專利名稱：用于處理金屬工件表面的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于表面工程的裝置和方法，更具體的說，涉及一種用于處理金
屬工件表面的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
在機(jī)械制造領(lǐng)域，表面工程可以合理利用金屬材料，充分挖掘材料潛力，在節(jié)約能 源、降低材料消耗方面有著不可替代的作用。在航空、航天、國防裝備等方面，表面工程以其 特有的優(yōu)勢在隱身、隔熱、減阻、提高武器裝備壽命和可靠性等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。表 面工程已經(jīng)成為21世紀(jì)制造業(yè)的共性基礎(chǔ)和最重要的發(fā)展領(lǐng)域之一。 現(xiàn)有的噴丸強(qiáng)化技術(shù)是一種利用物理沖擊作用使工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力的表面工 程技術(shù)。噴丸強(qiáng)化技術(shù)是通過大量高速運(yùn)動的彈丸撞擊受噴工件的表面，使工件表層和次 表層發(fā)生一定的塑性變形，而在表層產(chǎn)生一定數(shù)值大小的殘余壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)工件材料 的強(qiáng)化、提高金屬材料疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕抗力行之有效的工藝方法。實(shí)踐證明，噴丸強(qiáng)化 技術(shù)能使碳鋼、鋁合金、鈦合金、鐵基熱強(qiáng)合金、鎳基合金、粉末材料以及表面涂層材料等材 料的疲勞強(qiáng)度得到顯著提高，充分發(fā)揮先進(jìn)材料的潛能。 經(jīng)過幾十年來的發(fā)展，噴丸強(qiáng)化技術(shù)在航空、航天、兵器制造業(yè)得到了高度重視和 廣泛應(yīng)用，例如 (1)軍、民用飛機(jī)中的承力結(jié)構(gòu)件、部分整體框、梁結(jié)構(gòu)件、齒輪、行星齒輪安裝盤、 傳扭接力盤、動力軸及葉片榫頭等結(jié)構(gòu)件都需要經(jīng)過噴丸工藝處理以達(dá)到強(qiáng)度要求；
(2)噴丸強(qiáng)化處理可用來維修飛機(jī)上的緊固件(已有裂紋)等。目前飛機(jī)上所采 用的緊固件數(shù)目龐大，每架飛機(jī)上所采用的鉚釘多達(dá)100萬件以上。使用噴丸強(qiáng)化技術(shù)對 飛機(jī)機(jī)體疲勞關(guān)鍵區(qū)、鉚釘緊固件等進(jìn)行處理，可以有效延長飛機(jī)的使用壽命，提高飛機(jī)使 用期內(nèi)的安全性； (3)提高關(guān)鍵零部件的耐磨性和疲勞壽命。噴丸強(qiáng)化能在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘 余壓應(yīng)力。較大的殘余壓應(yīng)力對諸如渦輪葉片一類的部件的關(guān)鍵區(qū)域有著至關(guān)重要的作 用，可防止裂紋擴(kuò)展，延長葉片的使用壽命； (4)對航空發(fā)動機(jī)損傷葉片的延壽對具有裂紋已經(jīng)報(bào)廢的航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行 高應(yīng)變率的噴丸強(qiáng)化延壽，其性能指標(biāo)甚至能夠超過新葉片。
目前無論是國內(nèi)還是國外，工件的噴丸強(qiáng)化都是通過專門的噴丸機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。根
據(jù)噴丸的方式進(jìn)行分類，噴丸機(jī)主要有兩種類型機(jī)械離心式噴丸機(jī)和氣動式噴丸機(jī)。噴丸
機(jī)的主要功能是為彈丸提供運(yùn)動速度，并使工件在工作室內(nèi)做規(guī)定的運(yùn)動。 氣動式噴丸機(jī)是由空氣壓縮機(jī)供給壓縮空氣驅(qū)動彈丸，按彈丸的運(yùn)動方式，又可
分為吸入式、重力式和直接加壓式三種類型。氣動噴丸機(jī)靈活性高，工作室內(nèi)噴嘴數(shù)目和安
放位置可根據(jù)零件的形狀、尺寸而隨意調(diào)整，因而適于多規(guī)范、小批量噴丸，尤其適用于科
學(xué)研究。但是這種噴丸機(jī)耗費(fèi)功率大，生產(chǎn)效率低。 在離心式噴丸機(jī)中，彈丸由高速旋轉(zhuǎn)的離心輪拋出，離心輪的葉輪直徑一般為300-400mm，轉(zhuǎn)速為1500-3000r/min，彈丸離開葉輪的切向速度為45_100m/s。通常離心輪 在工作室中的位置是固定的，靠零件的運(yùn)動來滿足對規(guī)定表面的噴丸。離心式噴丸機(jī)消耗 功率低，生產(chǎn)效率高，噴丸強(qiáng)化質(zhì)量穩(wěn)定；但是制造成本較高，靈活性差，適用于批量生產(chǎn)。
噴丸強(qiáng)化的工藝參數(shù)主要包括彈丸直徑、彈丸硬度、彈丸運(yùn)動速度、流量、噴射角 度、噴射時間以及噴嘴至工件表面的距離等。噴丸強(qiáng)化處理過程中，通常要求控制和檢驗(yàn)的 噴丸工藝參數(shù)主要有彈丸尺寸和形狀、噴丸強(qiáng)度及表面覆蓋率。 盡管噴丸強(qiáng)化工藝與裝備已經(jīng)在機(jī)械制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)有的噴丸強(qiáng) 化技術(shù)存在著一些難以解決的技術(shù)問題 (1)噴丸強(qiáng)化技術(shù)是一種粗放式、隨機(jī)性的加工技術(shù)。從噴丸機(jī)的工作原理可知， 在噴丸過程中，大量的丸粒在噴丸機(jī)中高速沖擊工件，但沖擊的速度、角度、距離、位置等都 具有明顯的隨機(jī)性，工藝參數(shù)和噴丸質(zhì)量難以精確量化和控制； (2)現(xiàn)有噴丸機(jī)的能耗大、生產(chǎn)效率低。在按照規(guī)定的噴丸工藝進(jìn)行噴丸強(qiáng)化時， 大量的彈丸先以設(shè)定的速度沖擊工件，在沖擊工件后彈丸產(chǎn)生反彈，反彈后的彈丸與來自 噴嘴的持續(xù)不斷的后續(xù)彈丸將發(fā)生隨機(jī)碰撞，大量彈丸在噴丸機(jī)中相互作用，動能彼此抵 消，不僅后續(xù)彈丸無法以設(shè)定的速度沖擊工件，影響噴丸效果，降低生產(chǎn)效率，而且彈丸間 的無用功將耗費(fèi)大量的電能。 (3)噴丸機(jī)系統(tǒng)體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜。無論是離心式噴丸機(jī)還是氣動式噴丸機(jī)，為 了對大型工件進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，且不使彈丸丟失很多，大型工件噴丸機(jī)的體積一般較龐大，系 統(tǒng)復(fù)雜，操作繁瑣?，F(xiàn)有噴丸機(jī)設(shè)備的價格昂貴、初期投資大，生產(chǎn)成本高。
(4)合理工藝參數(shù)的獲取主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試噴，缺乏科學(xué)、有效的方法。目前國內(nèi) 外通用的測量噴丸強(qiáng)度的方法是阿爾曼(Almen)弧高度試片法。該方法是由美國GM公司 的阿爾曼(Almen)提出的，其要點(diǎn)是用一定規(guī)格的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強(qiáng)化后的形狀 變化來間接反映噴丸效果。對于飛機(jī)重要結(jié)構(gòu)件來說，在通過弧高度試片法獲得工藝參數(shù) 后，一般還需對1 :1的實(shí)際結(jié)構(gòu)件再進(jìn)行試噴和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，總體來說，噴丸強(qiáng)化工藝 參數(shù)的獲取周期長、成本高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了用于處理金屬工件表面的裝置及其方法，以解 決現(xiàn)有噴丸強(qiáng)化技術(shù)中的隨機(jī)性、高能耗和強(qiáng)化設(shè)備體積龐大等問題。 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該用于處理金屬工件表面的裝置包括機(jī)架；滑箱，可以 沿機(jī)架的Z軸移動；超聲波換能器，設(shè)置在滑箱的下部；沖擊桿，可拆卸地連接于超聲波換 能器；沖擊頭，連接于沖擊桿的下端，用于沖擊工作臺上的金屬工件的表面；工作臺，設(shè)置 于機(jī)架上，并且工作臺可以沿機(jī)架的X軸和Y軸移動。 優(yōu)選地，該工作臺可繞其中心軸轉(zhuǎn)動，并且相對于沖擊頭擺動。并且，滑箱相對于 工作臺擺動。 優(yōu)選地，沖擊頭與沖擊桿一體制成，沖擊頭的表面為球面，該球面的直徑為 0. 2-8mm。并且，該沖擊桿具有錐形截面。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于處理金屬工件表面的方法包括將工件夾持在可驅(qū) 動的工作臺上；調(diào)整沖擊頭與工件被加工表面的位置，使沖擊頭的軸線垂直于工件的被加工表面；設(shè)定沖擊頭的沖擊速度及沖擊力，使得沖擊頭跟隨工件表面形狀移動并保證沖擊 頭的軸線垂直于工件的被加工表面；使沖擊頭以預(yù)定的沖擊速度和沖擊力沖擊被加工工件 表面。 優(yōu)選地，沖擊頭對金屬工件的沖擊力的范圍為900-1500N。 優(yōu)選地，通過相對于金屬工件移動和/或擺動沖擊頭來調(diào)整沖擊頭的位置，以及 通過相對于沖擊頭移動和/或擺動和/或轉(zhuǎn)動金屬工件來調(diào)整金屬工件的位置。
優(yōu)選地，通過激振方法，使沖擊頭進(jìn)行高速往復(fù)運(yùn)動，其中，激振方法包括超聲激 振、電磁激振以及其它機(jī)械激振方法 根據(jù)本發(fā)明的用于處理金屬工件表面的裝置和方法，克服了現(xiàn)有噴丸強(qiáng)化技術(shù)中 的隨機(jī)性、高能耗和強(qiáng)化設(shè)備體積龐大等缺點(diǎn)，具有精確化、低能耗、體積小、生產(chǎn)效率高、 強(qiáng)化質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的用于在金屬工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力的往復(fù) 式?jīng)_擊強(qiáng)化裝置。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的沖擊頭。
具體實(shí)施例方式
考慮到相關(guān)技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種用于在金屬工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力 的往復(fù)式?jīng)_擊強(qiáng)化裝置和方法。 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出。應(yīng)理解，下面通 過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
如圖1所示，圖1中示出了用于在金屬工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力的往復(fù)式?jīng)_擊強(qiáng)化裝 置，該裝置包括機(jī)架1、滑箱2、超聲波換能器3、變幅沖擊桿4、沖擊頭5、 X-Y移動工作臺7 以及超聲波發(fā)生器8，其中，金屬工件6放置在移動工作臺7上。 在機(jī)架1上，沿Z軸方向設(shè)置有導(dǎo)軌(或第一導(dǎo)軌)，滑箱2能夠在該導(dǎo)軌上上下 移動，而且，其能夠沿B軸或相對于工作臺擺動。超聲波換能器3設(shè)置在滑箱2的下部，變 幅沖擊桿4與超聲波換能器3相連，沖擊頭5位于沖擊桿4的下端。沖擊頭5可拆卸地連 接于沖擊桿4。該沖擊頭5具有空間曲面形狀，其中，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例 的具有球面形狀的沖擊頭，該球面的直徑為0. 2-8mm。 在與沖擊頭5相對的另一側(cè)設(shè)置有移動工作臺7，使得沖擊頭能夠?qū)饘俟ぜ?面進(jìn)行機(jī)械沖擊。并且，在機(jī)架1上設(shè)置有與紙面垂直的X向?qū)к?或第二導(dǎo)軌)和Y向 導(dǎo)軌(或第三導(dǎo)軌)，移動工作臺7能夠沿與紙面垂直的X向?qū)к壓蚘向?qū)к壱苿?，并且，?工作臺7能夠沿著其中心軸(如圖1所示的A軸)轉(zhuǎn)動以及能夠繞X軸或相對于沖擊頭/ 沖擊桿擺動。 為了對具有不同尺寸和形狀的金屬工件表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，并取得理想的強(qiáng)化效 果，采用數(shù)控機(jī)床中廣泛使用的多軸伺服控技術(shù)，對滑箱2和X-Y移動工作臺7進(jìn)行運(yùn)動控制。因此，可以通過控制滑箱2，例如，上下移動滑箱2或使滑箱2繞B軸擺動，來調(diào)整其相 對于移動工作臺7上的金屬工件的位置?；蛘撸梢酝ㄟ^控制移動工作臺7，例如，移動該 工作臺7、使該工作臺7繞其中心軸轉(zhuǎn)動、使該工作臺7繞X軸擺動，從而調(diào)節(jié)工作臺7上 的金屬工件相對于沖擊頭5的位置?；蛘撸ㄟ^同時控制滑箱2和移動工作臺7使得沖擊 桿4相對于工件6始終處于最佳的姿態(tài)和位置。從而，上述結(jié)構(gòu)使得沖擊頭5在對工件6 進(jìn)行沖擊時，沖擊力可以精確地按照要求的角度和作用位置逐點(diǎn)地全面沖擊需要強(qiáng)化的工 件6的表面，達(dá)到在金屬工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力、強(qiáng)化材料性能、提高工件疲勞壽命和抗應(yīng)力 腐蝕能力的目的。其中，沖擊頭5對工件6進(jìn)行沖擊時，其沖擊速度范圍在5-100m/s之間， 沖擊力在900-1500N之間，可以達(dá)到較好的強(qiáng)化效果。 超聲波發(fā)生器8在圖中未示出的控制系統(tǒng)的控制下，將供電電能轉(zhuǎn)換成與超聲波 換能器3相匹配的高頻交流電信號，并驅(qū)使超聲波換能器3產(chǎn)生機(jī)械振動。變幅沖擊桿4 將超聲波換能器3的超聲振動的振幅加以放大，以得到?jīng)_擊強(qiáng)化所需要的振幅。變幅沖擊 桿4之所以能夠放大振幅，是因?yàn)槠湫螤顬樯洗窒录?xì)的變截面(或錐形截面)桿，由于通過 變幅沖擊桿4每一截面的振動能量是不變的(不計(jì)傳播消耗)，截面小的地方能量密度大。 而振幅正比于能量密度的平方根，所以截面越小，其能量密度越大，振動的振幅也越大，該 振動最終可帶動沖擊頭5對工件6的表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。 根據(jù)本發(fā)明的沖擊桿和沖擊頭的材料為具有一定硬度、強(qiáng)度和疲勞壽命的金屬或 非金屬材料。并且，沖擊桿和沖擊頭可以制成一體式，也可以制成分體裝配式，且沖擊桿和 沖擊頭是可更換的。此外，沖擊桿和沖擊頭的數(shù)量不限于1個。 根據(jù)本發(fā)明，通過對沖擊桿或工件姿態(tài)/位置的多軸數(shù)字伺服控制，實(shí)現(xiàn)沖擊桿 以指定的角度對工件表面進(jìn)行沖擊，優(yōu)選地，沿著工件表面的法線方向?qū)ぜ砻孢M(jìn)行沖 擊，并實(shí)現(xiàn)了對待強(qiáng)化工件表面的沖擊覆蓋率。 根據(jù)本發(fā)明，通過超聲波激振器、電磁激振器及其它機(jī)械激振方法等激振方法，使 具有一定質(zhì)量的沖擊桿及位于沖擊桿端部的、具有空間曲面形狀的沖擊頭產(chǎn)生高速往復(fù)運(yùn) 動；并且通過多軸伺服控技術(shù)對沖擊桿或工件的姿態(tài)和位置進(jìn)行控制(即，通過相對于金 屬工件移動和/或擺動沖擊頭來調(diào)整沖擊頭的姿態(tài)和位置，以及通過相對于沖擊頭移動和 /或擺動和/或轉(zhuǎn)動金屬工件來調(diào)整金屬工件的姿態(tài)和位置)，使得沖擊頭在對金屬工件表 面進(jìn)行機(jī)械沖擊時，沖擊力可以精確地按照要求的角度和作用位置逐點(diǎn)地全面沖擊需要強(qiáng) 化的金屬工件表面，從而在金屬工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力、強(qiáng)化材料性能、并提高工件疲勞壽命 和抗應(yīng)力腐蝕能力。 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換 和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
用于處理金屬工件表面的裝置，所述裝置包括機(jī)架(1)；滑箱(2)，可以沿所述機(jī)架(1)的Z軸移動；超聲波換能器(3)，設(shè)置在所述滑箱(2)的下部；沖擊桿(4)，可拆卸地連接于所述超聲波換能器(3)；沖擊頭(5)，連接于所述沖擊桿(4)的下端，用于沖擊工作臺(7)上的所述金屬工件的表面；以及工作臺(7)，設(shè)置于所述機(jī)架(1)上，并且所述工作臺(7)可以沿所述機(jī)架(1)的X軸和Y軸移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述工作臺可繞其中心軸轉(zhuǎn)動，并且相對 于所述沖擊頭(5)擺動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述滑箱(2)相對于所述工作臺(7)擺動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述沖擊頭(5)與所述沖擊桿(4) 一體制 成，所述沖擊頭(5)的表面為球面，所述球面的直徑為0.2-8mm，所述沖擊桿具有錐形截面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括振動發(fā)聲裝置(S)，所述 振動發(fā)生裝置(8)包括超聲波激振器、電磁激振器及其它機(jī)械激振器。
6. 用于處理金屬工件表面的方法，所述方法包括 將工件夾持在可驅(qū)動的工作臺上；調(diào)整沖擊頭與所述工件被加工表面的位置，使所述沖擊頭的軸線垂直于所述工件的被 加工表面；設(shè)定所述沖擊頭的沖擊速度及沖擊力，使得所述沖擊頭跟隨所述工件表面形狀移動并 保證所述沖擊頭的軸線垂直于所述工件的被加工表面；使所述沖擊頭以預(yù)定的沖擊速度和沖擊力沖擊被加工工件表面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述沖擊頭對所述金屬工件的沖擊力的 范圍為900-1500N。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過相對于所述金屬工件移動和/或擺動 所述沖擊頭來調(diào)整所述沖擊頭的位置，以及通過相對于所述沖擊頭移動和/或擺動和/或 轉(zhuǎn)動所述金屬工件來調(diào)整所述金屬工件的位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述沖擊頭為半球面，其直徑在0. 2-8mm 范圍之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過激振方法，使所述沖擊頭進(jìn)行高速 往復(fù)運(yùn)動，其中，所述激振方法包括超聲激振、電磁激振以及其它機(jī)械激振方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于處理金屬工件表面裝置及其方法，該裝置包括機(jī)架；滑箱，可以沿機(jī)架的Z軸移動；超聲波換能器，設(shè)置在滑箱的下部；沖擊桿，可拆卸地連接于超聲波換能器；沖擊頭，連接于沖擊桿的下端，用于沖擊工作臺上的金屬工件的表面；工作臺，設(shè)置于機(jī)架上，并且工作臺可以沿機(jī)架的X軸和Y軸移動。根據(jù)本發(fā)明，通過激振方法，使沖擊桿及連接于沖擊桿端部且具有空間曲面形狀的沖擊頭產(chǎn)生高速往復(fù)運(yùn)動，以使沖擊頭沖擊工件表面；通過多軸伺服控技術(shù)來控制沖擊桿或金屬工件的位置，克服了現(xiàn)有噴丸強(qiáng)化技術(shù)中的隨機(jī)性、高能耗和強(qiáng)化設(shè)備體積龐大等缺點(diǎn)，具有精確化、低能耗、體積小、生產(chǎn)效率高、強(qiáng)化質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B21D31/06GK101722228SQ20101000052
公開日2010年6月9日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者張以都, 張洪偉 申請人:北京航空航天大學(xué)