超聲波沖擊試驗臺設計

姚尚成，李開發(fā)，胡興遠，周毅鈞

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

0 引 言

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

為了檢測超聲波消除殘余應力機理，筆者研究設計一臺超聲波沖擊試驗臺，目的在于測試相同壓力、相同移動速度條件下，沖擊槍槍頭在接觸區(qū)材料的行為。該實驗臺可以在XY軸向精確移動，在Z軸向自由移動，可以精準控制實驗變量。

1 超聲波沖擊試驗臺整體方案設計

此文設計的試驗臺具有X、Y、Z三個自由度，其中XY兩軸可以提供精確的運動定位，Z軸裝夾沖擊槍槍頭，可以根據(jù)試驗件的高度尺寸相應調整槍頭到鉗口的距離。

根據(jù)上述設計方案，設計出超聲波沖擊試驗臺樣機模型，如圖1所示，試驗臺XY兩軸位移運動是伺服電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿模組旋轉，直線導桿作為導向和部分支撐，位移反饋是光柵尺傳感器，組成各軸位移系統(tǒng)。

圖1 超聲波沖擊試驗臺樣機1.方管架 2.Y軸伺服電機 3.平口鉗 4.沖擊槍槍頭 5.X軸伺服電機 6.X軸光柵尺 7.Y軸光柵尺 8.Y軸絲桿 9.導桿10.X軸絲桿

2 試驗臺結構設計及關鍵零部件選型

2.1 試驗臺結構設計

XY向位移平臺的功能帶動工件在XY水平面上精確運動。如圖2所示，在X軸上，通過設計U形底座加兩根導向導桿，不但可以使工件沿X向平穩(wěn)運動，而且可以防止工件在運動過程中偏擺；同時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軸導向機構 圖3 Y軸導向機構

如圖3所示，與X軸運動機構相比，Y軸運動機構寬度較小，運動過程中不宜發(fā)生擺動，故僅僅只有一個導軌槽實現(xiàn)導向，同樣由伺服電機帶動絲桿傳動。

2.2 Z軸結構設計

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，同時由于彈簧剛度有限，為了防止槍頭受力而沿Z軸上下跳動，在夾具中裝有四個密封圈，這樣槍頭受力沿Z軸正向移動時需要同時需要壓縮彈簧，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

確定滾珠絲杠副導程：

式中:Ph為滾珠絲桿副導程；Vmax為XY軸最大移動速度為100 mm/s；nmax為電機最大轉速為1 800 r/min；i為傳動比為1。帶入公式，解得Ph=3.33 mm，根據(jù)標準取Ph=4 mm，據(jù)此選擇MISUMI公司生產(chǎn)的壓軋絲桿，型號分別為BSSR1204-350、BSSR1204-450作為XY軸的驅動件。

2.3.2 伺服電機的選型

由于X軸承受的負載大于Y軸承受的負載，故只需要計算X軸電機載荷即可。

初始參數(shù)：X軸運動機構總質量：W=38 kg；導軌表面摩擦系數(shù):μ=0.18；傳動比:Z1/Z2=1；絲桿長度:軸長L=450。

(1)外負載計算：

FW=μW=0.18×380=68.4 N

(2)折算到電機軸上的負載力矩為:

式中:F為X軸徑向移動所需要的推力；L為絲桿轉一圈工作臺移動距離；η為傳動效率=η1η2=0.93；T為電機負載，帶入數(shù)值解得：T=0.047 N·m。

考慮到伺服電機負載及重量，位移工作臺選用深圳LiChuiang公司的電機，型號為LCMT-02L02-60M00630

3 組裝調試及實驗

如圖6、7所示為組裝好的實驗臺及設計的控制操作界面。

圖6 實驗臺樣機 圖7 實驗臺操作界面

設計效果：經(jīng)過調試驗證，該實驗臺的XY兩軸的精度均達到5 μm，直線度達到0.02 mm，XY兩軸運動速度穩(wěn)定，Z軸沖擊槍槍頭對工件沖擊振動穩(wěn)定，完全滿足實驗精度需求。對特定實驗材料進行超聲沖擊實驗，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 語

通過建立超聲沖擊試驗臺，對零件進行超聲沖擊試驗，可以研究超聲沖擊機理以及超聲沖擊對材料表面的強化作用，通過實驗可知：沖擊后的材料表面晶粒顯著細化，為以后的重要精密零件加工和表面處理提供技術指導，大大提高零件的整體性能和使用壽命。