一種適用于機械化操作的內藏針式超聲表面強化沖擊頭，屬于金屬表面處理技術領域。這種適用于機械化操作的內藏針式超聲表面強化沖擊頭包括導向套和沖擊針，沖擊針設置在位于導向套上的導向孔內。沖擊針上端與砧鐵下端接觸，保證沖擊針插入導向孔的長度小于導向孔深度0-5μm。該沖擊頭在機械夾持下，配合機械夾持的沖擊頭運動軌跡、運動速度控制系統以及法向追蹤自動控制系統，可對平面、恒曲率曲面和任意連續曲率曲面工件均勻一致的超聲強化處理。其主要優點是滿足機械夾持、自動控制的要求，也適合人工手持操作。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種適用于機械化操作的內藏針式超聲表面強化沖擊頭，屬于金屬表面處理
技術介紹
噴丸表面處理是金屬材料表面強化的有效手段之一。傳統噴丸工藝通常以壓縮空氣和機械離心力作為動力源，加速彈丸轟擊材料表面。其缺點是設備能耗大，有粉塵污染，占用空間大，不方便移動作業等。超聲噴丸表面處理盡管受到設備結構和功率限制，只適合對小型工件進行表面強化，但是克服了傳統噴丸工藝的缺點，功率超聲用于表面強化顯示出巨大的發展潛力。超聲沖擊(Ultrasonic Impact Treatment- UIT)技術最早由烏克蘭Paton焊接研究所提出。1972年，專利技術了磁致伸縮換能器超聲沖擊裝置(專利號USSR No. 472782)。1997年，烏克蘭專利(專利號Ukrainian Patent No. 13936)針對早期裝置存在的表面處理均勻性差，系統需要水冷導致設備和工藝過程復雜，以及沖擊部件易于損壞等缺點，采用沖擊頭與變幅桿的彈性連接結構，并在變幅桿與沖擊桿(針)之間增加高強材料墊片等方式，對早期裝置進行了改進。但改進后的裝置一般只能連續工作3-5分鐘，需頻繁停機冷卻，且只適合處理零部件平整表面，對焊縫處理效果不佳。2002年，Prokopenko等專利技術了壓電陶瓷換能器超聲沖擊裝置(專利號US 6467321 B2)，提高了能量轉換效率，減小了沖擊裝置體積、重量及對冷卻強度的要求。2007年，Statnikov等專利技術了用于超聲沖擊處理的振動系統及工具(專利號US 2007/0040476 Al)。通過分析磁致伸縮體的形狀、尺寸、排列方式、銅焊工藝、防氣蝕方式和內腔形狀，變幅桿的材質、形狀、尺寸、端頭硬化方式和硬化層結構，沖擊針的形狀、尺寸和裝配方式，以及密封環的材質、形狀、尺寸和裝配方式等影響因素，全面優化了各部件的材質、形狀、尺寸，制備工藝和裝配方式，顯著提高了裝置性能的一致性、穩定性和可靠性。2008年，Prokopenko等專利技術了用于金屬硬化和消除應力處理的超聲工具(專利號WO 2008/150250 Al )，通過增設溫度傳感器等措施，使冷卻系統的效率增加，工作周期延長，沖擊頭零件的磨損與疲勞性能提高，改善了裝置的可靠性。天津大學焊接工程技術研究所于1997年建造了超聲沖擊設備。2002年，王東坡等專利技術了《一種提高焊接接頭疲勞性能的壓電式超聲沖擊裝置》(公開號CN1359778A)，用壓電式換能器代替了原有的磁致伸縮換能器。與同類裝置相比，在相同工作頻率下，其體積減小300-600%，重量減輕40-100%，效率提高200-300%，焊接部位的疲勞強度提高20_200%，疲勞壽命延長3-400倍，且無需液體冷卻。相關系列專利技術專利還有《一種壓電式超聲沖擊槍》(公開號CN 1359777A)，《一種超聲沖擊槍用振幅桿》(公開號CN 1359781A)和《一種超聲沖擊槍用多針式沖擊頭》(公開號CN 1359780A)等。2006-2008年，又分別申請了專利技術專利《斜角度超聲沖擊槍》(公開號CN 1887507A)，可適應各種空間位置和任意角度操作；《一種半波長超聲沖擊槍》(公開號CN 101134195A)和《一種3/2波長的超聲沖擊槍》(公開號CN201186944Y)，沖擊針能夠接觸到工件上狹小空間等特殊位置；《一種滾動沖擊頭超聲沖擊槍》(公開號CN 101220407A)，保證了系統的諧振特性穩定和超聲能量的有效利用。2003年，趙顯華等《一種提高焊縫疲勞強度超聲沖擊槍》技術專利(專利號ZL02270273. 3)，采用推動級和輸出級兩級變幅的全波長復合變幅桿傳遞能量，推動級為變幅比較大的階梯形，輸出級為對負載敏感度很低的錐形，從而克服了階梯型半波長變幅桿對負載敏感的問題，以及變幅桿扁平狀輸出端對聲波傳播不利的問題，既獲得了較大的變幅t匕，也滿足了在大功率下工作對變幅桿形狀因數的要求，減小了變幅桿的應力集中，提高了使用壽命，增加了系統的穩定性和可靠性，改善的壓電陶瓷換能器與負載匹配，也大大提高了換能器的使用壽命。2007年又相繼獲準了《一種適用于航空發動機葉輪焊縫的超聲沖擊工具》(專利號ZL 200620087844. 5)和《一種對狹小空間焊縫進行超聲沖擊的工具》(專利號ZL 200620087846. 4)兩項技術專利技術。前者采用同一平面內呈放射狀分布的三個沖擊針，可高質、高效地處理直角焊縫、立焊縫；后者采用較長、單根、錐形沖擊針，對狹小空間焊縫，如槽焊縫、環形槽焊縫，桶底、內腔等復雜形狀內腔進行處理。技術專利《扁平沖擊針》(專利號ZL 200620087845. X)，克服了圓形沖擊針易在金屬表面留下沖擊坑并可能引起二次應力集中的問題，使焊接殘余應力得以更有效消除。 2008年，王冬生等的專利技術專利《一種用于焊縫應力消除的高效超聲沖擊頭》專利技術專利(公開號CN 101429588A)，將沖擊針孔對稱分布于中軸線兩側，并以中軸線為基準向內傾斜2-5°，可同時處理焊縫兩邊的焊趾，提高焊縫處理效果與效率。綜上所述，現有超聲沖擊槍的共同特點是沖擊針完全暴露于沖擊頭導向套之外，沖擊針上端通過砧鐵與變幅桿下端接觸，沖擊針下端直接抵于待處理表面。即變幅桿、沖擊針和待處理表面三者為縱向硬接觸。沖擊槍工作時，施加在沖擊槍上的操作外力和變幅桿下端的振動能量通過沖擊針作用到工件表面，對工件進行擊打，操作外力的反作用力和工件表面的彈力使沖擊針回彈，同時操作外力的反作用力也通過沖擊針作用到變幅桿下端，使變幅桿的輸出能量受到操作外力的影響。如果變幅桿振動頻率為/，無操作外力作用Ae = 0時，變幅桿的振動幅度為義，變幅桿自由端振動位移隨時間t變化的關系 7 =為 cos2 ft ft(I) 振動速度^為V = dy/dt =-2 *^afsin2 %ft(2) 式(2)中，= -2 為變幅桿輸出振動速度的幅值。若沖擊針單根質量為&，沖擊工件表面的作用時間t近似等于振動周期T的二分之一，即(=T/2 = 1/2八根據動量原理，無操作外力作用時沖擊針對工件表面的沖擊力&近似為 F_ 0^2 _ ^OvI _ —2fflo^O(3) 即 Z70 = 8 mAjn0f 2(4) 式(3)中，K1為沖擊針下端與工件表面接觸瞬間沖擊針向下的沖擊速度；K2為沖擊針下端離開工件表面瞬間回彈速度。由于次由超聲發生器設備的輸出功率調節，與操作外力^無關，在確定的叫、4、f條件下，沖擊針每針次的沖擊力均可保證相同。當超聲沖擊槍施加操作外力Z7e時，操作外力的反作用力通過沖擊針作用在變幅桿下端，將限制變幅桿振動幅度，變幅桿振幅由無外力時的次減小為W，沖擊針對工件表面的沖擊力也將由無外力時的Z7ci減小為/7'， F1 = 8mA' /B0T2(5) 由于振幅#隨操作外力巧變化，巧越大，#越小，P也越小，即每針次對工件表面的沖擊力P隨外力Ae變化。當^增大超過一臨界值JZ趨近于0，變幅桿下端將難于起振，沖擊針對工件表面的沖擊力P隨即降低為0，發生沖擊槍過載，即“悶死”現象，從而中斷對工件表面的擊打。若施加在槍體上的操作外力Z7e過小，或多個沖擊針中的某個沖擊針與被處理表面沒有完全接觸，則沖擊本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種適用于機械化操作的內藏針式超聲表面強化沖擊頭，它包括導向套(4)和沖擊針(6)，沖擊針(6)設置在位于導向套(4)上的導向孔(4C)內，其特征在于所述沖擊針(6)為階梯圓柱形，其長度為導向孔(4C)深度的2倍，階梯面以上為粗圓柱形，階梯面以下為細圓柱形，細圓柱段上半段套裝回復彈簧(5)，下半段插入導向孔(4C)中，回復彈簧(5)上端止于沖擊針(6)階梯面，下端止于導向套(4)上端面，沖擊針(6)上端與砧鐵(10)下端接觸，保證沖擊針(6)插入導向孔(4C)的長度小于導向孔(4C)深度0-5 iim。2.根據權利要求I所述的一種適用于機械化操作的內藏針式超聲表面強化沖擊頭，其特征在于所述導向套(4)采用平...
【專利技術屬性】
技術研發人員：雷明凱，王桂芹，潭家隆，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：
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