一种超声冲击强化用变幅杆及其使用方法技术

本发明专利技术属于零件表面处理技术，涉及一种超声冲击强化用变幅杆及其使用方法。变幅杆(1)为阶梯状一体结构，依次由大圆柱段(2)、变截面段(3)和小圆柱段(4)三部分组成；本发明专利技术将阶梯形变幅杆与圆锥形变幅杆组合形成三段式复合变幅杆，在提高放大系数M的同时尽可能地减少应力集中，满足长时间使用需求，相比其他类型的复合变幅杆，本发明专利技术的复合变幅杆具有放大系数最大、形状因素最大、应力集中较小等优点。应力集中较小等优点。应力集中较小等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种超声冲击强化用变幅杆及其使用方法


[0001]本专利技术属于零件表面处理技术，涉及一种超声冲击强化用变幅杆及其使用方法。

技术介绍

[0002]盲孔、沟槽、榫槽等结构自身存在显着的结构应力集中，同时，盲孔、沟槽、榫槽的内壁因机加工难度较大，表面质量不佳，且因内壁不易观察，检测过程难以及时发现微观缺陷，可能造成内壁表面存在较高的局部表面应力集中。在交变载荷作用下，内壁易萌生疲劳裂纹，导致零件疲劳失效。因此，亟需通过表面形变强化方式，引入残余压应力层和微观组织硬化层，改善内壁表面完整性，提高疲劳裂纹萌生和扩展阻力。
[0003]弹丸式超声冲击强化技术是一种新型的盲孔、沟槽、榫槽等结构内壁的表面形变强化技术。利用工具头、内孔等工装与盲孔、沟槽、榫槽等结构形成封闭的型腔，并在型腔中放置一定数量的弹丸，通过换能器产生振动源，通过变幅杆放大机械振动系统质点的位移或速度，即增幅，使弹丸受激产生高速运动撞击型腔内壁，实现对盲孔、沟槽、榫槽等结构内壁的表面形变强化。传统的单一结构(如指数形、圆锥形、悬链线形)变幅杆的增幅效果有限，放大系数仅3～6。而阶梯形变幅杆虽然放大系数能达到12～20，但其截面变化过于跳跃，形状因数φ＜1，造成局部应力集中过大，其应力往往超过了材料的允许应力，使用一段时间后易萌生疲劳裂纹。因此，亟需一种新型的变幅杆，既能具备较大的放大系数，达到增幅的目标，又能降低自身应力集中，满足长时间使用的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：提出一种超声冲击强化用变幅杆及其使用方法，目的获得较大的振幅放大系数，达到增幅的目标，同时，降低变幅杆自身的应力集中，满足长时间使用的需求。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种超声冲击强化用变幅杆，变幅杆1为阶梯状一体结构，依次由大圆柱段2、变截面段3和小圆柱段4三部分组成；其中，大圆柱段2依次由下圆柱段202、中圆柱段203和上圆柱段204三部分组成，在下圆柱段202、中圆柱段203的中心位置设有内螺纹孔201；小圆柱段4由连接圆柱段401、过渡段402和工具头403三部分组成；变截面段3的横截面为圆锥形，总长为l，圆锥的蜿蜒指数α为(N－1)/(N＊l)，N为面积系数＝(S1/S2)
0.5
＝D1/D2，S1为上圆柱段(204)的横截面面积；S2为连接圆柱段401的横截面面积；上圆柱段204的直径为D1，圆锥的锥面直径函数为D1＊(1－αx)，x为锥面上距大圆柱段204的底面的轴向距离。
[0007]下圆柱段202和上圆柱段204的直径均为D1，中圆柱段203的直径为D1－4mm。
[0008]连接圆柱段401的直径为D2＝Φ26～30mm，工具头403为长方体形状，长度为n＝20～30mm，底面为正方形，边长为(16～24)mm。
[0009]变幅杆1的材质为TC4、TB6、TC11、TC17牌号钛合金中的一种。
[0010]变幅杆1的轴向总长为λ/2，λ为钛合金中声波的波长，变截面段3的轴向长度为λ/
10，大圆柱段2和小圆柱段4的轴向长度均为λ/5。
[0011]变幅杆1的谐振频率18～21KHz，振幅放大系数为12～16。
[0012]一种超声冲击强化用变幅杆的使用方法，
[0013]1)将变幅杆的内螺纹孔201与换能器的外螺纹相连接；
[0014]2)将工具头403嵌入型腔7中，工具头403与型腔7的四个内壁的间隙为0.1～1mm，与型腔7的顶部距离为10～200mm；
[0015]3)在型腔7中放置1～200个弹丸，弹丸直径为工具头403与型腔7间隙的2～20倍；
[0016]4)在换能器5的激振下，变幅杆1增加振幅，激励弹丸发生高速运动，撞击型腔7的顶部和四个内壁。
[0017]述变幅杆1与换能器5、型腔底座6的中央方孔以及型腔7的底部方孔同轴。
[0018]本专利技术的优点是：
[0019]本专利技术将阶梯形变幅杆与圆锥形变幅杆组合形成三段式复合变幅杆，在提高放大系数M的同时尽可能地减少应力集中，满足长时间使用需求，相比其他类型的复合变幅杆，本专利技术的复合变幅杆具有放大系数最大、形状因素最大、应力集中较小等优点，见表2所示，。另外，考虑到变幅杆与换能器的连接问题，在变幅杆输入端面中心设计一个内螺纹孔，同时在大圆柱段的上圆柱段和下圆柱段之间设计一个中圆柱段，中圆柱段直径比上/下圆柱段直径小，可用于大扳手拧紧变幅杆与换能器。此外，考虑到喷丸工件的便捷性，在不改变变幅杆长度的前提下，在变幅杆小圆柱段上铣出一个方形工具头，可满足形成封闭型腔的需求。
附图说明
[0020]图1变幅杆的结构示意图
[0021]图2变幅杆与弹丸腔室装配图
具体实施方式
[0022]下面结合附图对本专利技术进一步说明：
[0023]如图1、图2所示，一种超声冲击强化用变幅杆，变幅杆1为阶梯状一体结构，依次由大圆柱段2、变截面段3和小圆柱段4三部分组成；其中，大圆柱段2依次由下圆柱段202、中圆柱段203和上圆柱段204三部分组成，在下圆柱段202、中圆柱段203的中心位置设有内螺纹孔201；小圆柱段4由连接圆柱段401、过渡段402和工具头403三部分组成；变截面段3的横截面为圆锥形，总长为l，圆锥的蜿蜒指数α为(N－1)/(N＊l)，N为面积系数＝(S1/S2)
0.5
＝D1/D2，S1为上圆柱段(204)的横截面面积；S2为连接圆柱段401的横截面面积；上圆柱段204的直径为D1，圆锥的锥面直径函数为D1＊(1－αx)，x为锥面上距大圆柱段204的底面的轴向距离。
[0024]下圆柱段202和上圆柱段204的直径均为D1，中圆柱段203的直径为D1－4mm。
[0025]连接圆柱段401的直径为D2＝Φ26～30mm，工具头403为长方体形状，长度为n＝20～30mm，底面为正方形，边长为(16～24)mm。
[0026]变幅杆1的轴向总长为λ/2，λ为钛合金中声波的波长，变截面段3的轴向长度为λ/10，大圆柱段2和小圆柱段4的轴向长度均为λ/5。谐振频率18～21KHz，振幅放大系数为12～
16。材质一般选择TC4、TB6、TC11、TC17牌号钛合金中的一种。变幅杆1与换能器5、型腔底座6的中央方孔以及型腔7的底部方孔同轴。
[0027]一种超声冲击强化用变幅杆的使用方法，
[0028]1)将变幅杆的内螺纹孔201与换能器的外螺纹相连接；
[0029]2)将工具头403嵌入型腔7中，工具头403与型腔7的四个内壁的间隙为0.1～1mm，与型腔7的顶部距离为10～200mm；
[0030]3)在型腔7中放置1～200个弹丸，弹丸直径为工具头403与型腔7间隙的2～20倍；
[0031]4)在换能器5的激振下，变幅杆1增加振幅，激励弹丸发生高速运动，撞击型腔7的顶部和四个内壁。
[0032]本专利技术的工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声冲击强化用变幅杆，其特征在于：变幅杆(1)为阶梯状一体结构，依次由大圆柱段(2)、变截面段(3)和小圆柱段(4)三部分组成；其中，大圆柱段(2)依次由下圆柱段(202)、中圆柱段(203)和上圆柱段(204)三部分组成，在下圆柱段(202)、中圆柱段(203)的中心位置设有内螺纹孔(201)；小圆柱段(4)由连接圆柱段(401)、过渡段(402)和工具头(403)三部分组成；变截面段(3)的横截面为圆锥形，总长为l，圆锥的蜿蜒指数α为(N－1)/(N＊l)，N为面积系数＝(S1/S2)
0.5
＝D1/D2，S1为上圆柱段(204)的横截面面积；S2为连接圆柱段(401)的横截面面积；上圆柱段(204)的直径为D1，圆锥的锥面直径函数为D1＊(1－αx)，x为锥面上距大圆柱段(204)的底面的轴向距离。2.根据权利要求1所述的一种超声冲击强化用变幅杆，其特征在于：下圆柱段(202)和上圆柱段(204)的直径均为D1，中圆柱段(203)的直径为D1－4mm。3.根据权利要求1所述的一种超声冲击强化用变幅杆，其特征在于：连接圆柱段(401)的直径为D2＝Φ26～30mm，工具头(403)为长方体形状，长度为n＝20～30mm，底面为正方形，边长为(16～24)mm。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗学昆，田凯，王欣，许春玲，马世成，王强，宋颖刚，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：