一种超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统及使用方法与流程

本发明涉及喷丸加工领域，特别是涉及一种超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统及使用方法。

背景技术：

目前，超声喷丸加工方法广泛用于工件各种表面处理工艺中，能够显著降低工件表面的残余应力，提高工件的疲劳强度，并助于形成用于高强度连接或润滑的连接的凸凹结合面。但是由于超声喷丸加工实现原理的限制，造成喷丸的速度、加工区域精密控制以及加工的均匀度难以控制，超声喷丸加工形成通常如图1所示表面，难以将工件表面加工出较大凹面，相对较大的凹面更加助于提高工件表面的抗疲劳强度，直径相对较大的介质，介质的加工速度较低，难以加工出较大凹面，不利于喷丸作业，且表面处理不够均匀，凹面与凸面连接处会存在锐角。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种喷丸速度高、表面处理均匀的超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统，包括工件装夹机构、工作台以及设置在工作台上的第一连接件、第一振动变幅杆、混合器、喷丸填充装置、喷气机构、驱动机构、控制系统；所述第一振动变幅杆一端嵌入第一连接件内，另一端设置有用于反弹喷丸的端面，所述第一振动变幅杆安装有一对位置相对的第一压电致动器，两个所述第一压电致动器沿垂直于第一振动变幅杆的轴线的方向间隔设置，所述第一压电致动器与超声波发生器连接；所述喷气机构用于将压缩气体冲入混合器；所述喷丸填充装置用于将喷丸送入混合器内；所述混合器位于第一振动变幅杆上方，用于将压缩气体与喷丸混合，将喷丸喷向第一振动变幅杆的端面，喷丸经过端面反弹加速加速后对下方的工件进行加工；所述工件装夹机构包括第二连接件、第二振动变幅杆，所述第二振动变幅杆嵌装在第二连接件内，所述第二振动变幅杆一端嵌入第二连接件，另一端安装有工件，所述第二振动变幅杆安装有第二压电致动器，并能产生轴向-弯曲-扭转耦合振动，所述第二压电致动器与超声波发生器连接；所述驱动机构用于驱动工件进给，第二连接件安装在驱动机构上；所述控制系统与喷气机构、超声波发生器、驱动机构连接以控制其工作。

进一步，所述第二连接件设置有截面为多边形的第一内腔；所述第二振动变幅杆插装在第一内腔中；所述第二振动变幅杆包括按顺序依次设置的第一配合定位段、第一致动器安装段、第三连接件安装段、第二致动器安装段、第四连接件安装段以及工件安装段，所述第二压电致动器包括一对第三压电致动器和一对第四压电致动器；所述第一配合定位段和工件安装段位于第二振动变幅杆两端，所述第一配合定位段与第一内腔底部配合相连，所述工件安装段用于安装工件；所述第三压电致动器设置有两个且位置相对地安装在第一致动器安装段上，所述第三连接件安装段与第一内腔内壁之间安装有第三连接件以传递扭矩；所述第四压电致动器设置有两个且位置相对地安装在第二致动器安装段，两个所述第三压电致动器与两个第四压电致动器十字交叉设置；所述第四连接件安装段设置有第一凹槽，所述第一凹槽与第一内腔内壁之间安装有第四连接件，所述第四连接件与第二连接件固定连接，所述第四连接件截面的外圈为与第一内腔匹配的多边形，所述第四连接件截面内圈为圆形，所述第四连接件安装段设置有绕轴线均匀分布且斜向设置的凹槽孔。

进一步，所述第一连接件设置有第二内腔；所述第一振动变幅杆插装在第二内腔中；所述第一振动变幅杆包括按顺序依次设置的第二配合定位段、第五连接件安装段、第三致动器安装段、第六连接件安装段以及喷丸作用段；所述第二配合定位段和喷丸作用段位于第一振动变幅杆两端，所述第二配合定位段与第二内腔底部配合相连，所述喷丸作用段外端面用于反弹喷丸；所述第五连接件安装段与第二内腔内壁之间安装有第五连接件；所述第一压电致动器安装在第三致动器安装段；所述第六连接件安装段设置有第二凹槽，所述第二凹槽与第二内腔内壁之间安装有第六连接件，所述第六连接件与第一连接件固定连接。

进一步，还包括喷丸回收机构以及喷丸运送机构，所述喷丸回收机构用于收集被混合器喷出并对工件加工过的喷丸，所述喷丸运送机构与喷丸回收机构连接并能将喷丸回收机构收集的喷丸重新送入喷丸填充装置。

进一步，所述第二内腔底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第四垫片，所述第四垫片外端设置有圆锥形凹槽，所述第二配合定位段与圆锥形凹槽匹配并插入安装在圆锥形凹槽内。

进一步，所述混合器包括气道和喷丸加入道，所述气道朝第一振动变幅杆的外端端面设置，所述喷丸加入道末端与气道中部连通，所述喷气机构用于将压缩气体冲入气道，所述喷丸填充装置用于将喷丸送入喷丸加入道。

进一步，所述气道与水平方向的夹角为第一角度，所述气道与喷丸加入道的夹角为第二角度，第一角度为15°至30°，第二角度为30°至45°。

进一步，还包括导向筒，所述导向筒呈锥形，所述导向筒设置在工件与喷丸作用段之间的喷丸路径上。

本发明还提供一种基于上述超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将工件安装在工作台的工件装夹机构；

步骤二，同时开启喷气机构和喷丸填充装置，高压气体混合着喷丸从混合器喷出至第一振动变幅杆末端的端面上的以第一振动变幅杆轴心为圆心的圆形区域内，同时开启相应的超声波发生器，第一振动变幅杆在第一压电致动器提供的超声频电能激励下，实现轴向振动，第二振动变幅杆在第二压电致动器的作用下，实现轴向-弯曲-扭转耦合振动并将该振动传递至工件，喷丸经过第一振动变幅杆的反弹和振动加速后对工件表面进行加工；

步骤三，在控制系统的控制和驱动机构的驱动下，工件根据待加工面的轮廓进行均匀运动，实现了加工面的均匀加工；

步骤四，待工件的加工面全部加工完后，停止系统运作。

进一步，所述步骤三和步骤四中间，为了表面加工更加均匀，在工件与第一振动变幅杆之间的喷丸反弹路径上设置有导向筒，待喷丸对工件进行了一次加工后，使导向筒出口与工件待加工面相贴以使喷丸碰撞工件后停留在导向筒内，后续的喷丸的作用力会传递至贴在工件表面的喷丸并最终作用在工件表面以实现对工件表面较小作用力的均匀加工。

本发明的有益效果是：本发明利用压电致动发生器使得第一振动变幅杆产生轴向振动，轴向振动对喷丸进行加速反弹，实现较大直径的工作介质的高速超声喷丸加工；在第二振动变幅杆的作用下，工件能够发生轴向-弯曲-扭转耦合振动，使得工件各种型面与喷丸以各种角度接触，表面处理更加均匀，并能避免凹面与凸面连接处的锐角。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是超声振动喷丸加工表面形貌的地势测绘图；

图2是超声喷丸速度矢量图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是第一振动变幅杆的结构示意图；

图5是第五连接件、第一压电致动器和第一卡簧的连接结构局部示意图；

图6是第二连接件与第二振动变幅杆的连接结构示意图；

图7是第二振动变幅杆扭转非谐振振动产生原理示意图；

图8是第二连接件、第三连接件和第二振动变幅杆的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图3，本发明的一种超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统，包括工件装夹机构8、工作台9以及设置在工作台9上的第一连接件1、第一振动变幅杆2、混合器3、喷丸填充装置4、喷气机构5、驱动机构91、控制系统；所述第一振动变幅杆2一端嵌入第一连接件1内，另一端设置有用于反弹喷丸的端面，所述第一振动变幅杆2安装有一对位置相对的第一压电致动器6，两个所述第一压电致动器6沿垂直于第一振动变幅杆2的轴线的方向间隔设置，所述第一压电致动器6与超声波发生器连接；所述喷气机构5用于将压缩气体冲入混合器3；所述喷丸填充装置4用于将喷丸送入混合器3内；所述混合器3位于第一振动变幅杆2上方，用于将压缩气体与喷丸混合，将喷丸喷向第一振动变幅杆2的端面，喷丸经过端面反弹加速加速后对下方的工件进行加工；所述工件装夹机构8包括第二连接件81、第二振动变幅杆82，所述第二振动变幅杆82嵌装在第二连接件81内，所述第二振动变幅杆82一端嵌入第二连接件81，另一端安装有工件8261，所述第二振动变幅杆82安装有第二压电致动器，并能产生轴向-弯曲-扭转耦合振动，所述第二压电致动器与超声波发生器连接；所述驱动机构91用于驱动工件进给，第二连接件82安装在驱动机构91上；所述控制系统与喷气机构5、超声波发生器、驱动机构91连接以控制其工作。

为了能回收并重复使用喷丸，本系统还包括喷丸回收机构41以及喷丸运送机构42，喷丸运送机构42与喷丸回收机构41、喷丸填充装置4连接并设置在两者中间。所述喷丸回收机构41用于收集被混合器3喷出并对工件8加工过的喷丸，所述喷丸运送机构42与喷丸回收机构41连接并能将喷丸回收机构41收集的喷丸重新送入喷丸填充装置4。为了防止喷丸加工后分散过于散乱，难以收集，优选地，第一振动变幅杆2的喷丸作用段26、混合器3以及工件8均处于一个密闭空间内，喷丸回收机构41设置在密闭空间底部，当然工作台9也可以设置在密闭空间内。喷丸回收机构41和喷丸运送机构42在喷丸加工领域属于常用技术，如专利cn201320804805.2，就公开了一种数控喷丸机的弹丸循环回收装置，而喷丸填充装置4仅仅是一个喷丸入料机构，例如喷丸填充装置4具体可以是一个料斗，料斗底部设置一个阀门，料斗底部与喷丸加入道32连通，喷丸可以从料斗掉落进入混合器3，喷丸运送机构42将喷丸输送至料斗内，阀门可以是手动阀门或是电磁阀，电磁阀可以与控制系统连接，即可实现喷丸的自动填充控制，当然喷丸入料机构在喷丸加工领域属于常见的现有技术，可以根据需要进行相应的选择，这里不做限制。另外驱动机构91也可以有多种形式，加工简单的回转体零件时，如锥形齿轮、阶梯轴等零件，驱动机构91可以为电机，电机固定在工作台9上，输出轴竖直向上设置，输出轴通过联轴器或其他中间连接结构与第二连接件81连接，电机带动第二连接件81和第二振动变幅杆82转动并带动安装在第二振动变幅杆82上的锥形齿轮或阶梯轴绕其轴线均匀转动，即可实现锥形面或圆柱面的均匀加工，若还需要工件上下移动以调整加工位置，还可以叠加设置升降驱动机构来调节工件位置。当然为了可以加工更多地种类的工件，驱动机构91可以是机床加工中心的多轴联动的驱动结构，多轴联动的形式在机床领域已经属于成熟的现有技术，可选择的种类多样，这里不做具体限制。

第一连接件1材质为高锰钢，第一连接件1位于工作台9上方，与工作台9位置固定，可直接与工作台9固定连接，或通过中间结构固定连接。

所述第一连接件1设置有第二内腔11，第二内腔11沿其外圈轴线延伸。第一振动变幅杆2插装在第二内腔11内，其轴线与第一连接件1外圈或第二内腔11的轴线重合。第二内腔11的截面可以是圆形或者对边形，为了第一振动变幅杆2不随意转动，本实施的第二内腔11的截面为多边形，用于传递和承受扭转力矩，优选地，第二内腔11截面为正六边形，当外界条件一定时可以保持其刚性最大。

所述第一振动变幅杆2的材料采用钛合金，工作频率内材料损耗少，抗疲劳强度高，声阻抗率小，可以承受较大的振动速度和位移振幅。阶梯形状的第一振动变幅杆2在截面突变处有很大的应力集中，接近突变处容易发生因疲劳而断裂的问题，故在突变处采用高斯曲线及圆弧、锥线过渡，能够降低应力集中值。

如图3和图4所示，第一振动变幅杆2包括按顺序依次设置的第二配合定位段21、第二连接段22、第五连接件安装段23、第三致动器安装段24、第六连接件安装段25以及喷丸作用段26。第二连接段22、第五连接件安装段23、第三致动器安装段24、第六连接件安装段25均呈圆柱状。所述第二配合定位段21和喷丸作用段26位于第一振动变幅杆2两端，喷丸作用段26用于反弹和加速喷丸。所述第二配合定位段21与第二内腔11底部配合相连，优选地，所述第二内腔11底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第四垫片12，所述第四垫片12外端设置有圆锥形凹槽，所述第二配合定位段21为圆锥体且与圆锥形凹槽匹配，圆锥的锥度为1:12，第二配合定位段21插入安装在圆锥形凹槽内，第二配合定位段21和第四垫片12用于传递和承受轴向载荷，第四垫片12材料为玻璃纤维与pet按照夹心层结构复合而成，中间为pet，内外为玻璃纤维。

所述第五连接件安装段23与第二内腔11内壁之间安装有第五连接件231，第五连接件231内圈可以是圆形或其他形状，本实施例中，为了第五连接件231可以传递扭矩，优选地，采用多面体连接来传递扭矩，所述第五连接件231截面的外圈为与第二内腔11匹配的多边形，所述第五连接件231截面内圈和第五连接件安装段23截面为相互匹配的多边形，截面为非圆形，可传递扭矩。所述第五连接件231与第一连接件1固定连接，优选地，所述第五连接件231截面内圈和第五连接件安装段23截面为正八边形，第五连接件231的截面外圈为正六边形。进一步，第五连接件231和第一连接件1的连接方式优选为，所述第五连接件231与第一连接件1设置有相应的螺栓孔以通过螺栓连接固定并预紧，螺栓具体设置有三个，第五连接件231的螺栓孔为盲孔，所述第五连接件231与第五连接件安装段23之间安装有适配的第二垫圈。第二垫圈截面为正八边形，其由玻璃纤维与pet按照夹心层结构复合而成，中间为pet，内外为玻璃纤维，具有高弹性模量且具有一定的润滑作用，在第一振动变幅杆反复扭转的过程中，不易产生疲劳破坏。第五连接件安装段23的轴径较第二连接段22少0.1-0.2mm。

第三致动器安装段24轴径约为第五连接件安装段23的2/3，第一压电致动器6安装在第三致动器安装段24，第一压电致动器6用于实现第一振动变幅杆的轴向谐振的振动。优选地，所述第五连接件安装段23和第三致动器安装段24组成一个阶梯轴，第二连接段22到第三致动器安装段24直径依次减小，第三致动器安装段24在径向上间隔设置有一对用于安装第一压电致动器6并与之匹配的安装凹槽。如图5所示，第一压电致动器6安装入安装凹槽后，其外圈设置有第一卡簧61夹紧固定，所述第一卡簧61靠近第五连接件安装段23的外周设置有台阶，所述台阶面呈正六面体并与第五连接件安装段23组成能匹配安装第五连接件231的第四凹槽，这样第五连接件231有一部分安装在第一卡簧61的台阶上，相当于对第一卡簧61有夹紧固定的作用，使得第一压电致动器6固定更加稳固，而第一卡簧61的台阶又对第五连接件231具有限位作用。

所述第六连接件安装段25设置有第二凹槽251，所述第二凹槽251与第二内腔11内壁之间安装有第六连接件2511，所述第六连接件2511与第一连接件1固定连接，所述第六连接件2511截面的外圈为与第二内腔11匹配，第六连接件2511与第二凹槽251之间设置有圆形垫圈。上述第五连接件231、第六连接件2511、第二垫圈、圆形垫圈以及第一卡簧61均由高弹性模量的材料制成，通过变形卡装进第一振动变幅杆2上。

所述第六连接件2511截面内圈为圆形，优选地，所述第二凹槽251和第六连接件2511对应设置有两个且沿轴线间隔设置。其中，所述第一振动变幅杆2的振型节点与第五连接件231、两个第六连接件2511的位置重合。安装时，第五连接件231与其中一个第六连接件2511旋转180°，两个第六连接件2511之间角度差为180°，主要是尽可能的减少由于安装连接件造成的动不平衡质量。

本实施例中，不同段的连接处均采用最佳的圆弧过渡，圆弧过渡的半径r3由连接处相邻两段横截面的等效直径d，长度l,d2，长度l2及振动放大系数n，参照及最佳过渡圆弧半径与放大系数n件的关系决定。确定步骤：圆角半径为r3，其大小确定步骤为：

第一步：依据求出n值；

第二步：依据求出a值；

第三步，查看阶梯型变幅杆最佳过渡圆弧半径与n之间的关系表，获得β值；

第四步，依据r3＝β·d1，求出r3值；

其中d1为六棱柱段横截面的等效直径，l1为六棱柱段长度，d2为过渡段中间位置的横截面的等效直径，l2为过渡段长度，n为放大系数。

为了喷丸作用段26的振动能达到良好的效果以及尽可能保证轴向振动的传递，所述第三致动器安装段24到第六连接件安装段25之间依次设置有第二延伸段27和第二中间轴段28。所述第二中间轴段28在整个第一振动变幅杆中直径最大，用于将轴向振动进一步均匀传递给第六连接件安装段25。第二延伸段27和第二中间轴段28的长度具体根据实际需求进行调整。

所述第六连接件安装段25和喷丸作用段26之间设置有第三连接段29，所述第三连接段29包括过渡段291以及延长段292，所述过渡段291外圈延伸曲线为高斯曲线，从第六连接件安装段25到延长段292直径逐渐变小，延长段292为一段圆柱体。

过渡段291主要用于在将轴向振动达到很高的振动速度，使其在一定振动周期内具有更快的振动速度。延长段292主要用于将高振幅和振动速度传递给喷丸作用段26，提高喷丸作用段26对喷丸的加速反弹效果，提高喷丸的速度，实现较大质量的喷丸能以较大的速度加工工件表面。

下面具体描述，混合器3的结构和工作原理，所述混合器3包括气道31和喷丸加入道32，所述气道31朝第一振动变幅杆2的外端端面设置，所述喷丸加入道32末端与气道31中部连通，所述喷气机构5用于将压缩气体冲入气道31，所述喷丸填充装置4用于将喷丸送入喷丸加入道32。喷丸填充装置4将喷丸送入喷丸加入道32，同时喷气机构5将高压的压缩气体冲入气道31，喷丸从喷丸加入道32进入气道31并随着压缩气体从气道31喷射出去，喷丸在压缩气体的带动下速度得到大幅提升，喷丸碰撞在喷丸作用段26的端面，正常的话喷丸碰撞端面会有速度损失，但是经过喷丸作用段26的轴向振动的加速和反弹，喷丸得到速度提升，对下方的工件表面进行加工。为了能集中加工工件某区域，超声喷丸高速均匀加工各种型面的系统还包括导向筒7，所述导向筒7呈锥形，所述导向筒7设置在工件与喷丸作用段26之间的喷丸路径上，导向筒7对穿过其中心孔的喷丸进行导向，使喷丸能集中加工工件的某个区域。喷丸的速度变化如图2所示，v1为工作介质喷丸从混合器中喷射出来的速度，v2y为工作介质喷丸从混合器中喷射出的速度与第一振动变幅杆激励速度后的较低y向合成速度，v2为经过第一振动变幅杆激励后的较低的喷丸速度；v3y为工作介质喷丸从混合器中喷射出的速度与第一振动变幅杆激励速度后的较高的y向合成速度，v3为经过第一振动变幅杆激励后的较高的喷丸速度。经过混合器及第一振动变幅杆将喷丸的速度放大，实现了相对较大的工作介质以较大的速度喷射工件表面。

其中，气道31与水平方向的夹角为第一角度，气道31与喷丸加入道32的夹角为第二角度。本实施例中，第一角度为15°至30°，混合器3固定在工作台上，其角度可根据速度及喷丸加工区域面积的需要调节；混合器3的第二角度为30°-45°；待加工工件与第一振动变幅杆2的间距可以保持固定，也可根据其加工均匀区域面积调整期间距；将待加工工件的曲面在加工区域依据选定的位置按照面积均匀运动，实现加工区域的均匀度控制；加工区域中喷丸的具体位置由入射喷丸和第一振动变幅杆激励速度后的合成速度确定。根据确定的喷丸射出的位置，控制系统控制驱动机构根据工件的待加工面进行均匀运动，以实现加工面的均匀度控制。其中经过混合器3出来的喷丸喷射在喷丸作用段以第一振动变幅杆轴心为圆心，半径为1-2mm的圆心区域内。这是为了避免第一振动变幅杆的末端除了轴向振动速度之外的其它速度激励工作介质喷丸，影响喷丸加工工件区域的均匀性。第一压电致动器6与超声波发生器通过电线连接，振动频率信号的传递通过无线发射器与无线接收器传递，并由编码机构编码和解码。第一压电致动器具体为超声换能器，将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能，并使得第一振动变幅杆实现轴向振动。第一振动变幅杆2用于将第一压电致动器产生的振动位移和速度进行放大，并将超声能量聚集在较小的面积上，以对喷丸进行加速。第一振动变幅杆2在一对第一压电致动器6的激励作用下，实现了轴向振动；第一振动变幅杆2的末端过渡处采用高斯曲线过渡，喷丸作用段26则为倒圆锥形状，将振动面放大，这是为了提高高速喷丸加工过程中第一振动变幅杆的弯曲刚度，减少了横向振动引起的喷丸偏离预定的路径，避免了当第一振动变幅杆2轴向回复运动时喷丸路劲的改变的可能性；采用多个高斯曲线过渡的原则首先是更多高斯曲线过渡的变幅杆能够产生更高位移，能够提供振动效果，提供喷丸加速能力，满足较大面积横截面向较小面积的横截面过渡的要求。

下面从图6、图7和图8对第二振动变幅杆82和第二连接件81进行描述。

第二连接件81材质为高锰钢，其外圈为正六面体或圆柱体，第二连接件81与驱动机构91连接，驱动机构91带动第二振动变幅杆82上的工件8261根据其加工面进行均匀进给，加工面始终与喷丸的喷射速度方向垂直。所述第二连接件81设置有第一内腔811，第一内腔811沿其外圈轴线延伸。第二振动变幅杆82插装在第一内腔811内，其轴线与第二连接件81外圈或第一内腔811的轴线重合。第一内腔811的截面为多边形，用于传递和承受扭转力矩，优选地，第一内腔811截面为正六边形，当外界条件一定时可以保持其刚性最大。

所述第二振动变幅杆82的材料采用钛合金，工作频率内材料损耗少，抗疲劳强度高，声阻抗率小，可以承受较大的振动速度和位移振幅。阶梯形状的第二振动变幅杆82在截面突变处有很大的应力集中，接近突变处容易发生因疲劳而断裂的问题，故在突变处采用高斯曲线及圆弧、锥线过渡，能够降低应力集中值，同时使得第二振动变幅杆82的实际谐振频率接近理论值。

第二振动变幅杆82包括按顺序依次设置的第一配合定位段821、第一致动器安装段822、第三连接件安装段823、第二致动器安装段824、第四连接件安装段825以及工件安装段826。第一致动器安装段822、第二致动器安装段824、第四连接件安装段825以及工件安装段826均呈圆柱状。所述第一配合定位段821和工件安装段826位于第二振动变幅杆82两端，工件安装段826用于安装工件8261，工件8261安装在工件安装段826的外端处，且工件8261安装处为第二振动变幅杆82的振幅最大处。所述第一配合定位段821与第一内腔811底部配合相连，优选地，所述第一内腔811底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第三垫片812，所述第三垫片812外端设置有圆锥形凹槽，所述第一配合定位段821为圆锥体且与圆锥形凹槽匹配，圆锥的锥度为1:12，第一配合定位段821插入安装在圆锥形凹槽内，第一配合定位段821和第三垫片812用于传递和承受轴向载荷，第三垫片材料为玻璃纤维与pet按照夹心层结构复合而成，中间为pet，内外为玻璃纤维。

所述第二压电致动器包括第三压电致动器8221和第四压电致动器8241，所述第一致动器安装段822具体为圆柱体，第一致动器安装段822安装有一对位置相对的第三压电致动器8221，两个第三压电致动器8221设置在靠近第三连接件安装段823的端部处且沿垂直于第二振动变幅杆轴线的方向间隔设置，第三压电致动器8221通过螺栓连接在第一致动器安装段822，第三压电致动器8221用于实现第二振动变幅杆的谐振弯曲振动。

所述第三连接件安装段823与第一内腔811内壁之间安装有第三连接件8231，所述第三连接件8231截面的外圈为与第一内腔811匹配的多边形，所述第三连接件8231截面内圈和第三连接件安装段823截面为相互匹配的多边形，截面为非圆形，可传递扭矩。所述第三连接件8231与第二连接件81固定连接，优选地，所述第三连接件8231截面内圈和第三连接件安装段823截面为正八边形，第三连接件8231的截面外圈为正六边形。进一步，第三连接件和第二连接件81的连接方式优选为，所述第三连接件8231与第二连接件81设置有相应的螺栓孔以通过螺栓连接固定并预紧，螺栓具体设置有三个，第三连接件8231的螺栓孔为盲孔，所述第三连接件8231与第三连接件安装段823之间安装有适配的第一垫圈8232。第一垫圈8232截面为正八边形，其由玻璃纤维与pet按照夹心层结构复合而成，中间为pet，内外为玻璃纤维，具有高弹性模量且具有一定的润滑作用，在第二振动变幅杆反复扭转的过程中，不易产生疲劳破坏。

所述第三连接件8231设置有断开处，所述断开处安装有第二垫片8233，所述第二垫片8233一端与第一垫圈8232接触，另一端与第二连接件81接触，具体地，所述第二垫片8233截面形状由两个直角折形块朝向相反拼接而成，且拼接处具有一定的圆弧和角度。这样当螺栓提供向中心压紧力的时候，保持各个部件间的紧密连接。且第二垫片8233具有阻尼性质，能够隔振，即将第二振动变幅杆的振动与驱动机构91隔离，同样的，防止驱动机构91的振动干扰第二振动变幅杆的振动。

所述第二致动器安装段824安装有一对第四压电致动器8241，第四压电致动器8241位置相对且在径向上间隔设置，第四压电致动器8241用于实现第二振动变幅杆的轴向谐振的振动，两个所述第三压电致动器8221与两个第四压电致动器8241十字交叉设置，且交叉点在轴线上。优选地，所述第三连接件安装段823和第二致动器安装段824组成一个阶梯轴，第一致动器安装段822到第二致动器安装段824直径依次减小，第二致动器安装段824在径向上间隔设置有一对用于安装第四压电致动器8241并与之匹配的安装凹槽，第四压电致动器8241安装入安装凹槽后，其外圈设置有第二卡簧8242夹紧固定，所述第二卡簧8242靠近第三连接件安装段823的外周设置有台阶，所述台阶面呈正六面体并与第三连接件安装段823组成能匹配安装第三连接件8231的第三凹槽，这样第三连接件8231有一部分安装在第二卡簧8242的台阶上，相当于对第二卡簧8242有夹紧固定的作用，使得第四压电致动器8241固定更加稳固，而第二卡簧8242的台阶又对第三连接件8231具有限位作用。

所述第四连接件安装段825设置有第一凹槽8251，所述第一凹槽8251与第一内腔811内壁之间安装有第四连接件82511，所述第四连接件82511与第二连接件81固定连接，所述第四连接件82511截面的外圈为与第一内腔811匹配的多边形，即正六边形，第四连接件82511与第一凹槽8251之间设置有圆形垫圈。上述第三连接件8231、第四连接件82511、第一垫圈8232、第二垫片8233、圆形垫圈以及第二卡簧8242均由高弹性模量的材料制成，通过变形卡装进第二振动变幅杆82上。

所述第四连接件82511截面内圈为圆形，优选地，所述第一凹槽8251和第四连接件82511对应设置有两个且沿轴线间隔设置。所述第四连接件安装段825设置有绕轴线均匀分布且斜向设置的凹槽孔8252，所述凹槽孔8252设置有两组，每组凹槽孔8252设置有四个且绕轴线均匀分布。凹槽孔8252长度与第四连接件安装段825的长度一致，凹槽孔8252与轴线的夹角为30度。

其中，所述第二振动变幅杆82的振型节点与第三连接件8231和两个第四连接件82511的位置重合，工件8261安装在第二振动变幅杆末端的弯曲振动幅值最大处。安装时，第三连接件8231与其中一个第四连接件82511旋转180°，两个第四连接件82511之间角度差为180°，主要是尽可能的减少由于安装连接件造成的动不平衡质量。

本实施例中，不同段的连接处均采用最佳的圆弧过渡，圆弧过渡的半径由连接处相邻两段横截面的尺寸及振动放大系数决定。为了工件安装段26的振动能达到良好的效果以及尽可能保证轴向振动的传递，所述第二致动器安装段824到第四连接件安装段825之间依次设置有第一延伸段827和第一中间轴段828，所述第一中间轴段828在整个第二振动变幅杆中直径最大，第一延伸段827和第一中间轴段828的长度具体根据实际需求进行调整。在承受交变力时，部分力将驱动第二振动变幅杆82做扭转运动，由于凹槽孔8252结构，第四连接件安装段825的扭转刚度缩小到了第一延伸段827的扭转刚度的1/8以下，有助于产生扭转振动，同时轴向刚度也变小用于产生轴向振动。

所述第四连接件安装段825和工件安装段826之间设置有第一连接段829，所述第一连接段829外圈延伸曲线为高斯曲线且从第四连接件安装段825到工件安装段826直径逐渐变小。主要用于在将轴向振动与弯曲振动达到很高的振动速度，使其在一定振动周期内具有更快的振动速度。

所述第三压电致动器8221和第四压电致动器8241分别与超声波发生器通过电线连接，振动频率信号的传递通过无线发射器与无线接收器传递，并由编码机构编码和解码，压电致动器具体为超声换能器，将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能。

第二振动变幅杆在一对第四压电致动器8241的作用下，产生轴向振动，并通过第四连接件安装段825将轴向振幅值放大，通过第一连接段829将振动速度放大，增加了轴向振动的速度和幅值。

第二振动变幅杆在一对第三压电致动器8221的作用下，产生弯曲振动振型，并经过第四连接件安装段825和第一连接段829的放大作用，在工件安装段826形成更快的振动速度与振幅。

第二振动变幅杆在受到喷丸的碰撞作用力时，第四连接件安装段825受到作用力后，由于凹槽孔8252的作用，改变了作用力的传递路径，作用力会造成第二振动变幅杆82的扭转运动，交替改变的作用力造成了第二振动变幅杆82的反复扭转运动，实现了非谐振的扭转振动。力的传递路径具体如图7所示。

本发明还提供一种基于上述超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统的使用方法，步骤如下:

步骤一，将工件安装在工作台的工件装夹机构8上；

步骤二，同时开启喷气机构5和喷丸填充装置4，高压气体混合着喷丸从混合器3喷出至第一振动变幅杆2末端的端面上的以第一振动变幅杆轴心为圆心的圆形区域内，同时开启相应的超声波发生器，第一振动变幅杆2在第一压电致动器6提供的超声频电能激励下，实现轴向振动，第二振动变幅杆82在第二压电致动器的作用下，实现轴向-弯曲-扭转耦合振动并将该振动传递至工件8261，喷丸经过第一振动变幅杆2的反弹和振动加速后以速度v对工件表面进行加工；

步骤三，在控制系统的控制和驱动机构91的驱动下，工件根据待加工面的轮廓进行均匀运动，实现了加工面的均匀加工；

步骤四，待工件的加工面全部加工完后，停止系统运作。

将工件连接在轴向-弯曲-扭转耦合振动的第二振动变幅杆82的输出端。在第二振动变幅杆82的作用下，工件能够发生轴向-弯曲-扭转耦合振动，使得工件各种型面与喷丸以各种角度接触，表面处理更加均匀，并能避免凹面与凸面连接处的锐角。

由于将工件与第二振动变幅杆82的输出端连接后，与工件连接的第二振动变幅杆82将工件振动，实现工件的往复运动，这使得喷丸与工件间的相对速度进一步增加。这就使得原本需要多个喷丸加工的同一个凹面的喷丸数目减少，但是也会造成经过高速喷丸加工的工件表面的凹面压痕深度较深，使得凹面边缘与平面连接处形成过多的凸起，需要采用相对速度较小的喷丸将其凸起面加工成凹面，即减少喷丸对工件表面的作用力，这样才有利于提高表面疲劳强度等性能。

为此，所述步骤三和步骤四中间，为了表面加工更加均匀，在工件8261与第一振动变幅杆之间的喷丸反弹路径上设置有导向筒7，待喷丸对工件进行了一次加工后，使导向筒7出口与工件8261待加工面相贴以使喷丸碰撞工件后停留在导向筒7内，可以通过驱动机构91驱动工件移动贴近导向筒7或更换相应长度的导向筒7实现导向筒7出口与工件相贴。喷丸会在工件表面堆积，后续的喷丸的作用力会传递至贴在工件表面的喷丸并最终作用在工件表面，或喷丸碰撞后减速再对工件进行加工，以此实现对工件表面较小作用力的均匀加工，待工件的待加工面全部进行了此项加工后，工件即完成所有加工步骤。

本发明中，工作介质为喷丸，为了喷丸加工能达到最优效果，依据以下公式获得单个喷丸的质量m，半径r，喷丸的速度v。

其中α为所需压痕区域的面积，单位m²；

h为待加工工件的洛氏硬度，单位为hrc；

δ所需凹面区域的深度，单位为m；

k0为凹面区域深度与压痕区域面积的系数；

ρ为选定工作介质(喷丸)的密度kg/m³。

而喷丸为球体，根据其半径r和密度ρ，可得其质量m。

其中k0由以下方式获得，

压痕区域与压力f之间的关系为：

从上式可知k0由f、δ、α决定，故可通过压痕冲击试验获得压力f，单位为n、压痕区域面积α、压痕深度δ，并最小二乘法线性拟合获得k0。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。