一种用于处理棱边的超声冲击针的制作方法

1.本实用新型涉及超声冲击机配件技术领域，更具体地说，涉及一种用于处理棱边的超声冲击针，可应用于航空航天、海洋工程、汽车工业、石化、桥梁船舶等领域中的金属部件受疲劳载荷的棱边的超声冲击处理。


背景技术：

2.超声冲击处理作为一种高效、便捷、节能的延寿新技术，近年来正越来越广泛地应用于于航空航天、海洋工程、工程机械、汽车工业、石化、桥梁船舶、金属3d打印等领域，用于延长各种焊接结构的疲劳寿命、消除残余应力以及提高抗应力腐蚀性能等。
3.超声冲击处理工艺基本上是针对焊缝的，还有少数情况针对母材，例如齿轮根部等，未有专门针对金属工件棱边进行超声冲击处理的情况。因为金属工件棱边部分属于母材，一般母材的疲劳性能要好于焊缝金属，这导致棱边的疲劳性能一般不受重视。然而棱边作为两个金属平面的交界处，属于形状突变区域，存在很大的应力集中现象。另外一些板材部件的棱边正好是火焰切割后形成的，这种情况下棱边区域属于热影响区，其疲劳性能很差。结构设计时虽然会避免让棱边承受主应力疲劳载荷，但是很多情况下棱边多少还是会承受一些中低应力水平的疲劳载荷，这就会使棱边发生高周或超高周的疲劳。事实上一些母材结构部件比如汽车腹板、飞机起落架上的上位锁支臂等，其棱边会发生疲劳开裂的现象。以商务用车的汽车腹板部件为例，为解决棱边疲劳开裂的问题，增加了棱边打磨和抛光工艺，不但费时费力，打磨、抛光或者倒角并不能彻底解决棱边的高周或超高周疲劳问题，这是因为上述工艺方法基本无法改变棱边区域的应力环境。要解决棱边区域的问题，就需要在棱边区域引入较大的压缩残余应力，改善其应力环境，能极大的延缓微观裂纹的萌生，从而大幅提高其疲劳性能。
4.超声冲击处理工艺延寿的主要机理之一就是在处理区域产生较深的、数值很大的压缩残余应力。现有的超声冲击设备，其所用超声冲击针末端形状基本为圆头为主，如国标gbt 33163-2016《金属材料残余应力超声冲击处理法》中附录图6.6所示超声冲击针以及中国专利“一种两级变径超声冲击针及基于其的套件”(申请号为2020201399058，申请日为2020年1月21日)的“两级变径超声冲击针”。这两种超声冲击针的末端形状基本为圆头(即超声冲击针与待加工工件作用的部位)，根本无法在棱边上着力，只适合处理焊趾或者平面。中国专利“扁平冲击针”(申请号为200620087845x，申请日为2006年8月16日)公开了一种扁平的超声冲击针，其末端是一个矩形平面，虽然可以在棱边上着力，但是冲击时冲击针容易滑离棱边，并且在棱边上会处理出矩形连续叠加的痕迹，棱边呈加宽锯齿状，这种外形是不允许的。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于处理棱边的超声冲击针，能够针对工件的棱边进行有效的超声冲击。
6.本实用新型的技术目的通过下述技术方案予以实现。
7.一种用于处理棱边的超声冲击针，包括针头、针体平台、圆柱体和圆锥底部，其中：针头设置在针体平台的顶端，针体平台的底端通过过渡部和圆柱体相连，在圆柱体和圆锥底部相连；
8.沿垂直于针体平台的方向，针头的投影为向内凹陷的圆弧线，包括位于中央的内凹圆弧段和位于两侧的第一外凸圆弧过渡段、第二外凸圆弧过渡段；沿平行于针体平台且垂直于冲击针轴线方向，针头的投影为凸起圆弧线。
9.内凹圆弧段的半径取值范围为2—100mm。
10.第一外凸圆弧过渡段的半径取值范围为0.5—10mm。
11.第二外凸圆弧过渡段的半径取值范围为0.5—10mm。
12.针体平台与圆柱体之间的过渡部为圆弧或者斜坡，采用圆弧过渡，过渡部的半径取值范围为2mm～30mm；采用斜坡过渡，过渡部和平台形成的钝角取值范围为100
°
～160
°
。
13.凸起圆弧线半径的取值范围为1—50mm。
14.利用本实用新型的超声冲击针的超声冲击枪，将本实用新型的超声冲击针置于超声冲击枪前端，与针套、变幅杆、换能器等进行组装，形成处理棱边的超声冲击枪。
15.使用本实用新型的超声冲击针进行工件棱边的超声冲击处理，能够针对工件的棱边进行有效的超声冲击，在改善棱边应力的同时，冲击针不会划伤工件，使得处理后的棱边更加光滑，整体更加美观。
附图说明
16.图1是本实用新型的超声冲击针的结构示意图(1)。
17.图2是本实用新型的超声冲击针的结构示意图(2)。
18.图3是本实用新型的超声冲击针的结构示意图(3)。
19.其中，1为针头，1-1为内凹圆弧段，1-2为第一外凸圆弧过渡段，1-3为第二外凸圆弧过渡段，2为针体平台，3为过渡部，4为圆柱体，5为圆锥底部，6为凸起圆弧线，r为内凹圆弧段的半径，r为外凸圆弧过渡段(即第一外凸圆弧过渡段、第二外凸圆弧过渡段)的半径，r1为凸起圆弧线的半径，r2为圆弧过渡的半径。
20.图4是使用本实用新型的超声冲击针进行棱边处理的示意图。
21.图5是本实用新型实施例中使用本实用新型的超声冲击针进行棱边处理的试样结构示意图。
22.图6是本实用新型实施例中铝合金板材拉伸疲劳试验示意图。
23.图7是本实用新型实施例中铝合金板材拉伸疲劳试验的sn曲线图。
具体实施方式
24.以下结合具体实施例子和附图对本实用新型的技术方案作进一步详细描述。
25.如附图1所示，本实用新型的超声冲击针，包括针头1、针体平台2、圆柱体4和圆锥底部5，其中：针头设置在针体平台的顶端，针体平台的底端通过过渡部3和圆柱体相连，在圆柱体和圆锥底部相连；
26.如附图2所示，沿垂直于针体平台的方向，针头的投影为向内凹陷的圆弧线，包括
位于中央的内凹圆弧段1-1和位于两侧的外凸圆弧过渡段，即第一外凸圆弧过渡段1-2、第二外凸圆弧过渡段1-3和内凹圆弧段1-1相互连接成一整体的圆弧线，从垂直于针体平台的方向来看，这一整体的圆弧线向针体平台内凹陷，形成向内凹陷的圆弧线。在进行冲击时，棱边一般会位于向内凹陷的圆弧线的底部区域(即位于中央的内凹圆弧段1-1的区域)，两侧高出待加工棱边的圆弧部分对冲击针有限位作用，这样冲击针就不易滑离棱边，保持对棱边加工的持续性；相比于尖锐过渡，外凸圆弧过渡段不会划伤工件。
27.内凹圆弧段1-1的半径r取值范围为2—100mm；外凸圆弧过渡段的半径r取值范围为0.5—10mm(即第一外凸圆弧过渡段1-2的半径r取值范围为0.5—10mm、第二外凸圆弧过渡段1-3的半径r取值范围为0.5—10mm)。
28.针体平台2由圆柱物料，在其两侧加工出一段对称且平行的平台而成，剩余未加工平台的部分形成圆柱体4。
29.针体平台与圆柱体之间的过渡部13为圆弧或者斜坡，采用圆弧过渡，过渡部13的半径r2取值范围为2mm～30mm，以平行于图1所示的针体平台2的方向进行观察，得到图3，其显示过渡部半径r2；采用斜坡过渡，过渡部13和平台形成的钝角取值范围为100
°
～160
°
。
30.如附图3所示，沿平行于针体平台2且垂直于冲击针轴线方向，针头1的投影为凸起圆弧线，即图1所示的第一外凸圆弧过渡段1-2、第二外凸圆弧过渡段1-3，在图3所示的方向上呈现出凸起圆弧线，冲击针沿棱边线方向移动时，不论棱边轮廓线是平直、内凹还是外凸，针头上的两个凸起圆弧线(针头)部分对棱线未冲击部分有横向挤压冲击作用，使得冲击针移动更容易，也使得处理后的棱边更光滑，避免对工件或者棱边的划伤。凸起圆弧线半径r1的取值范围为1—50mm。
31.将本实用新型的超声冲击针置于超声冲击枪前端，与针套、变幅杆、换能器等进行组装，形成处理棱边的超声冲击枪。使用本实用新型的超声冲击针处理2024-t351铝合金板材拉伸疲劳试件，如附图5—6所示。试件分两组，每组5件，一组做超声冲击处理，另一组不做处理。做超声冲击处理的试件其试验段的4条棱边采用本实用新型的超声冲击针处理，处理后尖锐的棱边变成圆角过渡；未处理的试件其4条棱边较为尖锐。试件疲劳断裂后检查其裂纹都是在棱边最尖锐的地方萌生。采用本实用新型的棱边处理超声冲击针对试验段4条棱边进行超声冲击处理，所用处理棱边的超声冲击针其针体直径为6mm，内凹圆弧段半径r＝4mm，外凸圆弧过渡段半径r＝1mm，圆弧线半径r1＝2.5mm，过渡部的半径r2＝1.5mm，超声冲击处理时使用的超声波振幅为25μm，每条棱边处理3遍。冲击后的4条尖锐棱边消失，变成圆弧状外形，如附图4所示，左侧为处理前的工件和冲击针，右侧为处理后的工件和冲击针。
32.采用中机试验装备股份有限公司的gsp200高频试验机对两组试件分别进行疲劳试验，应力比r＝0.1，试验结果列于表1及表2，sn曲线图详见附图7。
33.表1未处理试件疲劳性能(r＝0.1)
34.[0035][0036]
表2超声冲击处理棱边试件疲劳性能(r＝0.1)
[0037]
编号应力范围δσ(mpa)循环次数n(
×
106/cycle)断裂位置12700.475试验段22500.510试验段32301.371试验段42102.679试验段51904.032试验段
[0038]
由表1和表2可以发现，使用超声冲击处理过棱边的试件，其疲劳寿命比未处理试件大幅度延长。对试件的裂纹源进行检查，发现两组试件的疲劳裂纹都位于在棱边区域，未处理的试件其裂纹源位于棱边最尖锐处，超声冲击处理的试件其疲劳裂纹位于棱边圆角过渡处。对处理区域进行残余应力测量，其压缩残余应力最大-642mpa，最小也有-384mpa。拉伸疲劳试验结果，使用棱边处理超声冲击针处理过的试件其疲劳寿命比未处理过的试件延长4-10倍。由此可知使用本实用新型的超声冲击针进行工件棱边的超声冲击处理，在改善棱边应力的同时，冲击针不会划伤工件，使得处理后的棱边更加光滑，整体更加美观。
[0039]
以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。