用于处理金属工件表面的装置及其方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于表面工程的装置和方法，更具体的说，涉及一种用于处理金属工件表面的装置及其方法。
背景技术
在机械制造领域，表面工程可以合理利用金属材料，充分挖掘材料潜力，在节约能源、降低材料消耗方面有着不可替代的作用。在航空、航天、国防装备等方面，表面工程以其特有的优势在隐身、隔热、减阻、提高武器装备寿命和可靠性等方面获得了广泛的应用。表面工程已经成为21世纪制造业的共性基础和最重要的发展领域之一。
现有的喷丸强化技术是一种利用物理冲击作用使工件表面产生压应力的表面工程技术。喷丸强化技术是通过大量高速运动的弹丸撞击受喷工件的表面，使工件表层和次表层发生一定的塑性变形，而在表层产生一定数值大小的残余压应力，从而实现工件材料的强化、提高金属材料疲劳强度和应力腐蚀抗力行之有效的工艺方法。实践证明，喷丸强化技术能使碳钢、铝合金、钛合金、铁基热强合金、镍基合金、粉末材料以及表面涂层材料等材料的疲劳强度得到显著提高，充分发挥先进材料的潜能。
经过几十年来的发展，喷丸强化技术在航空、航天、兵器制造业得到了高度重视和广泛应用，例如：
(1)军、民用飞机中的承力结构件、部分整体框、梁结构件、齿轮、行星齿轮安装盘、传扭接力盘、动力轴及叶片榫头等结构件都需要经过喷丸工艺处理以达到强度要求；
(2)喷丸强化处理可用来维修飞机上的紧固件(已有裂纹)等。目前飞机上所采用的紧固件数目庞大，每架飞机上所采用的铆钉多达100万件以上。使用喷丸强化技术对飞机机体疲劳关键区、铆钉紧固件等进行处理，可以有效延长飞机的使用寿命，提高飞机使用期内的安全性；
(3)提高关键零部件的耐磨性和疲劳寿命。喷丸强化能在材料内部产生较大的残余压应力。较大的残余压应力对诸如涡轮叶片一类的部件的关键区域有着至关重要的作用，可防止裂纹扩展，延长叶片的使用寿命；
(4)对航空发动机损伤叶片的延寿：对具有裂纹已经报废的航空发动机叶片进行高应变率的喷丸强化延寿，其性能指标甚至能够超过新叶片。
目前无论是国内还是国外，工件的喷丸强化都是通过专门的喷丸机来实现的。根据喷丸的方式进行分类，喷丸机主要有两种类型：机械离心式喷丸机和气动式喷丸机。喷丸机的主要功能是为弹丸提供运动速度，并使工件在工作室内做规定的运动。
气动式喷丸机是由空气压缩机供给压缩空气驱动弹丸，按弹丸的运动方式，又可分为吸入式、重力式和直接加压式三种类型。气动喷丸机灵活性高，工作室内喷嘴数目和安放位置可根据零件的形状、尺寸而随意调整，因而适于多规范、小批量喷丸，尤其适用于科学研究。但是这种喷丸机耗费功率大，生产效率低。
在离心式喷丸机中，弹丸由高速旋转的离心轮抛出，离心轮的叶轮直径一般为300-400mm，转速为1500-3000r/min，弹丸离开叶轮的切向速度为45-100m/s。通常离心轮在工作室中的位置是固定的，靠零件的运动来满足对规定表面的喷丸。离心式喷丸机消耗功率低，生产效率高，喷丸强化质量稳定；但是制造成本较高，灵活性差，适用于批量生产。
喷丸强化的工艺参数主要包括：弹丸直径、弹丸硬度、弹丸运动速度、流量、喷射角度、喷射时间以及喷嘴至工件表面的距离等。喷丸强化处理过程中，通常要求控制和检验的喷丸工艺参数主要有弹丸尺寸和形状、喷丸强度及表面覆盖率。
尽管喷丸强化工艺与装备已经在机械制造领域得到了广泛应用，但现有的喷丸强化技术存在着一些难以解决的技术问题：
(1)喷丸强化技术是一种粗放式、随机性的加工技术。从喷丸机的工作原理可知，在喷丸过程中，大量的丸粒在喷丸机中高速冲击工件，但冲击的速度、角度、距离、位置等都具有明显的随机性，工艺参数和喷丸质量难以精确量化和控制；
(2)现有喷丸机的能耗大、生产效率低。在按照规定的喷丸工艺进行喷丸强化时，大量的弹丸先以设定的速度冲击工件，在冲击工件后弹丸产生反弹，反弹后的弹丸与来自喷嘴的持续不断的后续弹丸将发生随机碰撞，大量弹丸在喷丸机中相互作用，动能彼此抵消，不仅后续弹丸无法以设定的速度冲击工件，影响喷丸效果，降低生产效率，而且弹丸间的无用功将耗费大量的电能。
(3)喷丸机系统体积庞大，系统复杂。无论是离心式喷丸机还是气动式喷丸机，为了对大型工件进行喷丸强化，且不使弹丸丢失很多，大型工件喷丸机的体积一般较庞大，系统复杂，操作繁琐。现有喷丸机设备的价格昂贵、初期投资大，生产成本高。
(4)合理工艺参数的获取主要依靠经验和试喷，缺乏科学、有效的方法。目前国内外通用的测量喷丸强度的方法是阿尔曼(Almen)弧高度试片法。该方法是由美国GM公司的阿尔曼(Almen)提出的，其要点是用一定规格的弹簧钢试片通过检测喷丸强化后的形状变化来间接反映喷丸效果。对于飞机重要结构件来说，在通过弧高度试片法获得工艺参数后，一般还需对1：1的实际结构件再进行试喷和实验验证。因此，总体来说，喷丸强化工艺参数的获取周期长、成本高。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提供了用于处理金属工件表面的装置及其方法，以解决现有喷丸强化技术中的随机性、高能耗和强化设备体积庞大等问题。
根据本发明的一个方面，该用于处理金属工件表面的装置包括：机架；滑箱，可以沿机架的Z轴移动；超声波换能器，设置在滑箱的下部；冲击杆，可拆卸地连接于超声波换能器；冲击头，连接于冲击杆的下端，用于冲击工作台上的金属工件的表面；工作台，设置于机架上，并且工作台可以沿机架的X轴和Y轴移动。
优选地，该工作台可绕其中心轴转动，并且相对于冲击头摆动。并且，滑箱相对于工作台摆动。
优选地，冲击头与冲击杆一体制成，冲击头的表面为球面，该球面的直径为0.2-8mm。并且，该冲击杆具有锥形截面。
根据本发明的另一方面，用于处理金属工件表面的方法包括：将工件夹持在可驱动的工作台上；调整冲击头与工件被加工表面的位置，使冲击头的轴线垂直于工件的被加工表面；设定冲击头的冲击速度及冲击力，使得冲击头跟随工件表面形状移动并保证冲击头的轴线垂直于工件的被加工表面；使冲击头以预定的冲击速度和冲击力冲击被加工工件表面。
优选地，冲击头对金属工件的冲击力的范围为900-1500N。
优选地，通过相对于金属工件移动和/或摆动冲击头来调整冲击头的位置，以及通过相对于冲击头移动和/或摆动和/或转动金属工件来调整金属工件的位置。
优选地，通过激振方法，使冲击头进行高速往复运动，其中，激振方法包括超声激振、电磁激振以及其它机械激振方法
根据本发明的用于处理金属工件表面的装置和方法，克服了现有喷丸强化技术中的随机性、高能耗和强化设备体积庞大等缺点，具有精确化、低能耗、体积小、生产效率高、强化质量高等优点。
【附图说明】
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的优选实施例的用于在金属工件表面产生压应力的往复式冲击强化装置。
图2示出了根据本发明优选实施例的冲击头。
【具体实施方式】
考虑到相关技术中存在的问题，本发明提供一种用于在金属工件表面产生压应力的往复式冲击强化装置和方法。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。应理解，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，图1中示出了用于在金属工件表面产生压应力的往复式冲击强化装置，该装置包括机架1、滑箱2、超声波换能器3、变幅冲击杆4、冲击头5、X-Y移动工作台7以及超声波发生器8，其中，金属工件6放置在移动工作台7上。
在机架1上，沿Z轴方向设置有导轨(或第一导轨)，滑箱2能够在该导轨上上下移动，而且，其能够沿B轴或相对于工作台摆动。超声波换能器3设置在滑箱2的下部，变幅冲击杆4与超声波换能器3相连，冲击头5位于冲击杆4的下端。冲击头5可拆卸地连接于冲击杆4。该冲击头5具有空间曲面形状，其中，图2示出了根据本发明的优选实施例的具有球面形状的冲击头，该球面的直径为0.2-8mm。
在与冲击头5相对的另一侧设置有移动工作台7，使得冲击头能够对金属工件表面进行机械冲击。并且，在机架1上设置有与纸面垂直的X向导轨(或第二导轨)和Y向导轨(或第三导轨)，移动工作台7能够沿与纸面垂直的X向导轨和Y向导轨移动，并且，该工作台7能够沿着其中心轴(如图1所示的A轴)转动以及能够绕X轴或相对于冲击头/冲击杆摆动。
为了对具有不同尺寸和形状的金属工件表面进行冲击强化，并取得理想的强化效果，采用数控机床中广泛使用的多轴伺服控技术，对滑箱2和X-Y移动工作台7进行运动控制。因此，可以通过控制滑箱2，例如，上下移动滑箱2或使滑箱2绕B轴摆动，来调整其相对于移动工作台7上的金属工件的位置。或者，可以通过控制移动工作台7，例如，移动该工作台7、使该工作台7绕其中心轴转动、使该工作台7绕X轴摆动，从而调节工作台7上的金属工件相对于冲击头5的位置。或者，通过同时控制滑箱2和移动工作台7使得冲击杆4相对于工件6始终处于最佳的姿态和位置。从而，上述结构使得冲击头5在对工件6进行冲击时，冲击力可以精确地按照要求的角度和作用位置逐点地全面冲击需要强化的工件6的表面，达到在金属工件表面产生压应力、强化材料性能、提高工件疲劳寿命和抗应力腐蚀能力的目的。其中，冲击头5对工件6进行冲击时，其冲击速度范围在5-100m/s之间，冲击力在900-1500N之间，可以达到较好的强化效果。
超声波发生器8在图中未示出的控制系统的控制下，将供电电能转换成与超声波换能器3相匹配的高频交流电信号，并驱使超声波换能器3产生机械振动。变幅冲击杆4将超声波换能器3的超声振动的振幅加以放大，以得到冲击强化所需要的振幅。变幅冲击杆4之所以能够放大振幅，是因为其形状为上粗下细的变截面(或锥形截面)杆，由于通过变幅冲击杆4每一截面的振动能量是不变的(不计传播消耗)，截面小的地方能量密度大。而振幅正比于能量密度的平方根，所以截面越小，其能量密度越大，振动的振幅也越大，该振动最终可带动冲击头5对工件6的表面进行冲击强化。
根据本发明的冲击杆和冲击头的材料为具有一定硬度、强度和疲劳寿命的金属或非金属材料。并且，冲击杆和冲击头可以制成一体式，也可以制成分体装配式，且冲击杆和冲击头是可更换的。此外，冲击杆和冲击头的数量不限于1个。
根据本发明，通过对冲击杆或工件姿态/位置的多轴数字伺服控制，实现冲击杆以指定的角度对工件表面进行冲击，优选地，沿着工件表面的法线方向对工件表面进行冲击，并实现了对待强化工件表面的冲击覆盖率。
根据本发明，通过超声波激振器、电磁激振器及其它机械激振方法等激振方法，使具有一定质量的冲击杆及位于冲击杆端部的、具有空间曲面形状的冲击头产生高速往复运动；并且通过多轴伺服控技术对冲击杆或工件的姿态和位置进行控制(即，通过相对于金属工件移动和/或摆动冲击头来调整冲击头的姿态和位置，以及通过相对于冲击头移动和/或摆动和/或转动金属工件来调整金属工件的姿态和位置)，使得冲击头在对金属工件表面进行机械冲击时，冲击力可以精确地按照要求的角度和作用位置逐点地全面冲击需要强化的金属工件表面，从而在金属工件表面产生压应力、强化材料性能、并提高工件疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。