超声波冲击试验台设计

姚尚成，李开发，胡兴远，周毅钧

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

0 引 言

超声冲击技术是一种高效的消除部件表面或焊缝区有害残余拉应力、引进有益压应力的方法。可显著提高零件的疲劳寿命和疲劳强度，超声冲击还可以使作用区表层金属组织发生变化，冲击部位得以强化[1]，减少应力腐蚀开裂的可能性，提高抗脆裂性和增强材料强度，众多学者对超声冲击进行深入的研究，在微观和宏观两个方面总结出多种振动时效去除应力机理的重要结论[2-4]。

为了检测超声波消除残余应力机理，笔者研究设计一台超声波冲击试验台，目的在于测试相同压力、相同移动速度条件下，冲击枪枪头在接触区材料的行为。该实验台可以在XY轴向精确移动，在Z轴向自由移动，可以精准控制实验变量。

1 超声波冲击试验台整体方案设计

此文设计的试验台具有X、Y、Z三个自由度，其中XY两轴可以提供精确的运动定位，Z轴装夹冲击枪枪头，可以根据试验件的高度尺寸相应调整枪头到钳口的距离。

根据上述设计方案，设计出超声波冲击试验台样机模型，如图1所示，试验台XY两轴位移运动是伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杆模组旋转，直线导杆作为导向和部分支撑，位移反馈是光栅尺传感器，组成各轴位移系统。

图1 超声波冲击试验台样机1.方管架 2.Y轴伺服电机 3.平口钳 4.冲击枪枪头 5.X轴伺服电机 6.X轴光栅尺 7.Y轴光栅尺 8.Y轴丝杆 9.导杆10.X轴丝杆

2 试验台结构设计及关键零部件选型

2.1 试验台结构设计

XY向位移平台的功能带动工件在XY水平面上精确运动。如图2所示，在X轴上，通过设计U形底座加两根导向导杆，不但可以使工件沿X向平稳运动，而且可以防止工件在运动过程中偏摆；同时X轴丝杆与Y轴底板直接连接，没有丝杆螺母，这样具有较高的定位精度，降低定位误差。

图2 X轴导向机构 图3 Y轴导向机构

如图3所示，与X轴运动机构相比，Y轴运动机构宽度较小，运动过程中不宜发生摆动，故仅仅只有一个导轨槽实现导向，同样由伺服电机带动丝杆传动。

2.2 Z轴结构设计

如图4、5所示，Z轴主要功能是固定装夹冲击枪，在夹具中装有四根弹簧，同时由于弹簧刚度有限，为了防止枪头受力而沿Z轴上下跳动，在夹具中装有四个密封圈，这样枪头受力沿Z轴正向移动时需要同时需要压缩弹簧，增加枪头稳定性。

图4 Z轴夹具 图5 减震组件

2.3 重要零部件选型

2.3.1 丝杆选型

确定滚珠丝杠副导程：

式中:Ph为滚珠丝杆副导程；Vmax为XY轴最大移动速度为100 mm/s；nmax为电机最大转速为1 800 r/min；i为传动比为1。带入公式，解得Ph=3.33 mm，根据标准取Ph=4 mm，据此选择MISUMI公司生产的压轧丝杆，型号分别为BSSR1204-350、BSSR1204-450作为XY轴的驱动件。

2.3.2 伺服电机的选型

由于X轴承受的负载大于Y轴承受的负载，故只需要计算X轴电机载荷即可。

初始参数：X轴运动机构总质量：W=38 kg；导轨表面摩擦系数:μ=0.18；传动比:Z1/Z2=1；丝杆长度:轴长L=450。

(1)外负载计算：

FW=μW=0.18×380=68.4 N

(2)折算到电机轴上的负载力矩为:

式中:F为X轴径向移动所需要的推力；L为丝杆转一圈工作台移动距离；η为传动效率=η1η2=0.93；T为电机负载，带入数值解得：T=0.047 N·m。

考虑到伺服电机负载及重量，位移工作台选用深圳LiChuiang公司的电机，型号为LCMT-02L02-60M00630

3 组装调试及实验

如图6、7所示为组装好的实验台及设计的控制操作界面。

图6 实验台样机 图7 实验台操作界面

设计效果：经过调试验证，该实验台的XY两轴的精度均达到5 μm，直线度达到0.02 mm，XY两轴运动速度稳定，Z轴冲击枪枪头对工件冲击振动稳定，完全满足实验精度需求。对特定实验材料进行超声冲击实验，图8为紫铜超声冲击后试件，图9、10为紫铜冲击前后其晶体组织在电子显微镜下图像。

图8 超声冲击试件

图9 冲击前 图10 冲击后

4 结 语

通过建立超声冲击试验台，对零件进行超声冲击试验，可以研究超声冲击机理以及超声冲击对材料表面的强化作用，通过实验可知：冲击后的材料表面晶粒显着细化，为以后的重要精密零件加工和表面处理提供技术指导，大大提高零件的整体性能和使用寿命。