超聲波沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

姚尚成，李開發(fā)，胡興遠(yuǎn)，周毅鈞

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

0 引 言

超聲沖擊技術(shù)是一種高效的消除部件表面或焊縫區(qū)有害殘余拉應(yīng)力、引進(jìn)有益壓應(yīng)力的方法。可顯著提高零件的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度，超聲沖擊還可以使作用區(qū)表層金屬組織發(fā)生變化，沖擊部位得以強(qiáng)化[1]，減少應(yīng)力腐蝕開裂的可能性，提高抗脆裂性和增強(qiáng)材料強(qiáng)度，眾多學(xué)者對(duì)超聲沖擊進(jìn)行深入的研究，在微觀和宏觀兩個(gè)方面總結(jié)出多種振動(dòng)時(shí)效去除應(yīng)力機(jī)理的重要結(jié)論[2-4]。

為了檢測(cè)超聲波消除殘余應(yīng)力機(jī)理，筆者研究設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波沖擊試驗(yàn)臺(tái)，目的在于測(cè)試相同壓力、相同移動(dòng)速度條件下，沖擊槍槍頭在接觸區(qū)材料的行為。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以在XY軸向精確移動(dòng)，在Z軸向自由移動(dòng)，可以精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)變量。

1 超聲波沖擊試驗(yàn)臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)

此文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)具有X、Y、Z三個(gè)自由度，其中XY兩軸可以提供精確的運(yùn)動(dòng)定位，Z軸裝夾沖擊槍槍頭，可以根據(jù)試驗(yàn)件的高度尺寸相應(yīng)調(diào)整槍頭到鉗口的距離。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出超聲波沖擊試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)模型，如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)XY兩軸位移運(yùn)動(dòng)是伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲桿模組旋轉(zhuǎn)，直線導(dǎo)桿作為導(dǎo)向和部分支撐，位移反饋是光柵尺傳感器，組成各軸位移系統(tǒng)。

圖1 超聲波沖擊試驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)1.方管架 2.Y軸伺服電機(jī) 3.平口鉗 4.沖擊槍槍頭 5.X軸伺服電機(jī) 6.X軸光柵尺 7.Y軸光柵尺 8.Y軸絲桿 9.導(dǎo)桿10.X軸絲桿

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件選型

2.1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

XY向位移平臺(tái)的功能帶動(dòng)工件在XY水平面上精確運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，在X軸上，通過設(shè)計(jì)U形底座加兩根導(dǎo)向?qū)U，不但可以使工件沿X向平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，而且可以防止工件在運(yùn)動(dòng)過程中偏擺；同時(shí)X軸絲桿與Y軸底板直接連接，沒有絲桿螺母，這樣具有較高的定位精度，降低定位誤差。

圖2 X軸導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 圖3 Y軸導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

如圖3所示，與X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)寬度較小，運(yùn)動(dòng)過程中不宜發(fā)生擺動(dòng)，故僅僅只有一個(gè)導(dǎo)軌槽實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，同樣由伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)。

2.2 Z軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4、5所示，Z軸主要功能是固定裝夾沖擊槍，在夾具中裝有四根彈簧，同時(shí)由于彈簧剛度有限，為了防止槍頭受力而沿Z軸上下跳動(dòng)，在夾具中裝有四個(gè)密封圈，這樣槍頭受力沿Z軸正向移動(dòng)時(shí)需要同時(shí)需要壓縮彈簧，增加槍頭穩(wěn)定性。

圖4 Z軸夾具 圖5 減震組件

2.3 重要零部件選型

2.3.1 絲桿選型

確定滾珠絲杠副導(dǎo)程：

式中:Ph為滾珠絲桿副導(dǎo)程；Vmax為XY軸最大移動(dòng)速度為100 mm/s；nmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為1 800 r/min；i為傳動(dòng)比為1。帶入公式，解得Ph=3.33 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取Ph=4 mm，據(jù)此選擇MISUMI公司生產(chǎn)的壓軋絲桿，型號(hào)分別為BSSR1204-350、BSSR1204-450作為XY軸的驅(qū)動(dòng)件。

2.3.2 伺服電機(jī)的選型

由于X軸承受的負(fù)載大于Y軸承受的負(fù)載，故只需要計(jì)算X軸電機(jī)載荷即可。

初始參數(shù)：X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總質(zhì)量：W=38 kg；導(dǎo)軌表面摩擦系數(shù):μ=0.18；傳動(dòng)比:Z1/Z2=1；絲桿長(zhǎng)度:軸長(zhǎng)L=450。

(1)外負(fù)載計(jì)算：

FW=μW=0.18×380=68.4 N

(2)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩為:

式中:F為X軸徑向移動(dòng)所需要的推力；L為絲桿轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)移動(dòng)距離；η為傳動(dòng)效率=η1η2=0.93；T為電機(jī)負(fù)載，帶入數(shù)值解得：T=0.047 N·m。

考慮到伺服電機(jī)負(fù)載及重量，位移工作臺(tái)選用深圳LiChuiang公司的電機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)CMT-02L02-60M00630

3 組裝調(diào)試及實(shí)驗(yàn)

如圖6、7所示為組裝好的實(shí)驗(yàn)臺(tái)及設(shè)計(jì)的控制操作界面。

圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣機(jī) 圖7 實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作界面

設(shè)計(jì)效果：經(jīng)過調(diào)試驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的XY兩軸的精度均達(dá)到5 μm，直線度達(dá)到0.02 mm，XY兩軸運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定，Z軸沖擊槍槍頭對(duì)工件沖擊振動(dòng)穩(wěn)定，完全滿足實(shí)驗(yàn)精度需求。對(duì)特定實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行超聲沖擊實(shí)驗(yàn)，圖8為紫銅超聲沖擊后試件，圖9、10為紫銅沖擊前后其晶體組織在電子顯微鏡下圖像。

圖8 超聲沖擊試件

圖9 沖擊前 圖10 沖擊后

4 結(jié) 語(yǔ)

通過建立超聲沖擊試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)零件進(jìn)行超聲沖擊試驗(yàn)，可以研究超聲沖擊機(jī)理以及超聲沖擊對(duì)材料表面的強(qiáng)化作用，通過實(shí)驗(yàn)可知：沖擊后的材料表面晶粒顯著細(xì)化，為以后的重要精密零件加工和表面處理提供技術(shù)指導(dǎo)，大大提高零件的整體性能和使用壽命。