超声波喷丸应用

张宇航

【摘要】超声波喷丸加工工艺是目前世界上最新型的喷丸表面处理方法之一。运用超声波作为动力，通过介质对工件表面进行冲击，实现增加表面的抗机械疲劳性能和抗应力腐蚀性能。加工过程环保，表面强化覆盖率高，且加工不受工件表面形状限制等优点，此工艺将成为未来喷丸加工发展的方向。

【关键词】超声波 喷丸

1.传统喷丸加工方法

喷丸工艺属于金属表面冷处理工序，目前全球最普遍的喷丸加工方法,就是使用一定压力的压缩空气作为动力，通过喷枪，将弹丸流（金属丸料或者非金属丸料）连续、高速、精准的喷射于待加工金属表面，如同无数小锤向金属表面锤击。利用丸粒对金属表面的冲击作用，增加零件表面对塑形和断裂的抵抗能力，使表层压应力状态和组织结构发生变化，改善零件的疲劳强度以及提高抗应力腐蚀性能。传统喷丸加工方法具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点。但是,这种加工方式会产生大量粉尘,对使用者的呼吸系统会造成不可逆的损伤;丸料循环系统复杂,维保难度大,故障率高;对抽风除尘装置要求较高,粉尘会污染周边环境,不符合未来绿色生产的要求。

2.超声波喷丸简介

超声波喷丸加工工艺于2019年年初首次由欧洲引入中国市场，其运用超声波作为加工动力，通过介质弹丸对零件表面进行冲击，实现增加表面的抗机械疲劳性能和抗应力腐蚀性能。加工过程环保，表面强化覆盖率高，且加工不受零件表面形状限制等优点，弥补了传统喷丸加工的不足。

2.1 组成单元

①由高精度机械手和旋转工作台组成的单元，是整套加工系统的基础框架；②数控操作系统作为自动化生产设备的平台；③超声波发生器,作为设备加工的核心动力源；④由发射器、增幅器和焊头等元件构成的声学单元，作为加工动力；⑤能够将电能传输到声学单元并与超声波发生器通讯的电缆；⑥振幅调节系统，保证加工过程可控可调。

2.2超声波发生器工作原理

超声波发生器是超声波喷丸设备的核心元器件，输出电压约为 1200V，超声波频率为 20 kHz。通讯原理如图1所示。超声波发生器连接到一个声学单元以及一个振幅调节器。此外，超声波发生器还通过一个转换器连接到一台配备了触摸屏电脑。PLC通过转换器与电脑进行交换。通过电脑内装载的 SONATS 应用程序，可以显示设备加工过程中的变化、加工方案的加载情况以及整台设备的控制情况等。

图 1 - 通讯原理

2.2 超声学单元的伺服系统

声学单元的伺服系统工作原理图如图2所示。其使用振幅调节器的电容传感器来测量振幅。振幅传感器设在焊头下方，它调节振幅，同时调整传感器与焊头之间的距离。设备内的电子盒科读取“振幅”信息。然后，这个信息将被转换成模拟信号（0-10V）。随后，超声波发生器将解释这个模拟信号，并根据所需振幅调节发射功率。当然，只有在发生器中的振幅校正因子（焊头放大比）正确的情况下，振幅调节器给出的信息才有效。

图2 -声学单元的伺服系统

3.振幅调节方法

振幅调节，是超声波喷丸机重要的加工参数，为了达到最佳效果，传感器和焊头下表面之间的距离必须在 0.46 mm-0.54 mm 之间。否则，可能会出现故障。调整此距离时，设备必须开机，参考显示器上的距离值，调节在中间值0.50mm最佳。

调节方法：松开或拧紧传感器的调节螺钉（位于焊头下方的），以升高或降低传感器支架。

4. 检查和调整声学单元

声学单元具有独立调节装置，正确调整支架可以保证焊头的正确定位（相对于处理隔离舱）。

4.1调整声学单元的高度和平行度

声学单元的高度由隔离舱位置和加工弹丸的半径确定。声学单元上部焊头的顶边与隔离舱保持的间距等于加工弹丸的半径值。以便在加工过程中，破损的弹丸残渣可从间隙中自动筛出。焊头与隔离舱之间的距离必须均匀，若不均匀，则调整声学单元的平行度。

4.2调整声学单元的同心度

为确保设备可以正常加工运行并避免弹丸泄漏，焊头和隔离舱必须同心。从隔离舱上方俯视，焊头和隔离舱口之间应无间隙。若存在间隙，则需调整声学单元的同心度。

5. 检查焊头的磨损

设备正常运行，弹丸长时间对焊头表面冲击，造成焊头中间部位凹陷，边缘形成凸缘。严重的形变会导致弹丸冲击工件的力量不均匀，影响加工效果。因此，当焊头磨损程度是否达到临界值，必须去除焊头上形成的毛刺。

检测方法参考图3。使用标准平面，来检查焊头表面的形变情况，假设焊头表面与标准平面的最大间隙为 A。根据技术要求，如果A> 0.8mm，该焊头将不能继续使用，需要更换处理。

图3. 焊头磨损检测

6.结束语

以上是对超声波喷丸设备实际应用的总结分析，在具体的使用过程中，仍需要结合具体情况进行操作，理清思路，严慎细实。随着对喷丸工艺要求的提升，超声波喷丸的优势越来越明显，如何进一步了解超声波喷丸应用，还有很长一段要走的路。

参考文献：

【1】刘峰，鲁世红.《航空制造技术》2016

【2】轧刚，路会龙.《新技术新工艺》2018

附录1：振幅调节示意图

附录2：声学单元的平行度和高度调节

附录3：声学单元的同心度调节

附录4：振幅调节示意图