CN103820622A

CN103820622A - 用于材料表面改性的多凸点冲头

Info

Publication number: CN103820622A
Application number: CN201410088909.7A
Authority: CN
Inventors: 张元彬; 滕诚信; 孙永兵; 李腾飞; 张磊; 李祯; 刘志波
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-05-28

Abstract

用于材料表面改性的多凸点冲头，涉及一种表面改性设备。多凸点冲头包括夹持端和冲击端，夹持端采用标准的两坑两槽式或四坑式，与冲击发生设备的夹紧装置配套，便于冲头的安装夹紧；冲击端为圆柱状，其端面均匀分布着多个凸点，利用凸点对材料表面进行冲击，并且冲头旋转过程中使凸点与材料表面间产生摩擦。冲头对材料表面的冲击及摩擦作用，使材料表面晶粒发生细化，表面硬度得到提高；对焊接接头进行表面冲击改性处理，使焊接接头的组织和性能得到均一化，残余拉应力转变为残余拉应力，提高抗疲劳断裂的性能，进而提高焊接接头的疲劳寿命。

Description

用于材料表面改性的多凸点冲头

技术领域

本发明涉及一种材料表面改性装置，特别是涉及一种用于材料表面改性的冲头。

背景技术

很多金属机械零部件的失效破坏常常源于金属材料表面，如材料表面的磨损、腐蚀，或表面疲劳裂纹的产生，特别是对于一些焊接结构产品，由于焊接技术本身所固有的集中加热和快速冷却过程，以及需要添加焊接材料的特点，造成焊接接头与母材相比组织及性能的不均匀性，这种不均匀使焊接接头成为结构服役环境下的薄弱环节。另外，焊接接头往往存在着焊接残余拉应力和应力集中，降低了焊接接头的疲劳强度，使其成为疲劳断裂的源头。提高焊接接头材料的表面性能，消除焊接残余拉应力，对于延长产品结构的使用寿命具有重要意义。

对材料进行表面改性处理，可以使焊接接头表面材料的组织结构发生变化，细化晶粒，提高焊接接头的表面硬度，改变残余应力状态，消除应力集中，使残余拉应力转变为残余压应力，进而提高焊接接头处的抗疲劳断裂性能。在不改变材料表面成分的条件下，常用的材料表面改性方法有表面热处理、高能喷丸、机械研磨、激光喷丸等，其中高能喷丸、机械研磨、激光喷丸的基本原理都是利用微细颗粒(或激光冲击波)对材料表面进行反复冲击，通过使表面层金属发生反复塑性变形而产生晶粒细化，从而提高材料表面性能。但是，这些传统的表面改性方法需要专用设备，设备结构复杂，成本较高，应用范围受到限制。

本发明设计一种用于材料表面改性的冲头，安装在通用冲击钻、电锤或其他冲击设备上，便能够对材料表面进行改性处理。

发明内容

本发明提供一种用于材料表面改性的多凸点冲头，安装于冲击发生装置，用于对金属材料表面进行改性处理。

本发明的冲头包括夹持端和冲击端，夹持端采用与市售冲击钻头相同的标准两坑两槽式或四坑式，与冲击发生设备(冲击钻、电锤或专门设计的冲击设备)的夹紧装置配套，便于冲头的安装夹紧；冲击端为圆柱状，其直径可以与夹持端相同，也可以不同，冲击端的端面均匀分布着多个凸点，利用凸点对材料表面进行冲击改性。冲头的夹持端和冲击端同轴，可以为整体制造的一体式，也可以采用分体式，分别制造后再通过焊接或机械连接方法组装为一体。

本发明的冲头安装在冲击钻、电锤或其他冲击发生设备上，利用冲头冲击端的凸点对材料表面的冲击作用以及由于冲头旋转而产生的对材料表面的摩擦剪切作用，对材料表面进行改性处理，提高材料表面性能。

端面采用多凸点的有益作用，一是实现多点同时冲击，提高冲击效率；二是多凸点均匀分布，偏离冲头轴线的凸点与材料表面接触时，由于冲头在不断旋转中，凸点与材料表面产生相对滑动摩擦，凸点对材料表面有剪切作用，有利于改善表面晶粒形状和方向。冲击和剪切的综合作用更有利于在表层获得细小的等轴晶，改善表面性能。另外，对焊接接头材料表面的冲击及摩擦剪切作用，能够消除应力集中和焊接残余拉应力，并在表面层获得压应力，提高接头抗疲劳性能。

冲头冲击端圆柱体直径范围为10～40mm，凸点可以是半球，也可以是球冠，凸点圆弧半径范围为2～5mm，具体尺寸及凸点数量根据冲击设备冲击力大小和被冲击材料的种类进行选择。冲击端端面上的凸点通过机械加工方法形成，或者利用焊接等连接方法在冲击端圆形端面上装配上多个球冠体形成凸点。

附图说明

图1为本发明冲头实施例1的结构示意图，图中1为夹持端(采用两坑两槽式)，2为冲击端。

图2为图1所示A-A剖视图。

图3为图1所示冲头冲击端端面上凸点分布状态示意图。

图4为本发明冲头实施例2的结构示意图，图中1为夹持端(采用四坑式)，2为冲击端。

图5为图4所示A-A剖视图。

图6为图4所示冲头冲击端端面上凸点分布状态示意图。

具体实施方式

实施例1

用于材料表面改性的多凸点冲头的结构如附图1所示，冲头包括夹持端1和冲击端2，夹持端与冲击端分别制造，通过焊接连接为一体。夹持端采用标准的两坑两槽式(图2为夹持端剖面图)，冲头冲击端2圆柱体直径大于夹持端直径，端面上均匀分布着多个凸点，凸点分布示意图如附图3所示。本实施例的冲头端面直径大，凸点数量多，安装于冲击力较大的冲击设备，或者用于强度较低的材料的表面改性。冲击端的凸点通过机械加工方法形成，或者利用焊接等连接方法在冲击端圆形端面上装配上球冠体形成凸点。

使用方法：将冲头夹持端1安装在适用两坑两槽的冲击发生设备(如冲击钻或电锤或专门设计的冲击设备)的夹紧装置上，使冲头轴线与工件表面垂直，冲击端2端面上的凸点与工件材料表面接触，并施加一定的压力，启动冲击设备后，冲头旋转并产生冲击作用，冲击端2端面的凸点不断冲击工件材料表面，并与工件材料表面间产生摩擦，使得工件材料表面层发生反复塑性变形。移动冲击设备或工件，使冲头在工件表面上往复移动，完成对所需范围的工件表面的冲击改性。

实施例2

用于材料表面改性的多凸点冲头的结构如附图4所示，冲头包括夹持端1和冲击端2，夹持端与冲击端整体制造，夹持端采用标准的四坑式(图5为夹持端剖面图)，冲头冲击端2圆柱体直径等于夹持端直径，端面上均匀分布着多个凸点，凸点分布示意图如附图6所示。本实施例的冲头端面直径较小，凸点数量少，安装于冲击力较小的冲击设备，或者用于强度较高的材料的表面改性。冲击端的凸点通过机械加工方法形成，或者利用焊接等连接方法在冲击端圆形端面上装配上球冠体形成凸点。

使用方法：将冲头夹持端1安装在适用四坑式冲头的冲击发生设备(如冲击钻或电锤或专门设计的冲击设备)的夹紧装置上，使冲头轴线与工件表面垂直，冲击端2端面上的凸点与工件材料表面接触，并施加一定的压力，启动冲击设备后，冲头旋转并产生冲击作用，冲击端2端面的凸点不断冲击工件材料表面，并与工件材料表面间产生摩擦，使得工件材料表面层发生反复塑性变形。移动冲击设备或工件，使冲头在工件表面上往复移动，完成对所需范围的工件表面的冲击改性。

Claims

1.用于材料表面改性的多凸点冲头，包括与冲击发生设备夹紧装置相连的夹持端和与材料表面接触的冲击端，其特征在于：冲头的夹持端为两坑两槽式或四坑式，冲击端为圆柱状，其端面分布着多个凸点。

2.根据权利要求(1)所述的用于材料表面改性的多凸点冲头，夹持端与冲击端同轴，可以为整体制造的一体式，也可以为分体制造后再组装的分体式。

3.根据权利要求(1)所述的用于材料表面改性的多凸点冲头，其冲击端圆柱体直径范围为10～40mm；凸点弧面圆弧半径范围为2～5mm。

4.根据权利要求(1)所述的用于材料表面改性的多凸点冲头，冲击端的凸点通过机械加工方法形成，或者利用焊接等连接方法在冲击端圆形端面上装配上球冠体形成凸点。