一种超声喷丸高速均匀加工各种型面的系统及方法与流程

本发明涉及机械喷丸加工领域，特别是涉及一种超声喷丸高速均匀加工各种型面的系统及方法。

背景技术

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。

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的超声喷丸高速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：一种超声喷丸高速均匀加工各种型面的系统，包括工作台以及设置在工作台上的第一连接件、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；所述驱动机构用于驱动工件进给，工件装夹在驱动机构上；所述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，所述振动变幅杆安装有一对位置相对的压电致动器，两个所述压电致动器沿垂直于轴线的方向间隔设置，所述压电致动器与超声波发生器连接；所述喷丸填充装置用于将喷丸送入混合器内；所述喷气机构用于将压缩气体冲入混合器；所述混合器位于振动变幅杆上方，用于将压缩气体与喷丸混合，将喷丸喷向振动变幅杆的端面，喷丸经过端面反弹加速后对下方的工件进行加工；所述控制系统与喷气机构、驱动机构连接以控制其工作。

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，所述第一连接件设置有内腔；所述振动变幅杆插装在内腔中；所述振动变幅杆包括按顺序依次设置的配合定位段、第二连接件安装段、致动器安装段、第三连接件安装段以及喷丸作用段；所述配合定位段和喷丸作用段位于振动变幅杆两端，所述配合定位段与内腔底部配合相连，所述喷丸作用段外端面用于反弹喷丸；所述第二连接件安装段与内腔内壁之间安装有第二连接件；所述压电致动器设置有两个且位置相对地安装在致动器安装段；所述第三连接件安装段设置有第一凹槽，所述第一凹槽与内腔外壁之间安装有第三连接件，所述第三连接件与第一连接件固定连接。

进一步，所述第一凹槽和第三连接件对应设置有两个且沿轴线间隔设置。

进一步，所述内腔底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第一垫片，所述第一垫片外端设置有圆锥形凹槽，所述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，所述第二连接件安装段和致动器安装段组成一个阶梯轴，第一连接段到致动器安装段直径依次减小，所述压电致动器外圈设置有卡簧，所述卡簧靠近第二连接件安装段的外周设置有台阶，所述台阶与第二连接件安装段组成能匹配安装第二连接件的第二凹槽。

进一步，所述混合器包括气道和喷丸加入道，所述气道朝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，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速均匀加工各种型面的系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：将工件装夹在工作台的驱动机构上；

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振动变幅杆末端的端面上的以振动变幅杆轴心为圆心的圆形区域内，同时超声波发生器开启，振动变幅杆在压电致动器提供的超声频电能激励下，实现轴向振动，喷丸经过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，待工件的加工面全部加工完后，停止系统运作。

进一步，所述喷丸为球体，所述喷丸的直径r和速度v按照如下公式设置，

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。

本发明的有益效果是：本发明利用压电致动发生器使得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，可加工出较大凹面，实现凸凹面及均匀度精密控制。可用于加工各类曲面的表面处理，在加工空间较为狭小的齿轮齿面的表面处理工艺中具有更加广泛的应用前景。

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是振动变幅杆的结构示意图；

图5是卡簧、压电致动器和第二连接件的连接结构局部示意图。

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速均匀加工各种型面的系统，包括工作台9以及设置在工作台9上的第一连接件1、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；所述驱动机构91用于驱动工件8进给，工件8装夹在驱动机构91上；所述振动变幅杆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，所述振动变幅杆2安装有一对位置相对的压电致动器6，两个所述压电致动器6沿垂直于轴线的方向间隔设置，所述压电致动器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，将喷丸喷向振动变幅杆2的端面，喷丸经过端面反弹加速后对下方的工件8进行加工；所述控制系统与喷丸填充装置4、喷气机构5、驱动机构连接以控制其工作。

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，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，输出轴通过联轴器与中间轴连接，中间轴顶端通过键与锥形齿轮或阶梯轴连接，电机带动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。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设置有内腔11，内腔11沿其外圈轴线延伸。振动变幅杆2插装在内腔11内，其轴线与第一连接件1外圈或内腔11的轴线重合。内腔11的截面可以是圆形或者对边形，为了振动变幅杆2不随意转动，本实施的内腔11的截面为多边形，用于传递和承受扭转力矩，优选地，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，振动变幅杆2包括按顺序依次设置的配合定位段21、第一连接段22、第二连接件安装段23、致动器安装段24、第三连接件安装段25以及喷丸作用段26。第一连接段22、第二连接件安装段23、致动器安装段24、第三连接件安装段25均呈圆柱状。所述配合定位段21和喷丸作用段26位于振动变幅杆2两端，喷丸作用段26用于反弹和加速喷丸。所述配合定位段21与内腔11底部配合相连，优选地，所述内腔11底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第一垫片12，所述第一垫片12外端设置有圆锥形凹槽，所述配合定位段21为圆锥体且与圆锥形凹槽匹配，圆锥的锥度为1:12，配合定位段21插入安装在圆锥形凹槽内，配合定位段21和第一垫片12用于传递和承受轴向载荷，第一垫片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。

所述第二连接件安装段23与内腔11内壁之间安装有第二连接件231，第二连接件231内圈可以是圆形或其他形状，本实施例中，为了第二连接件231可以传递扭矩，优选地，采用多面体连接来传递扭矩，所述第二连接件231截面的外圈为与内腔11匹配的多边形，所述第二连接件231截面内圈和第二连接件安装段23截面为相互匹配的多边形，截面为非圆形，可传递扭矩。所述第二连接件231与第一连接件1固定连接，优选地，所述第二连接件231截面内圈和第二连接件安装段23截面为正八边形，第二连接件231的截面外圈为正六边形。进一步，第二连接件231和第一连接件1的连接方式优选为，所述第二连接件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，第二连接件231的螺栓孔为盲孔，所述第二连接件231与第二连接件安装段23之间安装有适配的第一垫圈。第一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，在振动变幅杆反复扭转的过程中，不易产生疲劳破坏。第二连接件安装段23的轴径较第一连接段22少0.1-0.2mm。

致动器安装段24轴径约为第二连接件安装段23的2/3，压电致动器6安装在致动器安装段24，压电致动器6用于实现振动变幅杆的轴向谐振的振动。优选地，所述第二连接件安装段23和致动器安装段24组成一个阶梯轴，第一连接段22到致动器安装段24直径依次减小，致动器安装段24在径向上间隔设置有一对用于安装压电致动器6并与之匹配的安装凹槽。如图5所示，压电致动器6安装入安装凹槽后，其外圈设置有卡簧61夹紧固定，所述卡簧61靠近第二连接件安装段23的外周设置有台阶，所述台阶面呈正六面体并与第二连接件安装段23组成能匹配安装第二连接件231的第二凹槽，这样第二连接件231有一部分安装在卡簧61的台阶上，相当于对卡簧61有夹紧固定的作用，使得压电致动器6固定更加稳固，而卡簧61的台阶又对第二连接件231具有限位作用。

所述第三连接件安装段25设置有第一凹槽251，所述第一凹槽251与内腔11外壁之间安装有第三连接件2511，所述第三连接件2511与第一连接件1固定连接，所述第三连接件2511截面的外圈为与内腔11匹配，第三连接件2511与第一凹槽251之间设置有圆形垫圈。上述第二连接件231、第三连接件2511、第一垫圈、圆形垫圈以及卡簧61均由高弹性模量的材料制成，通过变形卡装进振动变幅杆2上。

所述第三连接件2511截面内圈为圆形，优选地，所述第一凹槽251和第三连接件2511对应设置有两个且沿轴线间隔设置。其中，所述振动变幅杆2的振型节点与第二连接件231、两个第三连接件2511的位置重合。安装时，第二连接件231与其中一个第三连接件2511旋转180°，两个第三连接件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，所述致动器安装段24到第三连接件安装段25之间依次设置有延伸段27和中间轴段28。所述中间轴段28在整个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三连接件安装段25。延伸段27和中间轴段28的长度具体根据实际需求进行调整。

所述第三连接件安装段25和喷丸作用段26之间设置有第二连接段29，所述第二连接段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，从第三连接件安装段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，满足在高效的粗加工、精加工各类圆柱齿轮时的高振动速度要求，使其在一定振动周期内具有更快的振动速度，提高了工件表面质量，包括表面粗糙度及残余应力等。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振动变幅杆激励速度后的较低y向合成速度，v2为经过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振动变幅杆激励速度后的较高的y向合成速度，v3为经过振动变幅杆激励后的较高的喷丸速度。经过混合器及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。

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。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，并使得振动变幅杆实现轴向振动。振动变幅杆2用于将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。振动变幅杆2在一对压电致动器6的激励作用下，实现了轴向振动；振动变幅杆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，避免了当振动变幅杆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。

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

步骤一：将工件装夹在工作台的驱动机构上；

步骤二：控制系统开启喷气机构5，同时启动喷丸填充装置4，高压气体混合着喷丸从混合器3喷出至振动变幅杆2末端的端面(即喷丸作用段26的端面)上的以振动变幅杆轴心为圆心的圆形区域内，圆形区域半径优选1-2mm，同时超声波发生器开启，振动变幅杆2在压电致动器6提供的超声频电能激励下，实现轴向振动，喷丸经过振动变幅杆2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，待工件的加工面全部加工完后，停止系统运作。

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。