CN102329937A - 一种基于电液伺服控制的零件表面定量纳米化设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属表面强化领域，公开了一种基于电液伺服控制的零件表面定量纳米化设备，由超声冲击设备和电液伺服控制设备两大部分组成，通过电液伺服控制设备对超声冲击过程中液压加载力的实时反馈和精确控制，实现对纳米化程度的定量控制；超声冲击设备安装在车床或铣床上使用，实现纳米化区域的定量控制。其主要优点是：1.定量控制零件表面纳米化的程度和区域；2.电液伺服控制响应速度快、精度高，表面纳米化的可重复性好；3.对过程工艺参数全程实时记录和分析，便于优化工艺；4、成本较低，适于大规模应用普及。

Description

一种基于电液伺服控制的零件表面定量纳米化设备

一、技术领域

本发明属于金属表面强化领域。 

二、背景技术

在服役环境下，零件的失效多始于表面。零件的疲劳、腐蚀、磨损对零件材料的表面结构和性能很敏感。因此就可以通过表面组织和性能的优化提高零件的整体性能和服役行为。随着纳米结构和纳米技术的不断发展，纳米材料独特的结构和优异的性能为新一代高性能材料的设计、开发提供了材料和设计基础。1999年我国的卢柯院士首先提出了表面纳米化的概念，即在材料表面形成具有纳米结构的表面层，通过表面组织和性能的优化使金属材料表面得到强化，提高材料的整体力学性能和服役行为从而实现纳米材料和纳米技术在工程实际中的应用。根据表面纳米化层的形成机制，金属材料表面纳米化可分为三种类型： 

(1)表面涂层或沉积纳米化 其基本原理是将制备好的纳米颗粒或纳米颗粒与涂覆材料的复合层固化在材料的表面。这种表面纳米结构层层内晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在明显界面，零件的外形尺寸有所增加。 

(2)表面自身纳米化 这种方法主要采用非平衡处理方法增加多晶体金属表面的自由能，从而使材料表面的粗晶组织逐渐细化至纳米量级。材料的整体化学成分和零件的外形尺寸基本保持不变，纳米结构表层和基体之间没有明显界面。目前，由非平衡法实现表面自身纳米化主要有两种方法：非平衡热力学法和表面机械加工法。 

(3)混合表面纳米化 这种表面纳米化方法首先使材料表面自身纳米化，然后利用化学热处理技术使材料表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物。 

表面自身纳米化采用常规的表面处理技术或对常规的技术进行改造即可实现，不存在技术上的困难。表面层的组织结构沿厚度方向呈梯度变化没有明显界面，不需要考虑与基体结合力的问题，在使用过程中不会发生剥落和分离。这种表面纳米化技术，既克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。这种方法既适合材料的整体又适合于材料的局部改性。因此该技术制备的结构材料具有很高的开发应用潜力和工业应用价值。 

理论上，能够使材料表面产生多方向强烈塑性变形的表面机械处理技术，都具有实现表面自身纳米化的潜力。目前已报道的技术主要有：喷丸、滚压、锤击、机械研磨法、超声冲击、超音速喷丸、超音速微粒轰击等。由于表面机械处理方法在工业应用上不存在明显的技术障碍，目前表面自身纳米化的研究主要集中在这种方法。本发明所采用的纳米化方法也是一种机械处理方法，通过超声冲击使零件表层材料细化至纳米量级。 

现有的表面机械处理技术虽然能够实现材料表面的自身纳米化，但是由于其工艺参数众多，而且往往缺乏对处理工艺参数的有效控制，因此缺少一种有效的方法能够定量控制纳米化的程度。对于喷丸和超音速微粒轰击等技术来说，由于依靠大量的全覆盖重复打击来实现比较均匀的处理效果(例如残余应力、晶粒尺寸、加工硬化等)，因此可重复性和可控制性较差。一般不适用于仅需在零件的部分表面实现表面纳米化甚至需要优化和控制纳米化程度的情况。 

影响超声冲击处理效果的工艺参数主要有超声振动的频率(一般为10kHz-30kHz)、输出振幅、工具头直径和静压力等。对于某一特定的超声冲击装置来说，超声振动的频率、输出振幅、工具头直径往往是保持不变的。静压力使工具头与待加工零件表面保持接触并使得超声振动达到谐振状态以实现最佳处理效果，因而是对超声冲击的效果起到重要影响的关键工艺参数。现有的施加静压力的方法均是通过弹簧来实现的，静压力的大小可以通过百分表来监测，因此具有成本低等优点。但是，由于弹簧的响应频率相对较低，因此在遇到待加工零件表面尺寸突变时不能及时响应；百分表只能起到监测作用，不能结合实际载荷情况对弹簧力实现反馈控制，也不能记录数据。 

三、发明内容

本发明的目的是解决现有的超声冲击等表面机械处理技术的纳米化效果可控性不好和重复性较差的问题。由超声冲击设备和电液伺服控制设备两大部分组成，通过液压缸施加超声冲击的静压力即液压加载力，通过电液伺服控制装置对超声冲击过程中液压加载力的实时反馈和精确控制，实现对纳米化程度的定量控制；超声冲击设备安装在车床或铣床上使用，实现纳米化区域的定量控制。 

1、系统构成 

该装置由超声波发生器1、换能器2、变幅杆3、工具头4、夹具5、内套筒6、外套筒7、液压缸8、油管9、压力传感器10、上位机11、带ECU的下位机12、电液伺服阀13、液压站14等组成。其中1-6组成了超声冲击装置；7-14组成了对液压加载力实现实时伺服精确控制的电液伺服控制装置。 

2、工作原理 

超声波发生器1将普通市电变成超声波电振荡，换能器2将电振荡转换成同频率的机械振动，再经变幅杆3放大后对工具头4产生动态冲击加速，使工具头以极高的加速度冲击被处理零件表面，使零件表面材料产生局部塑性变形进而实现表面自身纳米化。超声冲击过程中，通过液压缸施加静压力，电液伺服控制设备可以实现对静压力的实时反馈和精确控制，因而实现对纳米化程度的定量控制；由于该超声冲击设备能安装在车床或铣床上使用，因此可以实现对零件表面的精确加工，实现纳米化区域的定量控制。 

四、附图说明

图1是本发明的结构示意图。 

图中，1、超声波发生器 2、换能器 3、变幅杆 4、工具头 5、夹具 6、内套筒 7、外套筒 8、液压缸 9、油管 10、压力传感器 11、上位机 12、带ECU的下位机 13、电液伺服阀 14、液压站 

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述： 

如图1所示，一种基于电液伺服控制的零件表面定量纳米化设备由超声波发生器1、换能器2、变幅杆3、工具头4、夹具5、内套筒6、外套筒7、液压缸8、油管9、压力传感器10、上位机11、带ECU的下位机12、电液伺服阀13、液压站14等组成。其中1-6组成了超声冲击装置；7-14组成了对液压加载力实现实时反馈和精确控制的电液伺服控制装置。 

超声波发生器1将普通市电变成超声波电振荡，换能器2将电振荡转换成同频率的机械振动，再经变幅杆3放大后对工具头4产生动态冲击加速，使工具头以极高的加速度冲击被处理零件表面，使零件表面材料产生局部塑性变形进而实现表面自身纳米化。超声冲击过程中，通过液压缸施加液压加载力，液压加载力的大小通过压力传感器9实时反馈至带ECU的下位机12。下位机12根据预先设定的参数判定压力大小是否合适以实现预定的纳米化程度，如果压力大小合适，则不改变液压力的大小；如果压力超出范围，则通过一定的算法计算需要调整的数值并实时对电液伺服阀13进行控制，通过改变电液伺服阀13的电流大小来实时改变液压缸内压力的大小，从而实现对液压加载力的实时反馈和精确控制，进而实现对纳米化程度的定量控制。上位机11可以是普通的计算机，可以实时、全程显示和记录下位机12从压力传感器10获取的压力信号和向电液伺服阀13反馈的信号，这些信号可以在上位机11上进行数据显示和分析，实现工艺参数的全程数字化、可视化。上位机11的另一功能是对下位机12的工作参数进行设定。由于该超声冲击设备能安装在车床或铣床上使用，因此可以实现对零件表面的精确加工，实现纳米化区域的定量控制。 

Claims (2)

1.一种基于电液伺服控制的零件表面定量纳米化设备，由超声冲击设备和电液伺服控制设备两大部分组成，通过电液伺服控制设备对超声冲击过程中液压加载力的实时反馈和精确控制，实现对纳米化程度的定量控制；超声冲击设备安装在车床或铣床上使用，实现纳米化区域的定量控制。

2.根据权利要求1所述的电液反馈控制设备，其特征是：由压力传感器实现液压加载力的实时反馈。