技术领域
[0001] 本
发明涉及金属表面
超声喷丸强化技术领域，更加具体地说，涉及一种全角度柔性针式超声喷丸设备及其设计方法，可广泛应用于航空航天、海洋工程、
汽车工业、石化、
桥梁船舶等领域复杂薄壁金属零件表面强化及金属
焊接零件消除应
力和校形，例如飞机壁板消除
应力、校形、表面强化等。
背景技术
[0002] 金属表面超声喷丸处理是一种新型的表面强化技术，该技术通过超声振动机械能驱动喷丸球或喷丸针高速撞击金属表面，在金属表面一定深度内形成塑性
变形和残余压应力区域，同时使板材逐步发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种先进喷丸强化与成形工艺。相比于传统喷丸技术，超声喷丸处理能在金属表面获得更深的塑性变形和压应力层，且表面粗糙度值小，光洁度良好；同时超声喷丸设备简单灵活，既可以结合自动化设备实现数控超声喷丸，也可以通过人工
手持设备实现复杂环境下的野外作业。因此，超声喷丸技术在航空航天、海洋工程、汽车工业、石化、桥梁船舶等领域具有广阔的应用前景。
[0003] 超声喷丸处理技术是基于超声冲击处理技术发展演化形成的，目前，已公布的超声冲击处理技术，无论是自动化操作还是人工操作，其共同特点是冲击球或冲击针一端与变幅杆末端直接
接触，另一端与待处理金属表面直接接触，即三者为纵向硬接触。为了超声振
动能够有效传递至金属
工件，超声冲击处理实施过程需要对超声冲击执行装置施加数十
牛顿至数百牛顿的压力，此过程中金属工件也受到相应大小的压力。这种超声冲击处理技术的缺点是：1.很难有效作用于凹凸不平的金属表面或有台阶的金属表面，例如
焊缝表面或有台阶的轴零件表面等。2.很难有效作用于具有大
曲率半径的金属零件表面，例如LNG储罐表面，火箭液态
燃料储罐以及导弹壳体表面等。3.超声冲击处理薄壁工件时，施加的压力容易导致工件局部变形。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种全角度柔性针式超声喷丸装置，利用吸力使得喷丸针末端被
吸附在换能器变幅杆末端端面上，变幅杆末端的超声振动使得喷丸针被弹射出去，由于针套的阻挡喷丸针不会完全弹出针套，这样就实现了喷丸针在超
声换能器变幅杆和待处理金属工件之间较大距离范围内(距离范围0-30mm)不断的往复撞击。此设计实现了喷丸针与工件表面之间的柔性接触，即仅在超声喷丸瞬间喷丸针端部与待处理金属工件表面撞击接触，整个超声喷丸装置在喷丸之前不需要与金属工件表面之间硬接触，有效解决了前述已公布超声冲击处理技术的
缺陷。
[0005] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
[0006] 全角度柔性针式超声喷丸装置，包括
超声波发生器、换能器、变幅杆和喷丸针，
超声波发生器与换能器相连，换能器与变幅杆相连，利用吸力将喷丸针吸附在变幅杆末端端面上，变幅杆末端的超声振动使得喷丸针穿过针套弹射出去，与工件作用后被吸力作用重新吸附在变幅杆末端端面上。
[0007] 而且，换能器和变幅杆设置在
外壳中，超声波发生器穿过外壳并密封，且与换能器相连；外壳上设置吸气口并与吸气装置相连并密封；在外壳前端设置与之相连的针套并密封，针套中设置与喷丸针大小匹配的通道，以供喷丸针来回往复运动；在这一设计中，利用吸气装置将整个外壳内空间形成
负压，在超声作用开始后，变幅杆末端的超声振动使得喷丸针穿过针套弹射出去，由于外壳和针套密封连接且针的套通道与喷丸针大小匹配，在喷丸针与工件作用后被吸力作用穿过针套，重新吸附在变幅杆末端端面上，实现喷丸针在变幅杆和工件之间的往复运动。
[0008] 而且，选择在吸气口出设置气
阀，以便于连接吸气装置和管路，同时控制外壳内的
真空度，进而控制喷丸针的往复运动。
[0010] 而且，喷丸针为两头细中间粗的喷丸针，或者阶梯台阶式圆柱圆底喷丸针。
[0011] 与现有技术相比，本发明的超声喷丸装置(即超声冲击装置)利用
超声变幅杆和负压吸力相互配合，实现喷丸针(即冲击针)与工件表面之间的柔性接触，整个超声喷丸装置在喷丸之前不需要与金属工件表面之间硬接触，避免直接硬接触带来的影响。
附图说明
[0012] 图1是本发明的全角度柔性针式超声喷丸装置的结构示意图。
[0013] 图2是传统超声冲击与本
专利超声喷丸在处理凹凸不平表面或具有台阶金属工件表面时的对比示意图：(a)传统超声冲击处理；(b)本专利超声喷丸处理。
[0014] 图3是传统超声冲击处理与本专利超声喷丸装置处理大
曲率半径工件表面时的对比示意图：(a)传统超声冲击处理；(b)本专利超声喷丸处理。
[0015] 图4是传统超声冲击与本专利超声喷丸在处理薄壁工件表面时的对比示意图：(a)传统超声冲击处理；(b)本专利超声喷丸处理。
[0016] 图5是本发明中使用的喷丸针结构示意图(1)。
[0017] 图6是本发明中使用的喷丸针结构示意图(2)。
具体实施方式
[0018] 下面结合具体
实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0019] 如附图所示，全角度柔性针式超声喷丸装置，包括超声波发生器(即超声波电源)、换能器、变幅杆和喷丸针，换能器和变幅杆设置在外壳中，超声波发生器穿过外壳并且与换能器相连；外壳上设置吸气口并与吸气装置相连并密封；在外壳前端设置与之相连的针套并密封，针套中设置与喷丸针大小匹配的针孔，以供喷丸针来回往复运动；在这一设计中，利用吸气装置在变幅杆周围空间形成负压，使得喷丸针吸附在变幅杆末端端面上；在换能器开始工作后，变幅杆末端的超声振动使得喷丸针穿过针套弹射出去，由于外壳和针套密封连接且针套的针孔与喷丸针大小匹配，在喷丸针与工件碰撞后被吸力作用重新吸附在变幅杆末端端面上，实现喷丸针在变幅杆末端端面和工件之间的往复运动。选择在吸气口出设置气阀，以便于连接吸气装置和管路，同时控制外壳内的真空度，进而控制喷丸针的往复运动。吸气装置为气泵。喷丸针为两头细中间粗的喷丸针，利用中间粗段将喷丸针限制在针孔中进行来回往复运动。
[0020] 其中换能器采用压电陶瓷式换能器，该种换能器由2至12片偶数片压电陶瓷组成，也可选用
磁致伸缩式换能器；换能器结构可采用半
波长结构换能器、全波长结构换能器以及3/2波长结构换能器。
[0021] 将本发明的超声喷丸与现有技术进行对比说明如下：
[0022] (1)针对凹凸不平表面或具有台阶工件表面：传统超声冲击处理技术，由于超声冲击针与金属工件表面硬接触且两者之间存在数十牛顿至数百牛顿的压力，要求超声冲击针的一端与变幅杆接触，另一端与工件表面接触，当超声冲击执行装置沿工件表面横向移动时，超声冲击针由于无法在工件和变幅杆之间形成较大的回弹空间进而受到阻挡，很难越过工件表面凹凸不平处或者具有台阶的表面。在本发明装置中，当超声喷丸执行装置沿金属工件表面横向移动时，由于喷丸针具有较大的回弹空间，只要工件表面不平度小于喷丸针的最大回弹距离，喷丸针就不会受到凹凸不平或台阶的阻挡。
[0023] (2)针对具有大曲率半径的金属零件表面：同样由于超声冲击针与金属工件表面硬接触且两者之间存在数十牛顿至数百牛顿的压力，当采用传统的超声冲击技术处理具有大曲率半径的金属内表面时，冲击针横向运动受到曲面的影响造成冲击执行装置移动受阻；处理外表面时，过大的曲率半径造成冲击针很难与金属表面良好接触，超声振动不能有效传递。本发明装置，无论针对大曲率半径金属内表面还是外表面，由于具有较大的回弹空间，冲击执行装置移动时，喷丸针不会受到大曲率表面阻挡，也不会接触不良。
[0024] (3)针对薄壁零件：传统超声冲击处理时，薄壁零件因为受到数十牛顿至数百牛顿的压力的作用，在超声冲击之后，工件很容易产生较大的局部变形。本发明中，因为喷丸针与工件表面是柔性接触，不存在上述静压力的作用，不会导致薄壁局部变形。
[0025] 通过本发明中超声喷丸针与金属工件表面之间柔性接触的设计，即超声喷丸针具有较大的回弹距离，可以成功应用于凹凸不平表面或具有台阶的工件表面、大曲率半径的金属零件表面以及薄壁零件的表面强化处理，大大拓展超声喷丸强化处理金属表面的应用范围。同时，由于不需要在超声冲击设备和工件之间施加压力，可实现从工件任意角度的喷丸处理。
[0026] 在本法明中，喷丸针可选择两种形状，一个是中间直径粗，两头直径细；另一种喷丸针为阶梯圆柱形状，尾端既与变幅杆端面接触端为圆头状，具体可参见中国发明专利
申请“阶梯型超声冲击针装置及其应用”(申请号为2013100458871)，直径d和D在1mm～15mm之间。喷丸针套用于安装喷丸针，针对两种喷丸针，针套具有对应形状且与喷丸针向匹配的通道(即针孔)。喷丸针在喷丸针套内可以沿针自身轴向前后活动，活动空间就是喷丸针的回弹空间L，大小0～30mm。喷丸针套固定在换能器外壳上之后，喷丸针不会掉出针套。气泵用于产生吸回喷丸针的吸力，通过气阀或者
控制器调控吸力大小，吸力远小于变幅杆末端超声振动传递给喷丸针的弹射力，以使喷丸针弹射出去，吸力大于喷丸针重量，以实现回收喷丸针。
[0027] 为提高超声冲击强化效率和喷丸处理
覆盖率，选择喷丸针阵列形式，即在喷丸针套上设置相应的供喷丸针往复运动的针孔，具体方式可参考中国发明专利“一种超声冲击枪用多针式冲击头的设计方法”(申请号2015101723549)进行带旋转角度的排列。
[0028] 以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、
修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
