一种内孔表面的可调反射式超声喷丸强化装置的制作方法

本发明涉及零件表面强化设备技术领域，具体涉及一种内孔表面的反射式超声喷丸强化装置。

背景技术：

航空发动机盘轴类零件包括：涡轮盘、压气机叶盘、轴承、齿轮盘等，在发动机运行过程中通常需要承受高周疲劳载荷。为提高此类零件的抗疲劳强度，一般采用表面强化工艺进行强化处理。

喷丸强化是本领域中最为常见的表面强化工艺，传统的喷丸设备主要有两种气动式喷丸机和离心式抛丸机，气动式喷丸机是由空气压缩机供给压缩空气，压缩空气通过喷枪时造成负压将喷丸吸入并高速喷出喷嘴，形成喷丸流喷射到零件表面。离心式喷丸机是通过叶轮的离心力将丸粒甩到金属表面，利用钢丸对金属表面的冲击作用使零件表面硬化。但是无论是气动式喷丸机和离心式抛丸机均存在着以下问题：

1.喷丸使用量大，喷丸通常采用切丝、石英砂、铸钢丸等易于加工获得的材料，而这种喷丸的表面质量无法保证，喷丸时易损伤零件表面，使零件的粗糙度增大，此外，传统的喷丸设备只能针对零件的大面积处进行强化，对零件的内孔孔壁的强化效果较差。

2.传统的喷丸设备工作过程中，由于喷丸的冲击速度较大(一般可达20-100m/s)，大量喷丸的高速碰撞摩擦零件表面，会在工作区域产生大量粉尘和噪声，污染工作环境。

3.传统的喷丸设备通常使用空气压缩设备或者旋转离心设备，设备体积大，功率大，能耗高，不利于节能减排。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种内孔表面的反射式超声喷丸强化装置，用以解决现有的抛丸机存在喷丸用量大、环境污染大、能耗高、占用空间和对零件内孔强化效果差的问题。

为实现上述目的，本发明方提供一种内孔表面的可调反射式超声喷丸强化装置，所述超声喷丸强化装置包括反射组件、工作台和超声振动头，所述工作台上设置有定位孔，具有贯穿孔的待加工零件通过固定件固定在所述工作台上，所述待加工零件的贯穿孔与定位孔对应，以使所述超声振动头穿过定位孔后从贯穿孔的下端口进入贯穿孔并与贯穿孔间隙配合，所述反射组件包括凸件、支撑盖和调节螺杆，所述支撑盖固定在所述待加工零件的上方并将贯穿孔的上端口封堵，支撑盖、待加工零件以及超声振动头三者围成一个封闭的腔体，所述支撑盖上设置有内部具有螺纹的调节孔，所述调节螺杆安装在所述调节孔中并与调节孔螺纹配合，所述凸件位于腔体内并与所述调节螺杆的前端连接，所述凸件的下端向下凸起。

优选的，所述凸件的材质为高硬度合金钢，所述凸件的下端呈圆柱体，所述凸件的下端呈倒置的圆锥体、棱锥体或圆台体，所述凸件下端的锥度为45°。

优选的，所述定位孔和贯穿孔均为圆形孔。

优选的，所述喷丸的直径不小于0.5mm。

优选的，所述定位孔与超声振动头壳体之间的间隙小于0.5mm。

优选的，所述待加工零件的贯穿孔的孔径大于超声振动头壳体的外径，所述贯穿孔与超声振动头壳体之间的间隙小于0.5mm。

优选的，所述超声振动头的振幅范围为10-120μm，所述超声振动头的振动频率为20khz±500hz。

本发明具有如下优点：本发明的内孔表面的超声喷丸强化装置具有耗能小、节省空间、环境污染低、喷丸用量少以及对零件内孔面的强化效果好的优点。

附图说明

图1为本发明内孔表面的超声喷丸强化装置分解状态下的结构示意图。

图2为本发明反射组件分解状态下的结构示意图。

图3为本发明实施例1中内孔表面的超声喷丸强化装置的侧视剖面结构示意图。

图4为本发明实施例2中内孔表面的超声喷丸强化装置的侧视剖面结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图2和3所示，该内孔表面的超声喷丸强化装置包括反射组件2、工作台3和超声振动头1，待加工零件5上具有贯穿孔，工作台3上设置有定位孔，超声振动头1由机械手臂夹持活动安装在定位孔中，机械手臂夹持着超声振动头1可沿着定位孔的轴线方向上下运动，通过控制机械手臂可改变超声振动头1进入贯穿孔的深度。超声振动头1通过变幅杆9与换能器10连接，换能器10与超声波发生器电连接，超声波发生器通电后产生15-40khz的高频电振荡信号发送给换能器10，换能器10将接收到的电振荡信号转换为高频机械振动，变幅杆9将换能器10输出端的高频机械振动的振动幅值放大后传递给超声振动头1，超声振动头1输出端的振动幅值约在50-120μm，超声振动头1的振动频率为20khz±500hz。工作台3为板状结构，待加工零件5通过固定件11固定在工作台3上，待加工零件5的贯穿孔与定位孔相对应，使超声振动头1穿过定位孔后可从贯穿孔的下端口进入贯穿孔内并与贯穿孔间隙配合，定位孔和贯穿孔均为圆形孔，定位孔与超声振动头1壳体之间的间隙小于0.5mm，待加工零件5的贯穿孔的孔径大于超声振动头1壳体的外径，贯穿孔与超声振动头1壳体之间的间隙小于0.5mm。反射组件2包括凸件7、支撑盖6和调节螺杆8，支撑盖6固定在待加工零件5的上方并将贯穿孔的上端口封堵，支撑盖6、待加工零件5以及超声振动头1三者围成一个封闭的腔体，支撑盖6上设置有内部具有螺纹的调节孔，调节螺杆8安装在调节孔中并与调节孔螺纹配合，凸件7位于腔体内，凸件7的上端设置有螺纹孔，调节螺杆8的前端与凸件7的上端螺纹连接，凸件7的下端向下凸起，凸件7的下端在本实施例中为倒置的圆锥体，凸件7的材质为高硬度合金钢，喷丸4强化的效果取决于残余压应力的大小和硬化层深度的大小，而硬化层深度公式：

其中，d为喷丸直径，v为喷丸速度，α为入射角度，k为修正系数，h为材料冲击硬度。从公式中可以看出来：硬化层深度与入射角α的正弦成正比，当sinα＝1时是最大值，此时α＝90°，因此一般采用垂直于强化面进行喷射，来提高喷丸的强化效果，即使在无法实现垂直于强化面进行喷射，其喷射角最好大于45°，以便能够将喷丸的能量充分传递到贯穿孔的孔壁，在本实施例中，圆锥体的锥度优选为45°。当扭动调节螺杆8时，凸件7会跟随调节螺杆8一同运动，实现凸件7的上下运动。多数喷丸4在被超声振动头1激励后，以接近垂直于超声振动头1上表面的方向向上运动，喷丸4撞击凸件7的锥面后被反射出去，改变了运动方向，以接近垂直的角度撞击贯穿孔的孔壁，实现对贯穿孔孔壁的强化。此外，由于腔体较小，因此只需放入少量喷丸4，喷丸4的直径不小于0.5mm，在本实施例中，喷丸4的直径大于传统喷丸4的直径，质量也大于传统喷丸4，喷丸4可选择精密加工的喷丸，通常可选用精密抛光的铸钢丸，高强度的钨钢丸，陶瓷丸等，对喷丸4进行精密筛选，防止缺陷喷丸4冲击材料表面产生损伤，因此超声喷丸强化的零件其表面粗糙度更小，适用于对表面精度要求较高的零件。

如图1所示，内孔表面的超声喷丸强化装置的工作原理：根据零件贯穿孔的尺寸选择合适尺寸的超声振动头1，向腔体内放入若干喷丸4，将支撑盖6固定在待加工零件5的上方，给超声波发生器供电，超声波发生器产生15-40khz的高频电振荡信号发送给换能器10，换能器10将接收到的电振荡信号转换为高频机械振动，变幅杆9将换能器10输出端的高频机械振动的振动幅值放大后传递给超声振动头1，喷丸4在超声振动头1的冲击下，喷丸4以较低的速度(一般在10m/s以内)向上运动，靠近贯穿孔孔壁的部分喷丸4在向上运动的过程中直接撞击贯穿孔的孔壁，多数喷丸4在被超声振动头1激励后，以接近垂直于超声振动头1上表面的方向向上运动，喷丸4撞击凸件7的锥面后被反射出去，改变了运动方向，以接近垂直的角度撞击待加工零件5贯穿孔的孔壁，同时，通过扭动调节螺杆8来调节凸件7的高度，使喷丸4撞击在贯穿孔孔壁的不同位置，实现对贯穿孔孔壁的强化。由于喷丸4冲击速度小，喷丸4的质量高，且超声喷丸强化装置工作过程中喷丸4都被包围在喷丸腔室内，不会产生粉尘和噪音污染，此外，超声喷丸设备小，功耗低，无需复杂的弹丸回收传送设备，因此，其体积大大减小，可在较小的工作场所内即可实施。

实施例2

如图4所示，该内孔表面的超声喷丸强化装置包括反射组件2、工作台3和超声振动头1，本实施例与实施例1的不同之处在于本实施例中凸件7的下端在本实施例中为倒置的圆台体，圆台体的锥度优选为45°。本实施例的中凸件7也可将喷丸4反射出去撞击贯穿孔的孔壁。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。