專利名稱：一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
噴丸表面處理是金屬材料表面強(qiáng)化的有效手段之一。傳統(tǒng)噴丸工藝通常以壓縮空氣和機(jī)械離心力作為動力源，加速彈丸轟擊材料表面。其缺點(diǎn)是設(shè)備能耗大，有粉塵污染，占用空間大，不方便移動作業(yè)等。超聲噴丸表面處理盡管受到設(shè)備結(jié)構(gòu)和功率限制，只適合對小型工件進(jìn)行表面強(qiáng)化，但是克服了傳統(tǒng)噴丸工藝的缺點(diǎn)，功率超聲用于表面強(qiáng)化顯示
出巨大的發(fā)展?jié)摿?。超聲沖擊(Ultrasonic Impact Treatment- UIT)技術(shù)最早由烏克蘭Paton焊接研究所提出。1972年，發(fā)明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(tǒng)需要水冷導(dǎo)致設(shè)備和工藝過程復(fù)雜，以及沖擊部件易于損壞等缺點(diǎn)，采用沖擊頭與變幅桿的彈性連接結(jié)構(gòu)，并在變幅桿與沖擊桿(針)之間增加高強(qiáng)材料墊片等方式，對早期裝置進(jìn)行了改進(jìn)。但改進(jìn)后的裝置一般只能連續(xù)工作3-5分鐘，需頻繁停機(jī)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等發(fā)明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(zhuǎn)換效率，減小了沖擊裝置體積、重量及對冷卻強(qiáng)度的要求。2007年，Statnikov等發(fā)明了用于超聲沖擊處理的振動系統(tǒng)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(nèi)腔形狀，變幅桿的材質(zhì)、形狀、尺寸、端頭硬化方式和硬化層結(jié)構(gòu)，沖擊針的形狀、尺寸和裝配方式，以及密封環(huán)的材質(zhì)、形狀、尺寸和裝配方式等影響因素，全面優(yōu)化了各部件的材質(zhì)、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(wěn)定性和可靠性。2008年，Prokopenko等發(fā)明了用于金屬硬化和消除應(yīng)力處理的超聲工具(專利號WO 2008/150250 Al )，通過增設(shè)溫度傳感器等措施，使冷卻系統(tǒng)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(xué)焊接工程技術(shù)研究所于1997年建造了超聲沖擊設(shè)備。2002年，王東坡等發(fā)明了《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(qiáng)度提高20_200%，疲勞壽命延長3-400倍，且無需液體冷卻。相關(guān)系列發(fā)明專利還有《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?jīng)_擊頭》(公開號CN 1359780A)等。2006-2008年，又分別申請了發(fā)明專利《斜角度超聲沖擊槍》(公開號CN 1887507A)，可適應(yīng)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(tǒng)的諧振特性穩(wěn)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(qiáng)度超聲沖擊槍》實(shí)用新型專利(專利號ZL02270273. 3)，采用推動級和輸出級兩級變幅的全波長復(fù)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(fù)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(fù)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(shù)的要求，減小了變幅桿的應(yīng)力集中，提高了使用壽命，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，改善的壓電陶瓷換能器與負(fù)載匹配，也大大提高了換能器的使用壽命。2007年又相繼獲準(zhǔn)了《一種適用于航空發(fā)動機(jī)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(jìn)行超聲沖擊的工具》(專利號ZL 200620087846. 4)兩項(xiàng)實(shí)用新型專利技術(shù)。前者采用同一平面內(nèi)呈放射狀分布的三個(gè)沖擊針，可高質(zhì)、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(huán)形槽焊縫，桶底、內(nèi)腔等復(fù)雜形狀內(nèi)腔進(jìn)行處理。實(shí)用新型專利《扁平?jīng)_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(yīng)力集中的問題，使焊接殘余應(yīng)力得以更有效消除。 2008年，王冬生等的發(fā)明專利《一種用于焊縫應(yīng)力消除的高效超聲沖擊頭》發(fā)明專利(公開號CN 101429588A)，將沖擊針孔對稱分布于中軸線兩側(cè)，并以中軸線為基準(zhǔn)向內(nèi)傾斜2-5°，可同時(shí)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(xiàn)有超聲沖擊槍的共同特點(diǎn)是沖擊針完全暴露于沖擊頭導(dǎo)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(shí)，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(jìn)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(shí)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(shí)，變幅桿的振動幅度為義，變幅桿自由端振動位移隨時(shí)間t變化的關(guān)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(zhì)量為&，沖擊工件表面的作用時(shí)間t近似等于振動周期T的二分之一，即(=T/2 = 1/2八根據(jù)動量原理，無操作外力作用時(shí)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(fā)生器設(shè)備的輸出功率調(diào)節(jié)，與操作外力^無關(guān)，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(dāng)超聲沖擊槍施加操作外力Z7e時(shí)，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(shí)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(shí)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(dāng)^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(fā)生沖擊槍過載，即“悶死”現(xiàn)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(gè)沖擊針中的某個(gè)沖擊針與被處理表面沒有完全接觸，則沖擊針難于回彈，同樣不能形成連續(xù)擊打?？梢姡F(xiàn)有超聲沖擊槍采用人工手持操作進(jìn)行表面強(qiáng)化處理時(shí)，人工操作外力F,是隨機(jī)變化的，每針次作用于工件表面的沖擊力P也隨外力巧變化，不能保證表面強(qiáng)化處理的均勻性和一致性。同時(shí)在整個(gè)沖擊過程中,沖擊針與處理表面間的夾角、沖擊槍的移動速度等其它操作參數(shù)，完全依靠人工控制，也難以保持恒定，所以人工手持操作現(xiàn)有沖擊槍 進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，不可能獲得質(zhì)量均勻一致的處理表面。還需指出的是現(xiàn)有超聲沖擊槍即使采用機(jī)械化操作，從而在沖擊槍上施加恒定的操作外力Z7e,也難于實(shí)現(xiàn)質(zhì)量均勻一致而穩(wěn)定的表面處理。由于超聲沖擊槍工作時(shí)移動阻力的隨機(jī)變化，加之被處理表面的復(fù)雜與多樣性，常規(guī)機(jī)械操作系統(tǒng)很難根據(jù)移動阻力和被處理工件表面的瞬時(shí)變化及時(shí)反饋并調(diào)整其操作力，操作外力巧過大或過小的情況經(jīng)常發(fā)生，尤其在多針沖擊強(qiáng)化時(shí)，后續(xù)沖擊針是在前面沖擊針已沖擊處理過的表面進(jìn)行再次沖擊，同一時(shí)刻各沖擊針的沖擊點(diǎn)表面凸凹程度不同，操作外力^分配在每個(gè)沖擊針上的分力也不同，過大或過小的分力皆可造成該沖擊針停止對工件表面的擊打，其掃過的表面部位將形成未處理的沖擊空位區(qū)，導(dǎo)致表面強(qiáng)化作用的不均勻。所以現(xiàn)有超聲沖擊槍也不適合機(jī)械化操作進(jìn)行表面處理。此外，施加于超聲沖擊槍上的操作外力Z7e的不斷變化，也會導(dǎo)致沖擊槍負(fù)載的不斷改變，影響沖擊槍的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏沖擊針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，該沖擊頭在機(jī)械夾持下，配合機(jī)械夾持的沖擊頭運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度控制系統(tǒng)以及法向追蹤自動控制系統(tǒng)，可對平面、恒曲率曲面和任意連續(xù)曲率曲面工件均勻一致的超聲強(qiáng)化處理?？朔F(xiàn)有超聲沖擊槍對操作外力過于敏感，只適合人工手持操作的問題，消除了操作外力對沖擊作用的隨機(jī)影響。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，它包括導(dǎo)向套和沖擊針，沖擊針設(shè)置在位于導(dǎo)向套上的導(dǎo)向孔內(nèi)。所述沖擊針為階梯圓柱形，其長度約為導(dǎo)向孔深度的2倍，階梯面以上為粗圓柱形，階梯面以下為細(xì)圓柱形，細(xì)圓柱段上半段套裝回復(fù)彈簧，下半段插入導(dǎo)向孔中，回復(fù)彈簧上端止于沖擊針階梯面，下端止于導(dǎo)向套上端面，回復(fù)彈簧使沖擊針上端與砧鐵下端接觸，且保證沖擊針插入導(dǎo)向孔的長度小于導(dǎo)向孔深度0-5 V- m。
所述導(dǎo)向套采用平面端面導(dǎo)向套，在平面端面導(dǎo)向套上設(shè)有多個(gè)均勻分布的導(dǎo)向孔。導(dǎo)向孔的軸線與導(dǎo)向套的下端面垂直。所述導(dǎo)向套采用圓弧端面導(dǎo)向套，在圓弧端面導(dǎo)向套上設(shè)有一排均勻排列的導(dǎo)向孔。導(dǎo)向孔的軸線與導(dǎo)向套的圓弧下端面在交點(diǎn)處垂直。所述導(dǎo)向套采用錐頂小平面導(dǎo)向套,在錐頂小平面導(dǎo)向套上設(shè)有一個(gè)導(dǎo)向孔。導(dǎo)向孔的軸線與導(dǎo)向套的下端面垂直。采用上述技術(shù)方案的內(nèi)藏于導(dǎo)向孔內(nèi)的沖擊針，與待處理工件表面自由接觸或不接觸，作用在沖擊槍上的操作外力全部由導(dǎo)向套下端面承受，沖擊針施加于被處理工件表面的作用力，僅與沖擊槍自身參數(shù)相關(guān)，沖擊針每針次的沖擊力均可保證相同，實(shí)現(xiàn)均勻一致的表面強(qiáng)化處理。沖擊針作用于被處理工件表面的力，與操作外力無關(guān)，沖擊槍負(fù)載穩(wěn)定，有利于延長沖擊槍使用壽命，滿足機(jī)械夾持、自動控制的要求，適合機(jī)械化操作完成超聲表面強(qiáng)化，而且，所述的沖擊頭同樣適合人工手持操作。
沖擊頭的導(dǎo)向套，其下端面可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成平面或恒曲率曲面，當(dāng)被處理工件表面為平面時(shí)，導(dǎo)向套下端面采用平面，當(dāng)被處理工件表面為恒曲率曲面時(shí)，導(dǎo)向套下端面采用與工件表面相同曲率的曲面，導(dǎo)向孔軸線均始終與導(dǎo)向套下端面在交點(diǎn)處垂直，配合機(jī)械夾持的沖擊頭運(yùn)動軌跡和運(yùn)動速度自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平面或恒曲率曲面的超聲強(qiáng)化處理。沖擊頭的導(dǎo)向套，其下端面可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成僅容納單個(gè)導(dǎo)向孔的錐頂小平面，導(dǎo)向孔軸線始終與導(dǎo)向套下端面垂直，配合機(jī)械夾持的沖擊頭運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度控制系統(tǒng)以及法向追蹤自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任意連續(xù)曲率曲面的超聲強(qiáng)化處理。本發(fā)明的有益效果是這種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭包括導(dǎo)向套、沖擊針和套裝在沖擊針上的回復(fù)彈簧，沖擊針設(shè)置在位于導(dǎo)向套上的導(dǎo)向孔內(nèi)。套裝在沖擊針上的回復(fù)彈簧使沖擊針上端與砧鐵下端接觸，且保證沖擊針插入導(dǎo)向孔的長度小于導(dǎo)向孔深度0-5 u m。該沖擊頭在機(jī)械夾持下，配合機(jī)械夾持的沖擊頭運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度控制系統(tǒng)以及法向追蹤自動控制系統(tǒng)，可對平面、恒曲率曲面和任意連續(xù)曲率曲面工件表面均勻一致的超聲強(qiáng)化處理?？朔爽F(xiàn)有超聲沖擊槍對操作外力過于敏感，只適合人工手持操作的問題，消除了操作外力對沖擊作用的隨機(jī)影響。


圖I是一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭的結(jié)構(gòu)圖。圖2是多沖擊針平面端面導(dǎo)向套示意圖。圖3是采用多沖擊針平面端面導(dǎo)向套的沖擊頭與工件相對運(yùn)動示意圖。圖4是單排沖擊針圓弧端面導(dǎo)向套示意圖。圖5是采用單排沖擊針圓弧端面導(dǎo)向套的沖擊頭與工件相對運(yùn)動示意圖。圖6是采用錐頂小平面導(dǎo)向套的沖擊頭與工件相對運(yùn)動示意圖。圖中1、沖擊頭外殼，1A、配合段，1B、限止凸臺，1C、傾斜出風(fēng)口，2、連接螺母，3、固定螺母，4、導(dǎo)向套，4A、配合段，4B、限止凸臺，4C、導(dǎo)向孔，4-1、平面端面導(dǎo)向套，4-2、圓弧端面導(dǎo)向套，4-3、錐頂小平面導(dǎo)向套,5、回復(fù)彈簧,6、沖擊針,7、超聲沖擊槍外殼,8、變幅桿，9、被處理工件，I O、砧鐵。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行具體說明。圖I示出了一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭的結(jié)構(gòu)圖。沖擊頭外殼I包括配合段1A、限位凸臺IB和傾斜出風(fēng)口 1C。其中配合段IA外輪廓為正方形，與沖擊槍外殼7方形內(nèi)孔配合，防止其切向轉(zhuǎn)動；限位凸臺IB內(nèi)外輪廓均為圓形；6個(gè)傾斜出風(fēng)口 IC沿沖擊頭外殼I圓周均勻布置。連接螺母2，外滾花、內(nèi)有螺紋、下端有內(nèi)凸臺，用以實(shí)現(xiàn)沖擊頭外殼I與超聲沖擊槍外殼7的連接。變幅桿8與超聲換能器相接，換能器固定于沖擊槍外殼7上。砧鐵10置于沖擊針6與變幅桿8之間，固定于變幅桿8下端面，以保護(hù)變幅桿不因沖擊針6撞擊而損壞。沖擊針6為階梯圓柱形，以階梯面為界，上段為較大直徑圓柱形，下段為較小直徑圓柱形，下端面為半球形。固定螺母3與連接螺母2結(jié)構(gòu)相同，用以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向套4與沖擊頭外殼I的固定連接。導(dǎo)向套4設(shè)有規(guī)則排列的、與沖擊針6配合的導(dǎo)向孔4C，針孔的數(shù)量和排列方式視變幅桿8下端面形狀和面積確定；導(dǎo)向套4的 配合段4A，其外輪廓為圓形，與沖擊頭外殼I內(nèi)孔配合；限位凸臺4B外輪廓為圓形；導(dǎo)向孔4C內(nèi)表面與沖擊針6下段細(xì)圓柱面保持為滑動配合?；貜?fù)彈簧5加套在沖擊針6階梯面以下細(xì)圓柱段的上半段，上端止于沖擊針6階梯面，下端止于導(dǎo)向孔4C上端面，自然長度為在靜止條件下保證沖擊針6上端與砧鐵10下端面接觸，沖擊針下端與導(dǎo)向套下端面的距離0-5 u m0裝配時(shí)，先將沖擊頭外殼I的上端配合段IA插入沖擊槍外殼7的下端內(nèi)孔中，用連接螺母2將沖擊頭外殼I與沖擊槍外殼7聯(lián)接；將回復(fù)彈簧5從沖擊針6的下端套入，再將沖擊針6下端插入導(dǎo)向套4的導(dǎo)向針孔4C中；將安裝好沖擊針的導(dǎo)向套4的配合段4A插入到?jīng)_擊頭外殼I下端內(nèi)孔中，再用固定螺母3將其與沖擊頭外殼I固定聯(lián)接。實(shí)施例I
對等離子體堆焊合金涂層的平板形工件表面進(jìn)行超聲沖擊強(qiáng)化處理。采用圖2、3所示的平面下端面內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，導(dǎo)向套4采用平面端面導(dǎo)向套4-1，平面端面導(dǎo)向套4-1的下端面為平面，設(shè)有與下端面垂直排列的19個(gè)沖擊針導(dǎo)向孔4C，每個(gè)孔安裝有直徑為2 mm的沖擊針6。裝配后的沖擊針6靜止時(shí)在回復(fù)彈簧5作用下，沖擊針6上端與固定在變幅桿8自由端的砧鐵10下端面接觸，下端內(nèi)藏于平面端面導(dǎo)向套4-1的下端面以內(nèi)，即與被處理工件9表面之間留有0-5 的間隙。被處理工件9基體為20 mm厚的45鋼板，表面用等離子體堆焊機(jī)堆焊厚度為4mm的Ni50合金粉末涂層，機(jī)加工將涂層表面加工平整，加工后的涂層表面粗糙度Ra為
2.81 u m, Rz 為 15. 2 u m。被處理工件9固定在數(shù)控工作臺上，沖擊槍借助導(dǎo)軌一滑塊機(jī)構(gòu)安裝在數(shù)控工作臺移動支架上，沖擊槍可隨滑塊在垂直方向任意滑動。超聲沖擊處理前，將沖擊槍沖擊頭放置在工件表面一角，沖擊槍自重和滑塊重量通過導(dǎo)向套下端面作用在工件表面。超聲沖擊時(shí)，開啟超聲沖擊槍電源和數(shù)控工作臺電源，沖擊槍在支架的帶動下，相對工件縱向移動，移動速度為86 mm/min。超聲沖擊參數(shù)為電流2. 64 A，功率0.58 kW，沖擊頻率18. 7 kHz,變幅桿振幅為35. 2 ii m。沖擊頭移動到工件另一端后,橫向進(jìn)給0. 25 mm,再沿反方向縱向移動。如此反復(fù)，直至被處理表面全部處理完畢。沖擊處理后的堆焊層表面，其粗糙度與處理前的機(jī)加工表面基本相同，表面粗糙度Ra值為2. 6 ii m，Rz值為15. 5 u m0表面硬度平均值由沖擊前的HV1 N 5. 35 GPa增加到HVin 6. 30 GPa0堆焊層表面殘余應(yīng)力平均值由沖擊前的+610 MPa降至+200 MPa。滿足了工程要求。實(shí)施例2
對AISI 304奧氏體不銹鋼圓柱形軸件進(jìn)行電鍍鉻前超聲沖擊表面強(qiáng)化預(yù)處理。采用圖4、5所示的圓弧形下端面內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，導(dǎo)向套4采用圓弧端面導(dǎo)向套
4-2，圓弧端面導(dǎo)向套4-2的圓弧面為與被處理工件9圓柱面有相同曲率的半圓柱面。圓弧端面導(dǎo)向套4-2設(shè)有5個(gè)平行排列的沖擊針導(dǎo)向孔4C，沖擊針導(dǎo)向孔4C的軸線與圓弧端面在交點(diǎn)處垂直。每個(gè)孔安裝有直徑為2 mm沖擊針6。裝配后的沖擊針6靜止時(shí)在回復(fù)彈簧5作用下，沖擊針6上端與固定在變幅桿8自由端的砧鐵10下端面接觸，下端與導(dǎo)向套4下端面，即被處理工件9表面自由接觸。
被處理工件9為￠40 X 150 mm的軸件，狀態(tài)為車削加工+真空固溶處理。將被處理圓柱形軸件用數(shù)控工作臺卡盤夾緊，沖擊槍借助導(dǎo)軌一滑塊機(jī)構(gòu)安裝在數(shù)控工作臺移動支架上，沖擊槍可隨滑塊在垂直方向任意滑動。超聲沖擊處理前，沖擊槍移動至圓柱形軸件一端的上方，并使導(dǎo)向套下端曲面與工件圓柱面相吻合。沖擊槍自重及滑塊的重量通過導(dǎo)向套下端曲面作用在工件表面。超聲沖擊時(shí)，開啟沖擊槍電源及數(shù)控工作臺電源，軸件隨卡盤開始旋轉(zhuǎn)，沖擊槍在支架帶動下相對軸件縱向移動。移動速度為2mm/min。超聲沖擊參數(shù)為:電流2. 26 A，功率0.50 kW，沖擊頻率17. 8 kHz,變幅桿振幅為30 u m。當(dāng)沖擊頭從工件一端移動到另一端，沖擊強(qiáng)化結(jié)束。沖擊處理后工件表面粗糙度Ra為0. 62 ii m, Rz為3. 31 ii m。工件表面原始的全奧氏體組織有95. 8%轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂病⒛湍サ鸟R氏體相組織。表面硬度平均值由原來的HVai N 2. 35GPa增加到HVai N 4. 60 GPa,表面殘余應(yīng)力平均值由+150 MPa降至-580 MPa。滿足了電鍍鉻前表面預(yù)處理的工程要求。實(shí)施例3
對H13馬氏體鋼工件球冠面進(jìn)行滲氮前超聲沖擊表面強(qiáng)化預(yù)處理。采用圖6所示的錐頂小平面下端面內(nèi)藏針式超聲強(qiáng)化沖擊頭，導(dǎo)向套4采用錐頂小平面導(dǎo)向套4-3，錐頂小平面導(dǎo)向套4-3下端面為僅容納I個(gè)導(dǎo)向孔4C的錐頂小平面，沿錐形中心線設(shè)計(jì)有I個(gè)沖擊針導(dǎo)向孔4C，孔內(nèi)安裝有直徑為5 _的沖擊針6。裝配后的沖擊針6靜止時(shí)在回復(fù)彈簧5作用下，沖擊針6上端與固定在變幅桿8自由端的砧鐵10下端面接觸，下端與導(dǎo)向套4下端面，即被處理工件9表面之間留有2-5 u m的間隙。被處理工件9球冠面曲率半徑R為150 mm,球冠直徑100 mm,高38 mm,超聲沖擊處理前工件為淬火+回火狀態(tài)。將被處理工件9夾持在數(shù)控工作臺上，沖擊槍安裝在機(jī)械手前端。超聲沖擊前，將沖擊槍沖擊頭放置在球冠面中心點(diǎn)，機(jī)械手的操作外力全部由錐頂小平面導(dǎo)向套4-3下端錐頂小平面承受。超聲沖擊時(shí)，開啟超聲沖擊槍電源和數(shù)控工作臺電源，利用機(jī)械手完成法向追蹤、運(yùn)動軌跡和運(yùn)動速度控制，使沖擊針完成對球冠表面的掃描。沖擊針掃描線速度為58 mm/min,掃描重疊率為92%。超聲沖擊工藝參數(shù)為電流2. 0 A，功率0.44 kW，沖擊頻率17. 8 kHz,變幅桿振幅為26. 4 u mo經(jīng)過超聲沖擊處理的工件在570 °C等離子體滲氮I h，獲得滲氮層深度為50. 5 iim，顯微硬度為HVai N 11.02 GPa,較未沖擊處理工件，滲氮層硬度提高了 HVa: N1.19 GPa,深度增加了 19. 3 ym，大大提高了滲氮效率，滿足了滲氮前表面預(yù)處理 要求。
權(quán)利要求
1.一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，它包括導(dǎo)向套(4)和沖擊針(6)，沖擊針(6)設(shè)置在位于導(dǎo)向套(4)上的導(dǎo)向孔(4C)內(nèi)，其特征在于所述沖擊針(6)為階梯圓柱形，其長度為導(dǎo)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(xì)圓柱形，細(xì)圓柱段上半段套裝回復(fù)彈簧(5)，下半段插入導(dǎo)向孔(4C)中，回復(fù)彈簧(5)上端止于沖擊針(6)階梯面，下端止于導(dǎo)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(dǎo)向孔(4C)的長度小于導(dǎo)向孔(4C)深度0-5 iim。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，其特征在于所述導(dǎo)向套(4)采用平面端面導(dǎo)向套(4-1)，在平面端面導(dǎo)向套(4-1)上設(shè)有多個(gè)均勻分布的導(dǎo)向孔(4C)，導(dǎo)向孔(4C)的軸線與導(dǎo)向套(4)的下端面垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，其特征在于所述導(dǎo)向套(4)采用圓弧端面導(dǎo)向套(4-2)，在圓弧端面導(dǎo)向套(4-2)上設(shè)有一排均勻排列的導(dǎo)向孔(4C)，導(dǎo)向孔(4C)的軸線與導(dǎo)向套(4)的圓弧下端面在交點(diǎn)處垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，其特征在于所述導(dǎo)向套(4)采用錐頂小平面導(dǎo)向套(4-3)，在錐頂小平面導(dǎo)向套(4-3)上設(shè)有一個(gè)導(dǎo)向孔(4C)，導(dǎo)向孔(4C)的軸線與導(dǎo)向套(4)的下端面垂直。
全文摘要
一種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭，屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域。這種適用于機(jī)械化操作的內(nèi)藏針式超聲表面強(qiáng)化沖擊頭包括導(dǎo)向套和沖擊針，沖擊針設(shè)置在位于導(dǎo)向套上的導(dǎo)向孔內(nèi)。沖擊針上端與砧鐵下端接觸，保證沖擊針插入導(dǎo)向孔的長度小于導(dǎo)向孔深度0-5μm。該沖擊頭在機(jī)械夾持下，配合機(jī)械夾持的沖擊頭運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度控制系統(tǒng)以及法向追蹤自動控制系統(tǒng)，可對平面、恒曲率曲面和任意連續(xù)曲率曲面工件均勻一致的超聲強(qiáng)化處理。其主要優(yōu)點(diǎn)是滿足機(jī)械夾持、自動控制的要求，也適合人工手持操作。
文檔編號C21D10/00GK102719637SQ201210207410
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者潭家隆, 王桂芹, 雷明凱 申請人:大連理工大學(xué)