CN101294237A - 一种超声表面线型滚压加工设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声表面线型滚压加工设备及其使用方法，包括超声波发生器和执行机构，执行机构包括半波长超声变幅杆、半波长超声换能器和超声工作头，半波长超声换能器固定在半波长超声变幅杆的后端并置于壳体内，超声波发生器置于半波长超声换能器附近的适当位置，超声工作头为一旋转体，超声工作头可滚动地连接在半波长超声变幅杆输出端。利用半波长超声换能器带动半波长超声变幅杆小弧震动，使旋转体形状的工作头在机械部件的表面滚动，从而对机械部件进行表面处理。其优点是将原来的滑动磨擦为滚动摩擦，延长了使用寿命，提高工作效率。

Description

一种超声表面线型滚压加工设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种机械部件的表面处理设备，同时还涉及该设备的使用方法。

背景技术

机械零部件和结构广泛地应用在压力容器、车辆、海洋工程、工程机械、航空航天、电力、冶金等重要领域，然而这些重要机械结构和部件往往会因疲劳、蠕变、腐蚀、脆性断裂、磨损等问题引起过早失效，其中疲劳损伤、磨损和腐蚀问题较为常见。如由于提速，已使机械零部件疲劳问题成为影响铁路行车安全和钢轨使用寿命的重要伤损机制；再如轧钢设备中冷轧辊接触疲劳损伤问题迄今也没有得到妥善解决；而磨损问题在那些存在动态接触磨擦的机械装备中广泛存在并严重地影响它们的使用寿命。因此，研究提高机械零部件抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能的表面加工处理新方法，用于保证机械装备可靠地安全运行，延长其有效服役寿命，防止其过早失效，具有重要的经济和实用价值，有着广阔应用前景。

作为一种表面改性新方法，金属表面自身纳米化概念的提出是利用纳米金属材料的优异性能，在传统工程金属材料表面制备出有纳米晶体结构的表面层，进而提高材料的综合力学性能。该方法在工业应用上无根本性技术障碍，且纳米层与基体组织之间不存在明显界面，因此不会发生剥层或分离。迄今为止，人们提出了多种金属表面自身纳米化方法，已在纯铁、奥氏体不锈钢、16MnR钢、低碳钢和铝合金等金属表面获得了纳米层，其中以机械研磨法和超声冲击的研究较为广泛。然而，由于这两种方法最大的缺点是加工处理后表面质量不够理想，截止目前还很难应用于实际。

在上述背景下，文献“王东坡，宋宁霞，王婷，等人.纳米化处理超声金属表面[J].天津大学学报，2007，40(2)：228-233.”、“Chang-Min Suh，Gil-ho Song，Min-Soo Suh，et al.Fatigue andmechanical characteristics of nano-structured tool steel byultrasonic cold forging technology[J].Materials Science andEngineering A，2007，443：101-106.”公开了一种技术方案，超声表面挤压和超声冷锻加工技术将静压力引入加工载荷中，与动载进行配合，可同时获得较厚的表面纳米层和较为理想的表面光洁度。但是，固定工作头的加工方式，即工作头与变幅杆输出端刚性地连为一体，使得加工过程中工作头与机械零件表面处于滑动摩擦方式，由此带来工作头极易磨损、寿命极低的致命缺点。即便工作头采用硬质合金材料加工制作，对使用寿命的改善结果仍然无法达到长时间连续工作的实用要求。且加工头与试件点接触的加工方式容易使表面加工不均匀，只能靠降低轴向进给或增加往复加工次数来弥补，加工效率很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是，针对现有技术中工作头与轴类机械零件表面处于滑动摩擦点接触方式，由此带来工作头极易磨损、寿命极低、表面加工相对不均匀、效率较低的致命缺点，提出了一种超声表面线型滚压加工设备，改变了原工作头与工件表面的点接触为滚动线接触，从而可以方便、快速、低成本、可持续地在金属轴类机械零部件表面(包括钢、铸铁等黑色金属、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、镍基合金等有色金属)大规模获得纳米结构层、表面几何形态纳米化并带有高数值表面压缩应力。

本发明所要解决的技术问题之二是，提供上述设备的使用方法。使用该方法使得轴类机械零件的抗疲劳、抗磨损、抗腐蚀性能大幅度提高，最终低成本地延长其使用寿命，替代一些高成本的表面处理方法(如喷涂、沉积、电镀和离子注入等)以及一些表面质量较差和低效率、可持续性差的表面纳米化处理方法。

本发明的技术方案如下：

一种超声表面线型滚压加工设备，包括超声波发生器和执行机构，执行机构包括半波长超声变幅杆、半波长超声换能器和超声工作头，半波长超声换能器固定在半波长超声变幅杆的后端并置于壳体内，超声波发生器置于半波长超声换能器附近的适当位置，超声工作头为一旋转体，超声工作头可滚动地连接在半波长超声变幅杆输出端。半波长变幅杆的作用是放大半波长超声换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。

所述的旋转体为圆柱体、椭球体或球体。

上述的半波长超声换能器为半波长磁滞伸缩换能器或半波长压电换能器。半波长磁滞伸缩换能器或半波长压电换能器的作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。

上述的超声波发生器为半数字超声波发生器或全数字化超声波发生器，半数字或全数字化超声波发生器的作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给冲击枪工作头能量。

为了防止半波长超声换能器过热，所述的执行结构后端设有通风口，对半波长超声换能器过热通风冷却。

一种超声表面线型滚压加工设备的使用方法为，利用半波长超声换能器带动半波长超声变幅杆小弧震动，使圆柱体形状的工作头在机械部件的表面滚动，从而对机械部件进行表面处理。

本发明一方面利用滚动摩擦阻力和损耗均远小于滑动摩擦的特点，另一方面由于旋转体的滚动使得磨损部位不断更换，保证了工作头的表面质量，从而提高其使用寿命。线接触的加工方式使得单位时间内被加工表面积增大且更加均匀，从而可以在获得相同表面质量的前提下，增大轴向进给量或降低加工次数，达到提高加工效率的目的。加工实践表明：采用滚动摩擦线接触的加工方法与采用滑动摩擦点接触的超声表面挤压加工或超声冷锻加工技术相比，在大幅度提高静压力和超声振幅的前提下，加工头仍然具有足够的使用寿命。在超声波冲击和静压力线型滚压联合作用下，金属表面所产生剧烈而均匀的塑性变形必然导致其一定深度表层的原始状态晶粒被严重地打碎细化。并且由此获得更深和更小尺度的金属表面纳米层以及更为理想的表面质量，从而进一步改善轴类机械零部件的综合力学性能并大幅度提高加工效率。

端部旋转体分别选用了不同材质制作，并设计了一系列不同的直径，可根据待加工试件软硬程度、加工部位尺寸、表面质量要求以及生产效率等因素进行选择。此外，在执行机构的底部可用弹簧或压缩空气为加工过程提高静压力，压缩空气还能起到冷却装置的作用。

执行机构安装于机床上处理轴类工件时的操作：

机床主轴转速设在200～700r/min的范围内，较低的主轴转速容易获得较好的表面质量；

执行机构工作头轴向进给量设在0.02～0.1mm/r左右的范围内，较低的轴向进给容易获得较好的表面质量；

加工往返次数一般为1～15次，重复加工会加深表面纳米层深度和晶粒细化程度，但是加工次数过多会影响工件的表面质量和加工效率；

执行机构静压力为50～500N，较大的静压力会加深表面纳米层深度和晶粒细化程度，但是静压力过大会影响工件的表面质量；

超声表面加工处理工作头输出端振幅，一般为5～25微米的范围内。

工作头类型及相应尺寸的选择：

对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬金属材料制造机械零部件，超声表面线型滚压加工过程应选用直径相对较小的旋转体工作头，一般在2～10mm的范围内。加工头材质一般应为硬质合金，如果希望获得更好的效果可以使用硬度更高的材料，如各种陶瓷(包括金属化陶瓷)、金钢石、非晶态合金等，工作头硬度越高则纳米化加工处理过程越容易实施。

对于铝、铜合金、镁合金等较软金属材料制造的机械零部件，超声表面线型滚压加工处理过程应选用直径相对较大的旋转体工作头，一般在10～20mm的范围内。加工头材质一般应为工具钢或硬质合金。

超声表面线型滚压加工方法与超声挤压加工和超声冷锻加工等采用固定加工头的加工技术相比，具有如下优点：

(1)当选用相同加工头材质和加工参数时，旋转体滚动工作头可以在保证加工质量的前提下工作50～100个工作日(每个工作日连续工作8小时)；而固定工作头连续工作30分钟，加工头表面就会出现明显磨损，以至后续加工的表面出现划痕。更换加工头既造成经济上的浪费，又影响加工参数的一致性，以致加工精度无法得到保证。线接触的加工方式可以大幅改善表面质量并提高加工处理效率20％～30％。

(2)超声表面线型滚压加工采用冲击能量和静载滚压相结合的往复作用方式，其特点是作用力在材料表面呈发散状，能辐射到各个方向的组织。这使得距表层较近区域同一深度的晶粒细化程度较其他强烈塑性变形(SPD)方式更为严重和均匀，并且容易获得理想的表面光洁度水平。以超声表面挤压加工为例，加工后表层纳米晶粒尺寸可细化至20nm左右，表面粗糙度水平可达0.15μm；而超声表面滚压加工表层纳米晶粒尺寸可细化至3～7nm，表面粗糙度水平可达0.03μm。通过对处理表层进行微观结构观察：超声表面线型滚压加工样品表面附近区域形成了厚度约为200μm的流变组织；而超声挤压加工的影响层仅为100μm左右。

(3)实验结果表明：经超声表面线型滚压加工后，样品表面可形成约百微米厚度的非晶纳米晶层。与传统材料相比，非晶纳米晶层具有高强度、高硬度、高延展性和韧性以及优异的耐磨和耐蚀性等性能，且该非晶纳米晶层与目前研究广泛的非晶纳米晶涂层(根据制备方法的不同，厚度为几微米到数百微米)相比，与基体没有明显界限，不会产生剥层或分离而更具实用性。

附图说明

图1为本发明的整体结构分解示意图；

图2为本发明的使用状态图。

图中标记说明

1——超声波发生器        2——半波长超声变幅杆

3——半波长超声换能器    4——超声工作头

5——通风口              6——机械部件

7——壳体

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种超声表面线型滚压加工设备，包括超声波发生器1和执行机构，执行机构包括半波长超声变幅杆2、半波长超声换能器3和超声工作头4，半波长超声换能器1固定在半波长超声变幅杆2的后端并置于壳体7内，，超声波发生器1置于半波长超声换能器3附近的适当位置，超声工作头4为一圆柱体，超声工作头4可滚动地连接在半波长超声变幅杆2输出端。半波长超声变幅杆2的作用是放大半波长超声换能器3所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。

本实施例中，所述的旋转体还可以为椭球体或球体(图中未示)。

上述的半波长超声换能器3为半波长磁滞伸缩换能器或半波长压电换能器。半波长磁滞伸缩换能器或半波长压电换能器的作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。

上述的超声波发生器1为半数字超声波发生器或全数字化超声波发生器，半数字或全数字化超声波发生器的作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给冲击枪工作头能量。

为了防止半波长超声换能器过热，执行结构后端设有通风口5，对半波长超声换能器过热通风冷却。

如图2所示，以超声表面线型滚压加工方法对直径为60mm的调质态40Cr轴表面处理为例，利用半波长超声换能器3带动半波长超声变幅杆2小弧震动，使圆柱体形状的工作头在机械部件6的表面滚动，从而对机械部件6进行表面处理。

本实施例中，各主要技术参数为：机床主轴转速为255r/min，冲击枪工作头进给量为0.25mm/r，静压力400N，加工6次，选用乳化冷却液作为润滑液，工作头选用硬制合金材料，滚柱直径为10mm，工作头输出端超声振幅为10微米。

本实施例的技术效果是，经超声表面线型滚压加工后样品表面形成了近百微米的非晶纳米晶层，最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为3～7nm，与原始晶粒尺寸(大约10μm)相比晶粒细化了约2000倍；处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.7倍；表面粗糙度为Ra为0.03，比处理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成846MPa的残余压缩应力。耐磨对比实验结果表明：与磨光加工样品相比，超声表面滚压纳米化加工处理样品的摩擦系数明显降低，磨损重量只有前者的1/6，磨损率降低100～500倍。

实施例2

本实施例中，超声表面线型滚压加工设备与实施例1相同。

如图2所示，以超声表面线型滚压加工方法对直径为60mm的45钢工件表面处理为例，利用半波长超声换能器3带动半波长超声变幅杆2小弧震动，使圆柱体形状的工作头在机械部件6的表面滚动，从而对45钢工件进行表面处理。

本实施例中，各主要技术参数为：机床主轴转速为225r/min；冲击枪工作头轴向进给量为0.25mm/r，静压力300N；加工2次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬制合金材料，滚柱直径为10mm；工作头输出端超声振幅为10微米。

本实施例的技术效果是，最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为10nm；表面粗糙度为Ra为0.11。

实施例3

本实施例中，超声表面线型滚压加工设备与实施例1相同。

如图2所示，以超声表面线型滚压加工方法对直径为60mm的ZLD201A铸铝轴表面处理为例，利用半波长超声换能器3带动半波长超声变幅杆2小弧震动，使圆柱体形状的工作头在机械部件6的表面滚动，从而对铸铝轴进行表面处理。

Claims (6)

1.一种超声表面线型滚压加工设备，包括超声波发生器和执行机构，执行机构包括半波长超声变幅杆、半波长超声换能器和超声工作头，半波长超声换能器固定在半波长超声变幅杆的后端并置于壳体内，超声波发生器置于半波长超声换能器附近的适当位置，其特征在于：超声工作头为一旋转体，超声工作头可滚动地连接在半波长超声变幅杆输出端。

2.根据权利要求1所述的一种超声表面线型滚压加工设备，其特征在于：所述的旋转体为圆柱体、椭球体或球体。

3.根据权利要求1所述的一种超声表面线型滚压加工设备，其特征在于：所述的半波长超声换能器为半波长磁滞伸缩换能器或半波长压电换能器。

4.根据权利要求1所述的一种超声表面线型滚压加工设备，其特征在于：所述的超声波发生器为半数字超声波发生器或全数字化超声波发生器。

5.根据权利要求1所述的一种超声表面线型滚压加工设备，其特征在于：所述的执行结构后端设有通风口。

6.一种超声表面线型滚压加工设备的使用方法，其特征在于：利用半波长超声换能器带动半波长超声变幅杆小弧震动，使旋转体形状的工作头在机械部件的表面滚动，从而对机械部件进行表面处理。

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