CN115404436A - 一种基于超声加速的表面强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开工件表面强化领域中的一种基于超声加速的表面强化装置及方法，变幅杆的输出端连接活塞杆，活塞杆伸入弹丸加速缸中上下移动，弹丸加速缸下部连接能将弹丸送入其内的弹丸输送装置，弹丸加速缸下端的弹丸喷射出口的下方是位于粉末喷射口与粉末接收口之间的粉末颗粒层，粉末颗粒层的正下方是工件，粉末喷射口是一号风箱的水平出口，粉末接收口是二号风箱的水平进口，粉末颗粒能沿由粉末喷射口、粉末接收口、二号风箱出口、一号风箱下进口形成的路线循环；利用高速射出的弹丸经过流动粉末颗粒层撞击工件表面，使其渗入工件表层，可对工件表面选区进行喷丸强化的同时完成渗碳、渗氮、渗硼等工艺，更高效率地强化零件表面质量。

Description

一种基于超声加速的表面强化装置及方法

技术领域

本发明涉及工件表面强化领域，具体是采用超声加速对零件表面作强化的装置和方法。

背景技术

零件的表面强化是实际零件生产过程中重要的一道工艺，是提高零件使用寿命的重要一环，在现有技术中，表面强化技术有很多，其中渗碳、渗氮等技术是工程领域常用的表面强化方法，通过将工件放在设备炉中在渗碳介质或渗氮介质的环境下进行加热保温使碳原子或氮原子渗入工件表层形成一定的碳浓度梯度或者氮浓度梯度，从而达到零件表面强化的目的，但该技术的实现方法工艺过于繁琐，需严格控制设备炉中的温度以及保温时间，无法实现对一些特殊零件的局部强化，因此存在一定的局限性。专利CN109249317B公开了一种超声喷丸高效均匀加工各种型面的系统及使用方法，利用第一振动变幅杆以及第二振动变幅杆实现工件轴向—弯曲—扭转耦合振动，达到喷丸时表面处理更加均匀的目的。但该方法仍属于传统的超声喷丸强化，并不能带来明显的强化效果。

中国专利公开号CN110640638B文献中公开了一种用于滚动体工件表面超声强化加工设备，利用高频的超声振动将弹丸打在待强化的工件表面之上，射出的弹丸同时能在仅靠反弹力的作用下得到回收并继续利用，实现零件的反复强化。但该加工方法并未考虑在弹丸反复弹起时，弹丸与弹丸之间的碰撞，不仅降低了强化的效率，同时极有可能损坏设备。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供了一种基于超声加速的新型表面强化装置及其强化方法，提高了强化效率，且能够加工特殊零件，对零件局部进行强化。

本发明一种基于超声加速的表面强化装置是通过以下技术手段实现以上技术目的的：其包括超声波发生器、换能器和变幅杆，超声波发生器经换能器连接变幅杆，变幅杆的输出端连接活塞杆，活塞杆伸入弹丸加速缸中上下移动；弹丸加速缸下部连接能将弹丸送入其内的弹丸输送装置，弹丸加速缸下端设有弹丸喷射出口，该弹丸喷射出口的下方是位于粉末喷射口与粉末接收口之间的粉末颗粒层，粉末颗粒层的正下方是工件，粉末喷射口和粉末接收口在同一高度水平布置，粉末喷射口是一号风箱的水平出口，所述的粉末接收口是二号风箱的水平进口，粉末颗粒能沿由粉末喷射口、粉末接收口、二号风箱出口、一号风箱下进口形成的路线循环，一号风箱上进口连接其上方的粉末料箱。

进一步地，一号风箱下进口通过管道依次连接四号粉末传输通道、五号风箱、三号粉末传输通道、四号风箱、二号粉末传输通道、三号风箱、一号粉末传输通道和二号风箱27，一号风箱、二号风箱、三号风箱和五号风箱沿矩形的四角处布置。

进一步地，所述的弹丸输送装置包括空压机、弹丸引射器、弹丸储存箱以及弹丸发射通道，空压机输出端经弹丸传输通道连接且连通弹丸加速缸下部，弹丸传输通道穿过弹丸引射器，弹丸引射器上方连接弹丸储存箱，弹丸储存箱下端开有弹丸出料口，弹丸出料口通过管道穿过弹丸引射器连接且连通弹丸传输通道。

本发明一种基于超声加速的表面强化装置的表面强化方法的技术方案是包括以下步骤：

步骤一：打开粉末料箱与一号风箱之间的通道，粉末落入一号风箱中。

步骤二：启动所有的风箱，粉末从一号风箱的粉末喷射口射出且朝着对面的粉末接收口，经粉末接收口进入二号风箱，经循环路线到达一号风箱中；

步骤三：与步骤二的同时，弹丸输送装置和超声波发生器工作，弹丸进入弹丸加速缸，在超声波发生器的作用下，活塞杆在弹丸加速缸中上下滑动使弹丸加速向下射出；

步骤四：向下射出的弹丸经过粉末颗粒层，粉末颗粒附着在弹丸下端，撞击工件的表面实现表面强化。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用高速射出的弹丸经过流动粉末颗粒层撞击工件表面，使其渗入工件表层，可对工件表面选区进行喷丸强化的同时完成渗碳、渗氮、渗硼等处理工艺，将喷丸强化与表面渗氮、渗氮处理两种结合，更高效率地强化零件表面质量。

2、本发明装置中弹丸输送装置，利用空压机将弹丸高速吹入弹丸加速缸，一是可以自动向弹丸加速缸添加弹丸，二是在弹丸进入弹丸加速缸时便具有较大的初速度，减少了弹丸在弹丸加速缸中的加速时间，使零件表面强化效率得到提高。

3、本发明相对于传统的渗碳、渗氮、渗硼方法，无需加热保温，可以在室温环境下进行渗碳、渗氮等处理，在一定程度上降低了加工成本并减少了能源消耗。

4、本发明可对零件表面进行选区进行渗碳和渗氮处理，加工区域可选，相对于传统的渗碳和渗氮方法，在加工零件的方案上，提供了较多的可选性。

附图说明

图1是本发明一种基于超声加速的表面强化装置的结构示意图；

图2是图1所示装置在加工时的弹丸和粉末颗粒对工件实现表面强化的原理图；

图中：1-终端控制装置；2-换能器；3-超声波发生器；4-弹丸储存箱；5-变幅杆；6-弹丸引射器；7-空压机；8-弹丸发射通道；9-活塞杆；10-弹丸加速缸；11-粉末料箱；12-一号风箱；13-四号粉末传输通道；14-粉末喷射口；15-外壳；16-五号风箱；17-三号粉末传输通道；18-四号风箱；19-二号粉末传输通道；20-工作平台支撑装置；21-三号风箱；22-移动工作平台；23-工件；24-夹具；25-粉末接收口；26-一号粉末传输通道；27-二号风箱；28-弹丸；29-粉末颗粒。

具体实施方式

参照图1所示，本发明一种基于超声加速的表面强化装置包括终端控制装置1、弹丸加速装置、弹丸输送装置、粉末循环系统以及工件夹持装置等。其中，弹丸加速装置包括超声波发生器3、换能器2、变幅杆5、活塞杆9以及弹丸加速缸10组成。超声波发生器3固定在工作平台上，经控制线连接终端控制装置1，由终端控制装置1控制产生超声波信号。换能器2与超声波发生器3相互连接，接收超声波发生器3所产生的信号，通过逆压电效应将其转换为振动信号。变幅杆5连接换能器2，为一圆柱体杆状，连接在换能器2的信号输出端，接收换能器2振动信号，将振动信号放大，变幅杆5的输出端连接活塞杆9，变幅杆5将放大后的振动信号转换为活塞杆9的上下滑动。活塞杆9伸入在弹丸加速缸10中，与弹丸加速缸10相配合，能在弹丸加速缸10中上下移动。

根据需要可以设置两个活塞杆9，两个结构相同的活塞杆9沿变幅杆5的中心轴线对称分布。一个活塞杆9伸入在一个弹丸加速缸10中，因此有两个形状且结构相同的弹丸加速缸10，一个活塞杆9与一个弹丸加速缸10相互匹配，弹丸加速缸10为圆柱体缸，活塞杆9在弹丸加速缸10中上下移动。弹丸加速缸10的下端为弹丸加速缸的出口，在出口处安装加速缸阀门，加速缸阀门通过控制线连接至终端控制装置1，由终端控制装置1控制加速缸阀门的开关。

弹丸输送装置的作用是能将弹丸不断送入弹丸加速缸10中，弹丸输送装置包括空压机7、弹丸引射器6、弹丸储存箱4以及弹丸发射通道8。弹丸输送装置的数量与活塞杆9的数量相对应，当活塞杆9设置两个时，就有两套形状结构和功能完全相同的弹丸输送装置沿变幅杆5的中心轴线对称分布，每一套弹丸输送装置包括一个空压机7、一个弹丸引射器6、一个弹丸储存箱4以及一个弹丸发射通道8。

空压机7固定在工作平台上，空压机7的气体输出端与弹丸发射通道8的进口端相互连接，弹丸发射通道8的出口端连接且连通弹丸加速缸10下部，连接处位于活塞杆9的下方，使进入弹丸加速缸10中的弹丸始终在活塞杆9下方。弹丸发射通道8穿过弹丸引射器6，弹丸引射器6整体为一方形，弹丸引射器6与空压机7固定在同一工作平台上。弹丸引射器6的上方连接弹丸储存箱4，弹丸储存箱4为一柱体储存箱，其上端有弹丸进口，下端开有弹丸出料口，弹丸出料口通过管道穿过弹丸引射器6，连接且连通弹丸传输通道8，弹丸出料口管道与弹丸发射通道8相互垂直。弹丸发射通道8管道为圆形空心管道，弹丸发射通道8从进口端直到与弹丸出料口连接端的内径由大逐渐变小。弹丸出料口处设置弹丸出料口阀门，并且该弹丸出料口阀门与终端控制装置1相接，由终端装置1控制。

粉末循环系统主要目的是将C、N、B等粉末颗粒混合或单独使用，通过风力系统使这些颗粒循环经过弹丸加速缸10的弹丸喷射出口的正下方。粉末循环系统包括粉末料箱11、一号风箱12、四号粉末传输通道13、外壳15、五号风箱16、三号粉末传输通道17、四号风箱18、二号粉末传输通道19、三号风箱21、粉末接收装置25、一号粉末传输通道26以及二号风箱27，所有的风箱均经信号线分别连接终端控制装置1，终端控制装置1能分别控制每个风箱的启停。外壳15是一方形，由四周侧面的方形挡板相互连接组成一方形空腔，用于保护各工作零件以及为各工作零件提供支撑点，外壳15的上端为方形开口，下端固定在工作地点。一号风箱12、二号风箱27、三号风箱21和五号风箱16沿矩形的四角处布置，四号风箱18在三号风箱21和五号风箱16之间的正中间，三者在同一高度，同一矩形边上。

在外壳15内部的侧壁上端固定连接粉末料箱11，粉末料箱11为一方形料箱，内装有C、N、B等单一的粉末颗粒，或是混合的粉末颗粒，粉末颗粒可从粉末料箱11上端开口进入。粉末料箱11的下方是一号风箱12，一号风箱12也固定在外壳15内部侧壁上。

一号风箱12有上下两个垂直进口和一个水平出口，水平出口即粉末喷射口14，上进口与粉末料箱11的出口相连接，一号风箱12的上进口处设置粉末进口阀门，粉末进口阀门连接终端控制装置1。一号风箱12的下进口通过管道依次连接四号粉末传输通道13、五号风箱16、三号粉末传输通道17、四号风箱18、二号粉末传输通道19、三号风箱21、一号粉末传输通道26和二号风箱27，

二号风箱27有水平进口，即粉末接收口25，二号风箱27在一号风箱12的正对面，粉末喷射口14和粉末接收口25相互面对面，之间间隔一定距离。在粉末喷射口14处设置粉末喷射阀门，粉末接收口25处设置粉末接收阀门，粉末喷射阀门和粉末接收阀门分别经控制线与终端控制装置1相连接。粉末接收口25结构形状与粉末喷射口14相同，两者并保持同一高度，均水平布置。粉末喷射口14末端为一喇叭型结构，一号风箱12和二号风箱27工作时，粉末颗粒沿粉末喷射口14、粉末接收口25、二号风箱27出口、一号风箱12下进口的路线循环。粉末颗粒从粉末喷射口14高速射出，由二号风箱27控制粉末接收口25吸收粉末喷射口14喷出的粉末颗粒，再经粉末传输通道回到一号风箱12中，如此循环，形成从二号风箱27到一号风箱12的粉末颗粒循环传送路线，具体是：二号风箱27工作，将由粉末接收口25吸入的粉末颗粒从二号风箱27的出口处吹出，进入一号粉末传输通道26，一号粉末传输通道26的下端与三号风箱21的进口处相互连接，在一号粉末传输通道26中间段装有阀门，该阀门通过控制线连接至终端控制装置1。一号风箱21位于二号风箱27的正下方，三号风箱21侧面与外壳15内侧壁固定连接，三号风箱21与二号风箱27的结构相同，亦包含一个进口与一个出口，进口处位于二号风箱27出口处的正下方，并与一号粉末传输通道26相互连接，接收从二号风箱27传来的粉末颗粒29，三号风箱21的出口处连接二号粉末传输通道19，一号粉末传输通道19水平布置，并连接三号风箱21的出口处，二号粉末传输通道19的出口端连接四号风箱18的进口处，在二号粉末传输通道19的中间段装有阀门，该阀门通过引线连接至终端控制装置1。四号风箱18固定连接在外壳15内部底面，并处于外壳15内部底面的中心部分，四号风箱18与三号风箱21相同，包含一个进口与出口，进口处与二号粉末传输通道19连接并与三号风箱21的出口位于同一水平高度，四号风箱18出口处连接三号粉末传输通道17，在三号粉末传输通道17中间段安装与终端控制装置1相连接的阀门。三号粉末传输通道17与二号粉末传输通道19位于同一水平线，其一端与四号风箱18出口连接，另一端与五号风箱16的进口相连接，中间段装有阀门，该阀门通过引线连接至终端控制装置1。五号风箱16位于一号风箱12的正下方，并与三号风箱21处于同一水平高度，五号风箱16的侧面固定连接在外壳15内部侧壁，五号风箱16亦包含一个进口与一个出口，进口处与三号粉末传输通道17水平连接，五号风箱16出口垂直向上，与四号粉末传输通道13连接，四号粉末传输通道13垂直于外壳15底面，与一号粉末传输通道26相平行，四号粉末传输通道13的出口处与一号风箱12的下进口相互连接，四号粉末传输通道13中间段装有阀门，该阀门连接至终端控制装置1。如此组合成粉末颗粒的循环系统，保证了弹丸加速缸10的正下方始终有流动型粉末颗粒29经过。

粉末喷射口14与粉末接收口25之间相距180～200mm的水平距离，在这段水平距离内形成一流动型的粉末颗粒29的区域，形成粉末颗粒层。粉末颗粒层在弹丸加速缸10的弹丸喷射出口的正下方，距离弹丸加速缸10的弹丸喷射出口有40～70mm的垂直距离。

工件夹持装置包括工作平台支撑装置20、移动工作平台22以及夹具24。所述的工作平台支撑装置20为一方形支撑平台，其底面与外壳15内部底面接触，但留有供二号粉末传输通道19、四号风箱18以及三号粉末传输通道17穿过的通孔。可移动式工作平台22位于工作平台支撑装置17之上，移动式工作平台22经控制线连接终端控制装置1，由终端控制装置1控制其带动工件23作左右、前后，上下的移动。移动工作平台22上表面固定设置夹具24，用于夹持工件23，工件23在一号风箱12和二号风箱27之间的粉末颗粒29的正下方。

参照图2所示，当弹丸28从弹丸加速缸10中射出经过粉末颗粒29层时，弹丸28以速度v高速向下运动，将粉末颗粒29附着在弹丸28下端，以极高的速度v撞击工件23，将附着在弹丸28下端的粉末颗粒29渗入到工件23的表面。

参照图1-2所示，当本发明表面强化装置处于未工作状态时，所有的弹丸28均在弹丸料箱4中，弹丸发射通道8和弹丸加速缸10内均无弹丸。此外所有的粉末颗粒29均在粉末料箱11中。工作时按以下步骤实现表面强化：

步骤一：将工件23通过夹具24夹紧放置在移动式工作平台22之上，终端控制装置1操作控制移动式工作平台22移动至初始位置。

步骤二：终端控制装置1控制粉末进口阀门打开，打开粉末料箱11与一号风箱12之间的通道，粉末落入一号风箱12中。

步骤三：终端控制装置1启动所有的风箱工作，即一号风箱12、一号风箱27、三号风箱21、四号风箱18和五号风箱16同时工作，同时打开粉末喷射口、接收口的阀门以及所有粉末传输通道上的阀门。粉末从一号风箱12的粉末喷射口14高速射出，朝着对面的粉末接收口25，由粉末接收口25进入二号风箱27，一号风箱27产生对粉末向风箱内部的吸力，紧接着再由二号风箱27将进入的粉末由二号风箱27出口处吹出，向下进入一号粉末传输通道26、三号风箱21中，三号风箱21工作时对出一号粉末传输通道26中的粉末产生向下的吸力。然后由工作着的三号风箱21将粉末吹出，经二号粉末传输通道19进入四号风箱18，工作着的四号风箱18产生向内的吸力。同理，粉末再依次经四号风箱18、三号粉末传输通道17、五号风箱16、三四号粉末传输通道13回到一号风箱12中，经这样的循环路线到达一号风箱12中，完成完整循环。

步骤四：与步骤三的同时，弹丸输送装置工作，终端控制装置1控制弹丸料箱4的出口处阀门打开，通过控制阀门开口大小来控制弹丸28从弹丸料箱4下落的速度。同时启动空压机7和超声波发生器3，空压机7的工作功率为2HP，转速3000rpm，工作压力8bar，排气量120L/min，超声波发生器3的工作频率为15-20KHZ。同时打开弹丸加速缸10出口处阀门。

弹丸落入到弹丸引射器6中，同时空压机7吹出的高压空气进入弹丸引射器6，将落入到弹丸引射器6中的弹丸28高速吹出，通过弹丸发射通道8进入弹丸加速缸10中。在超声波发生器3的作用下，弹丸加速缸10中的活塞杆9在弹丸加速缸10中上下滑动，撞击弹丸28使其加速向下。由终端控制装置1检测超声波发生器3的工作时间即弹丸加速缸10的工作时间，当超声波发生器3工作达到设定的一次工作时间阈值后(例如3s)，终端控制装置1关闭弹丸加速缸10下方出口处的阀门，弹丸28停止向下射出。然后，再由弹丸发射通道8向弹丸加速缸10中传输弹丸28，如此完成一次加工。然后再重复加速，弹丸发射通道8再次射出，如此不断重复加工次数，便不断地将弹丸28射出。射出的弹丸28向下经过粉末颗粒29层后，将粉末颗粒28附着在弹丸28下端，高速撞击工件23表面达到加工目的。

步骤五：当工件23加工区域表面达到设定的加工次数后，终端控制装置1控制移动式工作平台22按设定的移动路径运动，使工件23的待加工区域移动到加工位置，在粉末颗粒29的正下方，继续加工，直至工件23表面加工区域全部完成。

Claims (10)

1.一种基于超声加速的表面强化装置，包括超声波发生器(3)、换能器(2)和变幅杆(5)，超声波发生器(3)经换能器(2)连接变幅杆(5)，其特征是：变幅杆(5)的输出端连接活塞杆(9)，活塞杆(9)伸入弹丸加速缸(10)中上下移动；弹丸加速缸(10)下部连接能将弹丸送入其内的弹丸输送装置，弹丸加速缸(10)下端设有弹丸喷射出口，该弹丸喷射出口的下方是位于粉末喷射口(14)与粉末接收口(25)之间的粉末颗粒层，粉末颗粒层的正下方是工件，粉末喷射口(14)和粉末接收口(25)在同一高度水平布置，粉末喷射口(14)是一号风箱(12)的水平出口，所述的粉末接收口(25)是二号风箱(27)的水平进口，粉末颗粒能沿由粉末喷射口(14)、粉末接收口(25)、二号风箱(27)出口、一号风箱(12)下进口形成的路线循环，一号风箱(12)上进口连接其上方的粉末料箱(110。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声加速的表面强化装置，其特征是：一号风箱(12)下进口通过管道依次连接四号粉末传输通道(13)、五号风箱(16)、三号粉末传输通道(17)、四号风箱(18)、二号粉末传输通道(19)、三号风箱(21)、一号粉末传输通道(26)和二号风箱(27)，一号风箱(12)、二号风箱(27)、三号风箱(21)和五号风箱(16)沿矩形的四角处布置。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声加速的表面强化装置，其特征是：所述的弹丸输送装置包括空压机(7)、弹丸引射器(6)、弹丸储存箱(4)以及弹丸发射通道(8)，空压机(7)输出端经弹丸传输通道(8)连接且连通弹丸加速缸(10)下部，弹丸传输通道(8)穿过弹丸引射器(6)，弹丸引射器(6)上方连接弹丸储存箱(4)，弹丸储存箱(4)下端开有弹丸出料口，弹丸出料口通过管道穿过弹丸引射器6连接且连通弹丸传输通道(8)。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声加速的表面强化装置，其特征是：粉末喷射口(14)与粉末接收口(25)之间的水平距离为180～200mm，粉末颗粒区域距离所述的弹丸喷射出口有40～70mm的垂直距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声加速的表面强化装置，其特征是：移动工作平台(22)上表面固定设置夹具(24)，夹具(24)夹持所述的工件，移动工作平台(22)能带动工件作左右、前后，上下的移动。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声加速的表面强化装置，其特征是：活塞杆(9)有两个，两个结构相同的活塞杆(9)沿变幅杆(5)的中心轴线对称分布，一个活塞杆(9)伸入在一个弹丸加速缸(10)中，一个弹丸加速缸(10)下部连接一个弹丸输送装置，两个弹丸输送装置沿变幅杆(5)的中心轴线对称分布。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声加速的表面强化装置，其特征是：粉末料箱(11)内装有单一的或混合的C、N、B粉末颗粒。

8.一种如权利要求1所述的基于超声加速的表面强化装置的表面强化方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一：打开粉末料箱(11)与一号风箱(12)之间的通道，粉末落入一号风箱(12)中。

步骤二：启动所有的风箱，粉末从一号风箱(12)的粉末喷射口(14)射出且朝着对面的粉末接收口(25)，经粉末接收口(25)进入二号风箱(27)，经循环路线到达一号风箱(12)中；

步骤三：与步骤二的同时，弹丸输送装置和超声波发生器(3)工作，弹丸进入弹丸加速缸(10)，在超声波发生器(3)的作用下，活塞杆(9)在弹丸加速缸(10)中上下滑动使弹丸加速向下射出；

步骤四：向下射出的弹丸经过粉末颗粒层，粉末颗粒附着在弹丸下端，撞击工件的表面实现表面强化。

9.根据权利要求8所述的表面强化方法，其特征是：步骤三中，当超声波发生器3达到设定的一次工作时间阈值时，弹丸停止向下射出，再弹丸输送装置向弹丸加速缸(10)中传输弹丸。

10.根据权利要求8所述的表面强化方法，其特征是：步骤四中，当工件加工区域表面达到设定的加工次数后，移动工件，使工件待加工区域在粉末颗粒(29)的正下方，继续加工。

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