本发明涉及一种爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置及其工作方法，属于轴类零件周向槽表面强化装置与方法。
背景技术：
爆破阀是一种火工品驱动的阀门，具有反应迅速、开启可靠的特点，在航天、航空和国防领域有着广泛的应用，如飞机弹射装置、导弹发射装置、导弹燃料供应系统等。2010年被引进先进非能动压水反应堆核电站的设计中，承担严重事故工况下阻止事故进一步向核岛外扩展保证核电站安全的重大使命。
爆破阀的主要组成部件包括：阀体组件、阀盖、拉力螺栓、活塞、缓冲装置、位置指示装置、剪切盖、药筒等。其工作原理是药筒驱动装置接收到电流信号后，通过内部点火器点燃火药并产生气体使活塞受力，造成拉力螺栓断裂，活塞因此往下运动，并对剪切盖端部提供作用力，使剪切盖打开，从而保证介质流通。在以上结构中，拉力螺栓是用来固定活塞的零件，拉力螺栓两端为螺纹，一端连接阀盖，另一端连接活塞，在正常情况下拉力螺栓要能承受活塞的重量，当阀门需要开启时，拉力螺栓必须被爆破力拉断，从而进行剪切过程。考虑到阀盖和活塞需要反复使用，为防止断裂部位在阀盖内部，在拉力螺栓上预先设置一个薄弱断裂区域，从而控制拉力螺栓的断裂位置。该区域称为削弱槽。在实际工况下，爆破阀的工作环境比较复杂，尤其是核电站中的爆破阀属于核安全l级、抗震1级的阀门，和航天、航空用的爆破阀相比，其通径更大、流体介质温度更高、并长时间暴露在高温(入口温度360，环境温度50以上)和辐照等特殊环境条件下，在60年的超长设计寿命期间，不仅要承受活塞重量的静载荷作用，而且受到核电厂主管道冷却剂的压力脉动以及力学环境、气候环境和电磁环境等变化导致的疲劳破坏的威胁。
为防止在低载荷下拉力螺栓发生疲劳断裂，导致爆破阀误动作，削弱槽表面需要进行表面强化处理，以减少或消除疲劳裂纹源。常规的提高疲劳性能的表面强化方法即表面形变强化，包括滚压强化、挤压强化、喷丸强化。其中喷丸强化是目前应用最为广泛的提高疲劳强度的形变强化方法。由于爆破阀被首次引入核电站中，国内外与核级爆破阀相关的公开发表的文献较少，尤其是涉及具体零部件制造技术的文献几乎未见报道。仅有的国内cn201420036285x实用新型专利一种火工爆破阀的制作方法中提到，拉力螺栓削弱槽采用喷丸处理。
超声冲击技术是从20世纪70年代发展起来的一项表面形变强化技术，相比于喷丸处理，超声冲击处理除了具有安全和环境友好的特征外，它与喷丸不同的物理本质使其具有更高的工艺效率，更好的工艺参数的自适应调节性，并能实现工艺过程中表面处理质量的实时监控，且被处理工件具有更深的强化层和更大的残余压应力。
技术实现要素：
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本发明针对爆破阀拉力螺栓削弱槽提出一种爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置及其工作方法，旨在消除或减轻削弱槽表面由于机械加工等而产生的表面缺陷、残余拉应力等，提高拉力螺栓的疲劳强度，防止爆破阀的误动。
本发明采用的技术方案是：一种爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置，它包括冲击头、支撑托架、托架限位机构和工件旋转带动机构，所述冲击头包含冲击头外壳、导向套、回复弹簧、冲击针及固定螺母，冲击头与冲击枪本体连接后，冲击针上端面与砧铁下端面接触；所述导向套采用阶梯圆柱形结构，导向套的下端曲面与拉力螺栓的工作段圆柱面相配合，沿导向套轴线加工的导向孔，深度为冲击针长度的二分之一，冲击针的轴线始终与导向套下端曲面法向一致，进而与被处理的拉力螺栓削弱槽圆环法向一致；所述冲击针下端突出于导向套之外，突出于导向套下端的长度恰好为削弱槽的深度，突出于导向套下端的冲击针的形状与削弱槽形状相匹配，冲击针的下端面形状为一曲面，该曲面与冲击针过轴线剖面的交线同拉力螺栓削弱槽形状相吻合；所述拉力螺栓由支撑托架支撑，支撑托架包含托板、u形板、两块楔形滑块、高度调节螺杆、一组支撑轴承和一组位置调节轴承，在使拉力螺栓保持水平的同时，高度自由调节；支撑托架还能使拉力螺栓在轴向任意移动，以实现冲击针与削弱槽之间相对位置的自适应调节；所述托架限位机构采用一限位板，在限位板上平面铣出两道沟槽，沟槽宽度恰好与u形板下面的位置调节轴承宽度相匹配，限位板在超声冲击前固定在数控机床工作台上；所述工件旋转带动机构包含数控机床的旋转卡盘、一端呈音叉形的z形杆和一端卷成圆环、另一端伸直的长臂；z形杆的一端由旋转卡盘夹持，呈音叉形的另一端伸向卡盘前方；长臂为金属板条，一端弯曲成环状夹持在拉力螺栓靠近旋转卡盘一端且经过保护的螺纹处，固定并防止滑动，另一端沿拉力螺栓径向伸出；恰好插入z形杆的音叉形枝杈内；旋转卡盘带动z形杆旋转，并拨动长臂带动拉力螺栓以同一角速度转动。
所述的一种爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置的工作方法，采用下列步骤：
（a）用数控机床的旋转卡盘夹住经保护的拉力螺栓的一端，用数控机床支撑尾架顶住拉力螺栓的另一端的中心孔，然后将支撑托架放在限位板上，限位板放在拉力螺栓的正下方，调整其在数控机床工作台上的位置，同时调整支撑托架高度，使支撑托架上的四个支撑单元分别支撑在拉力螺栓工作段两端和削弱槽两侧，形成有效支撑；
（b）松开旋转卡盘，并将支撑尾架后移，将限位板沿尾架后移方向移动使拉力螺栓完全从旋转卡盘中移除，此时固定限位板位置于数控机床工作台上，使拉力螺栓的轴线始终与旋转卡盘旋转轴线重合；
（c）先将z形杆无枝杈一端，放入数控机床卡盘内夹紧，然后将长臂圆环端装夹在经保护的拉力螺栓靠近旋转卡盘一端，长臂的长臂端插入z形杆音叉形枝杈内；
（d）超声冲击枪用轨道滑块机构安装在数控机床刀架上，调整数控机床刀架位置使超声冲击针垂直对准拉力螺栓轴线削弱槽处，同时使导向套下端曲面恰好与削弱槽两侧的工作段圆柱面相匹配；
（e）将超声冲击设备振幅调整至20-30μm，旋转卡盘通过旋转带动机构驱动拉力螺栓旋转，使被冲击削弱槽双曲面的旋转线速度为0.8-1.2mm/s；开启超声冲击装置电源，对拉力螺栓削弱槽进行冲击处理，冲击强度按照双曲面最短母线圆周长每单位长度上的冲击时间计，为10-15s/mm为宜。
本发明的有益效果是：这种爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置将超声冲击设备振幅调整至20-30μm，旋转卡盘通过旋转带动机构驱动拉力螺栓旋转，使被冲击削弱槽双曲面的旋转线速度为0.8-1.2mm/s；开启超声冲击装置电源，对拉力螺栓削弱槽进行冲击处理，冲击强度按照双曲面最短母线圆周长每单位长度上的冲击时间计，为10-15s/mm为宜。大量实践证明：被处理的拉力螺栓削弱槽表面光洁，削弱槽形状保持不变；削弱槽底面沿拉力螺栓周向表面硬度、残余应力均匀一致，实现了削弱槽表面均匀一致的表面强化；完全的自动化操作，效率高，工艺重复性好；能够获得其它强化方法难以达到的大于1mm的塑性变形层；加工过程清洁环保，对工件无污染；工艺简单，参数少，易于监控和调节。
附图说明
图1是超声冲击头与拉力螺栓削弱槽相对位置示意图。
图2是爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置示意图。
图3是拉力螺栓模拟试样削弱槽超声冲击处理前后微观硬度分布曲线。
图4是拉力螺栓模拟试样削弱槽超声冲击处理前后拉-拉s-n疲劳曲线。
图中：1、冲击枪外壳，2、砧铁，3、固定螺母，4、导向套，5、回复弹簧，6、冲击针，7、拉力螺栓，7a、拉力螺栓工作段，8、托板，9、u形板，10、滑块，11、高度调节螺杆，12、支撑轴承，13、位置调节轴承，14、限位板，15、数控机床旋转卡盘，16、z形杆，17、长臂。
具体实施方式
图1、2示出了一种爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置的结构图。图中，这种爆破阀拉力螺栓削弱槽表面超声冲击处理装置采用的冲击头由冲击头外壳1、导向套4、回复弹簧5、冲击针6及固定螺母3构成，冲击头与冲击枪本体连接后，冲击针6上端面与砧铁2下端面接触。阶梯圆柱形的导向套4的下端面为与拉力螺栓7直径为d1的工作段圆柱面相配合的曲面，曲面曲率半径r为d1/2，导向套4轴线与下端曲面法向重合。沿导向套4轴线加工的导向孔，深度约为冲击针长度的二分之一，保证冲击针6的轴线始终与导向套4下端曲面法向一致，进而与被处理的拉力螺栓7削弱槽“双曲面母线”圆环法向一致；导向孔的内径与拉力螺栓7削弱槽宽度b取值相同。冲击针6下端突出于导向套4之外，突出于导向套4下端的长度恰好为削弱槽的深度h，突出于导向套4下端的冲击针6的形状与削弱槽形状相匹配，即阶梯圆柱形冲击针6阶梯面以下细圆柱的直径d0为与削弱槽侧壁及导向套4导向孔内径保持滑动配合的最大尺寸，冲击针6的下端面形状为一曲面，该曲面与冲击针过轴线剖面的交线同拉力螺栓削弱槽“双曲面准线”形状相吻合，以保证冲击强化后削弱槽表面形状不变。
在强化处理时，拉力螺栓7由一支撑托架支撑。支撑托架对拉力螺栓7形成有效支撑，防止其弯曲变形，且有利于拉力螺栓7的旋转；在使拉力螺栓7保持水平的同时，高度可自由调节，以适应不同规格的产品；此外支撑托架还能使拉力螺栓在轴向任意移动，以实现冲击针6与削弱槽之间相对位置的自适应调节。如图2所示，支撑托架具体由托板8、u形板9、两块楔形滑块10、高度调节螺杆11、一组支撑轴承12、一组位置调节轴承13组成。托板8上表面为平面，平面长度与拉力螺栓工作段长度相当或略短，宽度约为拉力螺栓螺纹处直径的2-3倍。在托板8上平面沿长中心线分布4个托举拉力螺栓的支撑单元，4个支撑单元分别按支撑拉力螺栓工作段两端和削弱槽两侧的位置分布。每个支撑单元由对称分布在长中心线两侧、且轴线平行于中心线的两个支撑轴承12组成，每个支撑轴承轴线距离中心线的距离略大于轴承半径，具体间距视拉力螺栓7工作段直径而定，以拉力螺栓在两个轴承间隙中旋转时稳定而不滑出为宜；托板8的下部为两个平行于短边的对称斜面，两斜面在托板短边对称面上相交，在两斜面沿斜度方向的中心线处，开设一矩形槽。在托板两斜面的下方分别有一块楔形滑块10，滑块10底部为平面，上部为斜面，斜面斜度与托板8下部斜面相匹配；斜面宽度可比托板略窄，斜面长度以托板在其斜面上滑动保持稳定为宜；在斜面沿斜度方向中心线处加工一矩形凸台，凸台宽度与托板8斜面上的凹槽保持滑动配合的最大尺寸，凸台高度比托板8斜面上的凹槽高度略低；在滑块底平面与滑块对称面交线处也有一矩形凹槽；在凹槽上方、斜面下方一定高度处有一螺纹孔。u型板9的宽度与托板相同或略宽，u型板9底边上表面为一平面，在平面的长中心线处加工一矩形凸台，凸台的宽度为与滑块10底平面的凹槽保持滑动配合的最大尺寸，凸台的高度较滑块10底平面的凹槽保持滑动配合；底边下表面也为一平面，在下平面长边的两端和中点处对称于长中心线安装3对共计6个位置调节轴承13；轴承的轴线垂直于长边。u型板9的两个垂直壁内壁面间距为与托板两个经过短边的垂直面保持滑动配合的最小尺寸，垂直边高度高于托架安装后处于最高位置的托板上平面，直壁的垂直中心线处开有一深槽，槽宽度大于拉力螺栓7的螺纹处直径，槽的底部低于滑块10的螺孔相应位置。高度调节螺杆11其长度大于u形板9两个垂直壁外壁面距离，以螺杆轴线中点为对称点，两侧螺纹方向相反，螺杆11螺纹与滑块10螺纹孔螺纹相匹配。装配时先将高度调节螺杆11两端分别旋入两个滑块10的螺纹孔中，使两滑块在螺杆两侧对称位置，然后将滑块与螺杆安装至带有移动轴承13的u型板9内，使滑块下方凹槽与u型板9底边上的凸台相配合，然后将安装有支撑轴承12的托板8放置在滑块斜面之上，使滑块斜面上的凸台插入托板下部斜面上的凹槽中，并使托板下部两个斜面分别与两块滑块的斜面保持滑动配合。本支撑托架，通过旋转高度调节螺杆11，即可调整托架的支撑高度，以适应不同规格拉力螺栓的支撑需求。
在限位板14上平面铣出两道沟槽，沟槽宽度恰好与u形板8下面的位置调节轴承13宽度相匹配，沟槽位置能够使u形板8下面沿两长边排列的两排位置调节轴承恰好安放在沟槽内。限位板14在超声冲击前固定在数控机床工作台上，使支撑托架在限位板14上的沟槽中沿长度方向能够自由移动，同时限制托架在拉力螺栓7的径向移动，起到使拉力螺栓7径向定位的作用。
拉力螺栓7的旋转依靠旋转带动机构实现，该旋转带动机构在驱动拉力螺栓旋转的同时，不影响拉力螺栓在轴向微量位移。旋转带动机构由数控机床的数控旋转卡盘15、一端呈音叉形的z形杆16和一端卷成圆环另一端伸直的长臂17组成。z形杆16的一端由旋转卡盘15夹持，呈音叉形的另一端伸向卡盘前方。长臂17为宽度、厚度、刚度适当的金属板条，一端弯曲成环状夹持在拉力螺栓靠近旋转卡盘一端且经过保护的螺纹处，固定并防止滑动，另一端沿拉力螺栓径向伸出；恰好插入z形杆16的音叉形枝杈内。旋转卡盘15带动z形杆16旋转，并拨动长臂17带动拉力螺栓以同一角速度转动。
采用上述的技术方案，冲击处理前通过以下步骤安装好拉力螺栓和冲击枪：
第一步：用数控机床旋转卡盘15夹住经保护的拉力螺栓7的一端，用数控机床支撑尾架顶住拉力螺栓7的另一端的中心孔，然后将支撑托架放在限位板14上，限位板14放在拉力螺栓的正下方，调整其在数控机床工作台上的位置，同时调整托架高度，使支撑托架上的四个支撑单元分别支撑在拉力螺栓工作段两端和削弱槽两侧，形成有效支撑。
第二步：松开旋转卡盘15，并将支撑尾架后移，将限位板14沿尾架后移方向移动使拉力螺栓完全从旋转卡盘中移除，此时固定限位板14位置于数控机床工作台上，使拉力螺栓的轴线始终与旋转卡盘旋转轴线重合。
第三步：先将z形杆16无枝杈一端，放入数控机床卡盘内夹紧，然后将长臂17圆环端装夹在经保护的拉力螺栓靠近旋转卡盘一端，长臂17的长臂端插入z形杆16音叉形枝杈内。
第四步：超声冲击枪用轨道滑块机构安装在数控机床刀架上，调整数控机床刀架位置使超声冲击针垂直对准拉力螺栓7轴线削弱槽处，同时使导向套下端曲面恰好与削弱槽两侧的工作段圆柱面相匹配。至此完成冲击前准备工作。
第五步：超声冲击设备振幅调整至20-30μm，旋转卡盘15通过旋转带动机构驱动拉力螺栓旋转，使被冲击削弱槽双曲面“最小母线圆”的旋转线速度为0.8-1.2mm/s。开启超声冲击装置电源，对拉力螺栓削弱槽进行冲击处理，冲击强度按照“双曲面”最短母线圆周长每单位长度上的冲击时间计，为10-15s/mm为宜，强度过小，强化作用不明显，过大会造成削弱槽表面损伤，反而会引起拉力螺栓疲劳性能下降。
实施例
对某型号爆破阀拉力螺栓削弱槽进行了表面强化处理。爆破阀拉力螺栓削弱槽处尺寸如下：爆破阀工作段直径d1为37mm,削弱槽最细处直径d2为20mm,削弱槽深度h为8.5mm,削弱槽宽度b为8mm（尺寸公差为+0.5-+0.2mm），削弱槽底部“双曲面准线”是半径为4mm的半圆形。采用的导向套下端面为与拉力螺栓工作段相匹配的曲率半径r为16.5mm的圆弧面，采用的冲击针下段直径d0为8mm（尺寸公差为+0--0.1mm），略小于削弱槽宽度b，以保证冲击针在削弱槽内可以上下自由运动，冲击针下端面为与削弱槽底部相配合的半径为4mm的半球形。装配后的冲击针突出于导向套之外的长度恰好为削弱槽深度h即8.5mm。按照以上说明书中的操作方法将拉力螺栓夹持、支撑好，冲击枪的振幅设定为30μm，卡盘带动拉力螺栓旋转速度为0.875r/min,换算成拉力螺栓削弱槽“双曲面最短母线”的旋转线速度为0.92mm/s,处理强度为13.6s/mm,该削弱槽总计处理时间为14.3min。.
采用模拟试样对以上超声冲击强化效果进行表征，模拟试样削弱槽底部形状与以上型号爆破阀拉力螺栓削弱槽完全相同，即削弱槽底部“双曲面准线”是半径为4mm的半圆形，但削弱槽“双曲面最短母线”圆直径d2由实际拉力螺栓的20mm减小到14mm，以适应疲劳试验机的拉力范围，工作段直径d1由实际拉力螺栓的37mm减小到22mm，以适应疲劳试验机夹持机构的夹持和使用xrd法对削弱槽底部表面残余应力的检测。采用与该模拟试样相适应的冲击针和导向套，并使用与上述拉力螺栓相同的超声处理工艺参数对模拟试样进行冲击处理，即冲击枪振幅为30μm，削弱槽“双曲面最短母线”圆的旋转线速度为0.92mm/s,处理强度为13.6s/mm。对模拟试样冲击处理前后削弱槽表面特征和性能进行表征和对比，结果表明，处理前粗糙度ra=3.862μm，处理后ra=0.520μm，粗糙度降低了86.5%。处理前削弱槽底部表面显微硬度hv0.1n=300，处理后hv0.1n=395，提高了31.7%，硬化程度由表面向内部逐渐降低，形变硬化层深度可达1200μm（如图3所示）。处理前削弱槽底部表面存在95mpa的残余拉应力，处理后转变为756mpa的残余压应力。对该模拟试样在mtslandmark370.25型液压伺服疲劳机上进行常温拉-拉疲劳寿命测试，选定不同水平的最大应力值分别加载，选择应力比r=0.3，频率f=15hz，获得表征应力幅和应力循环周次关系的疲劳s-n曲线（如图4所示）。由该疲劳试验结果可知，未经过冲击强化处理的试样疲劳极限是227mpa，而经过冲击强化后疲劳极限则为252mpa，提升了11%。当循环应力幅为255mpa时，经过超声冲击后的试样的疲劳寿命维持在106周次左右，而未经冲击强化的试样疲劳寿命仅有105，即同等应力幅值下，疲劳寿命提高了10倍。
采用以上工艺，已经对实际生产的六种型号爆破阀拉力螺栓进行了强化处理，取得很好的效果。