质为例，可以有三种射流方式：液-液、气-液或气-气。液-液组合时，先任意选择两种液体润滑介质，在单向超声滚压强化时，通过控制***20控制两种液流均从中心的射流通道7中射出，从而完成单向超声滚压强化；在椭圆超声滚压强化时，通过控制***20控制两种液流分别从中心和侧方的射流通道7中射出，从而完成椭圆超声滚压强化。气-液或气-气组合时的加工方法与液-液组合类似，只需将介质相应更换即可，此处不再赘述。

由于任意两种液体或者气体介质都存在不同的物理性能，按照不同介质通入的射流通道7的位置进行排列，液-液组合可以分为：液体a(中心的射流通道)-液体b(侧方的射流通道)、液体a(侧方的射流通道)、液体b(中心的射流通道)。同样的，气-气和气-液组合也具有类似的分类。

下面将以7A09铝合金为研究对象，制定基于不同润滑工艺的超声滚压强化实验方案，以说明本实施例的超声滚压强化装置和***的强化效果，超声滚压实验方案如表1所示。

表1

如图7a-图7e所示，通过表面形貌的实验结果可以发现，采用本发明实施例提供的基于射流辅助的超声滚压强化装置和***进行表面超声滚压强化，尤其是气-液耦合作用下的表面超声滚压效果明显，大幅度的降低了表面粗糙度，提高了表面质量。

如图8所示，图中显示了采用方案1-方案5强化后的表面最大残余压应力数值。通过表面残余压应力的实验结果可以发现，采用本发明实施例提供的基于射流辅助的超声滚压强化装置和***进行表面超声滚压强化，通过气体和液体的耦合作用，使得激振力增大，塑性变形增大，进而产生较大的残余压应力和层深，进而提高疲劳寿命。其中残余压应力值约为-952MPa，层深约为300um。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种基于射流辅助的超声滚压强化装置，其特征在于，包括内部中空且沿轴向相连的外套筒和曲线保持壳；

所述外套筒和曲线保持壳的内腔中设有依次相连的变幅杆、弯曲顶帽和滚压球，所述弯曲顶帽与所述曲线保持壳间隙配合，所述滚压球部分伸出所述曲线保持壳之外；

所述弯曲顶帽上设有沿轴向贯通所述弯曲顶帽的射流通道。

2.根据权利要求1所述的超声滚压强化装置，其特征在于，所述弯曲顶帽的一端设有容纳槽，所述滚压球安装在所述容纳槽中。

3.根据权利要求1所述的超声滚压强化装置，其特征在于，所述射流通道包括多个射流通道，所述射流通道分别位于所述弯曲顶帽的中心和侧方。

4.根据权利要求1所述的超声滚压强化装置，其特征在于，所述曲线保持壳和弯曲顶帽通过螺栓紧固相连。

5.一种基于射流辅助的超声滚压强化***，其特征在于，包括介质存储器、机床、控制***和如权利要求1-4任一项所述的超声滚压强化装置，所述介质存储器与所述射流通道相连通，所述超声滚压强化装置固定在所述机床上，所述控制***分别与所述机床和介质存储器相连。

6.根据权利要求5所述的超声滚压强化***，其特征在于，所述介质存储器内设有加热器和多个分隔的存储腔，所述存储腔与所述射流通道相连通。

7.根据权利要求6所述的超声滚压强化***，其特征在于，相邻的存储腔之间设有密封件。

8.根据权利要求6所述的超声滚压强化***，其特征在于，所述存储腔具有出口，所述出口处设置有喷射泵，所述控制***与喷射泵相连。

9.根据权利要求8所述的超声滚压强化***，其特征在于，所述出口处设置有电磁阀，所述控制***与电磁阀相连。

10.根据权利要求5所述的超声滚压强化***，其特征在于，所述控制***为计算机或可编程逻辑控制器。

Images