[发明专利]一种超声冲击强化用变幅杆及其使用方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明的目的是：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。

本发明的技术方案是：

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。

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。

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。

变幅杆1的材质为TC4、TB6、TC11、TC17牌号钛合金中的一种。

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。

变幅杆1的谐振频率18～21KHz，振幅放大系数为12～16。

一种超声冲击强化用变幅杆的使用方法，

1)将变幅杆的内螺纹孔201与换能器的外螺纹相连接；