CN105734233A - 一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用，通过将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，本发明超声强化方法重点在于通过调整超声波加工刀具对待加工工作面的不同压力来实现对金属工件表面预置压应力，最终达到消除残余应力，提高疲劳寿命的目的。同时该超声强化方法能使金属工件表面晶粒细化，表面显微硬度提高，耐磨性和耐腐蚀性提高，从而大幅提高工件的疲劳寿命。而现有的超声加工方法主要用来降低金属工件表面的粗糙度，使金属工件表面达到镜面效果，通过本发明的超声强化方法可有效改善了金属工件的表面性能，其效果明显优于现有的超声加工方法。

Description

一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用，属于超声加工技术领域。
背景技术
疲劳寿命，是指材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数。金属工件的疲劳损伤发生在受交变应力(或应变)作用的零件和构件中，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。
在机械加工过程中，常通过不同的处理方法来提高金属工件的疲劳寿命，目前提高金属工件疲劳寿命的方法主要有：1、选用抗疲劳的材料，如合金钢；2、采用锻造工艺；3、采用热处理工艺；4、避免和减缓零件应力集中，采用去毛刺、边缘倒角、弯角处用圆角过渡是减小应力集中的有效方法；5、预置压应力；6、注意轧材、锻材等的纤维方向和主要受力方向应一致，因为在垂直纤维方向承载强度会下降20％左右；7、降荷，降温、润滑设计；8、尽可能采用对称结构，避免带有偏心的结构，在不对称处应注意局部弯曲引起的应力；9、注意材料的抗腐蚀性能；10、结构件应尽可能减少开口，特别在受拉表面尽量不开口；11、尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹。
超声波强化技术是利用激活能和冲击能的复合能对金属零件进行加工，从而获得镜面零件及表面改性的一种新型加工技术。超声波强化技术的实质是将超声波能转化为机械能，利用金属在常温下冷塑性的特点，对金属零部件表面进行高频敲击，使金属零部件表面达到更理想的表面粗糙度要求，提高零件表面的显微硬度，耐磨性及耐腐蚀性。
中国专利文献CN102002581A公开了一种超声冲击消除焊接中残余应力的方法，该方法主要利用超声冲击装置，该装置包括超声波发生器、声学系统和机架，超声波发生器和声学系统设置在机架上，声学系统具有换能器，通过超声波发生器将电网上50Hz工频交流点转变成超声频的20kHz交流电，用以激励声学系统的换能器，声学系统的换能器将电能转换成相同频率的机械振动，在400～800℃的温度下，将上述超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使焊缝部位表面产生足够深度的塑变层，在一定程度上提高了焊缝疲劳寿命。
中国专利文献CN102560078A提供了一种钢铁材料表面纳米化的方法，采用去除材料的方式将待处理工件表面粗糙化，使表面粗糙度Ra控制在6.0-7.0μm之间；将经表面粗糙化的待处理工件安装于机床主轴上，采用超声波表面强化处理装置对待处理工件沿轴向等速密排处理。表面纳米化处理对机车车轮轮缘的综合作用，增加机车车轮轮缘的表面硬度，降低机床车轮轮缘的粗糙度；增加机车车轮轮缘的磨损抗力；晶粒逐渐变小，形成从基体到表面的梯度结构，具有均匀的残余压应力层，提高疲劳寿命。
本申请旨在寻求一种超声强化方法，利用该超声强化方法能够使金属工件表面产生理想的压应力，且利用该超声强化方法能够控制在金属工件表面形成的压应力大小，最终通过在金属工件表面形成合适的压应力来提高金属工件的疲劳寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法。
本发明还提供一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法的应用。
本发明的技术方案如下：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2-120m/min，进给量为0.08-1.7mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为50-3000N。
优选的，超声加工的参数为：线速度为20-60m/min，进给量为0.2-0.5mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为600-1800N。
优选的，超声加工的次数为1～3次。
优选的，超声加工的振幅为5-25μm。
进一步优选的，超声加工的振幅为6-8μm。
优选的，所述金属工件包括轴承、航空发动机叶片、机车车轮、车轴和抽油杆。
优选的，利用超声波加工刀具对轴承进行超声加工，即利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声加工，超声加工的参数为：线速度2-100m/min，进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2400N。
进一步优选的，利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声加工，超声加工的参数为：线速度3.08m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1500N。
优选的，利用超声波加工刀具对航空发动机叶片进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的航空发动机叶片的表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2-10m/min，超声波刀具的进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2500N。
进一步优选的，利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的航空发动机叶片的表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为3m/min，超声波刀具的进给量为0.15-0.25mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为800-1000N。
优选的，利用超声波加工刀具对机车车轮进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的机车车轮的表面进行超声加工，超声加工的参数为：机车车轮的线速度为15-120m/min，进给量为0.08-0.2mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。
进一步优选的，利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的机车车轮的表面进行超声加工，超声加工的参数为：机车车轮的线速度为57m/min，进给量为0.1mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1200N。
优选的，利用超声波加工刀具对车轴进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的车轴的表面进行超声加工，超声加工的参数为：车轴的线速度为10-120m/min，进给量为0.1-0.6mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。
进一步优选的，利用超声波加工刀具对车轴进行超声加工，超声加工的参数为：车轴的线速度50-60m/min，进给量为0.35-0.45mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1700-1800N。
优选的，利用超声波加工刀具对抽油杆进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的杆体或/和螺纹部的表面进行超声加工，超声加工的参数为：抽油杆的线速度2-120m/min，进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。
优选的，利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的杆体或/和螺纹部的表面进行超声加工，超声加工的参数为：抽油杆的线速度38m/min，进给量为0.3mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1500-1600N。
优选的，抽油杆是经过半精加工后的抽油杆。
进一步优选的，经过半精加工后的抽油杆，表面粗糙度为3.2-10μm。
本发明的有益效果在于：
本发明超声强化方法重点在于通过调整超声波加工刀具对待加工工作面的不同压力来实现对金属工件表面预置压应力，达到消除残余应力的目的，使金属工件表面晶粒细化，表面显微硬度提高，耐磨性和耐腐蚀性提高，最终大幅提高工件的疲劳寿命。而现有的超声加工方法主要用来降低金属工件表面的粗糙度，使金属工件表面达到镜面效果，通过本发明的超声强化方法有效改善了金属工件的表面性能，其效果明显优于现有的超声加工方法。
附图说明
图1为实施例1中压力值-表面压应力值的曲线图；
图2为实施例3中压力值-表面压应力值的曲线图；
图3为实施例3中金属工件经过超声强化加工前后循环次数与疲劳极限的曲线图；
图4为实施例5中压力值-机车车轮表面压应力值的曲线图；
图5为实施例7中压力值-车轴表面压应力值的曲线图；
图6为实施例9中压力值-抽油杆表面压应力值的曲线图；
图7为实施例9中超声强化加工后抽油杆的表面金相图；
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
本实施例提供一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对轴承进行超声加工，即利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声加工，在加工外圈滚道，内圈滚道和滚动体三者时的超声加工的参数相同：线速度为2m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2400N，该压力为超声波加工刀具对工件加工时的恒定法向力，超声加工的次数为3次。
在其他参数不变的情况下，通过改变超声波加工刀具对待加工表面的压力，得到超声强化加工后轴承表面的压应力的曲线图如图1所示。从图1中可知，超声波加工刀具对待加工表面的压力值大约在1000N时，工件表面预置的压应力基本达到最大值-900MPa，以后随着压力值的增大，工件表面预置的压应力值基本变化不大。
利用本实施例的超声强化方法对外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声强化加工后，其轴承的疲劳寿命相比传统工艺加工的轴承可提高5倍以上。
当改变工件的线速度为100m/min，进给量为0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2400N，该压力为超声波加工刀具对工件加工时的恒定法向力，超声加工的次数为3次。通过改变其他参数后，在其他参数不变的情况下，通过改变超声波加工刀具对待加工表面的压力，得到超声强化加工后轴承表面的压应力的曲线图依然如图1所示。其轴承的疲劳寿命相比传统工艺加工的轴承可提高5倍以上。由此可知，对金属工件的表面预置压应力一般只与超声波加工刀具对待加工表面的压力相关。
实施例2：
本实施例提供一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对轴承进行超声加工，即利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声加工，在加工外圈滚道，内圈滚道和滚动体三者时的超声加工的参数相同：工件的线速度3.08m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1500N，该压力为超声波加工刀具对工件加工时的恒定法向力，超声加工的次数为3次。
实施例3：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对航空发动机叶片进行超声加工，超声加工的参数为：超声波刀具的线速度为2m/min，超声波刀具的进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300N-2500N。超声加工的次数为3次。
在其他参数不变的情况下，通过改变超声波加工刀具对待加工表面的压力，得到超声强化加工后航空发动机叶片表面的压应力的曲线图如图2所示。从图2中可知，超声波加工刀具对待加工表面的压力值大约在1000N时，工件表面预置的压应力基本达到最大值-720MPa，以后随着压力值的增大，工件表面预置的压应力值基本变化不大。
利用本实施例的超声强化方法对航空发动机叶片进行加工，加工后的航空发动机叶片使用的循环次数与疲劳极限如图3所示，叶片经超声强化后疲劳寿命可提高6倍以上。
实施例4：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对航空发动机叶片进行超声加工，超声加工的参数为：超声波刀具的线速度为10m/min，超声波刀具的进给量为0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为800-1000N。超声加工的次数为3次。
实施例5：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对机车车轮进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的机车车轮的表面进行超声加工，超声加工的参数为：机车车轮的线速度15m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。
在其他参数不变的情况下，通过改变超声波加工刀具对待加工表面的压力，得到超声强化加工后机车车轮表面的压应力的曲线图如图4所示。从图4中可知，超声波加工刀具对待加工表面的压力值大约在1250N时，工件表面预置的压应力基本达到最大值-850MPa，以后随着压力值的增大，工件表面预置的压应力值基本变化不大。
利用本实施例的超声强化方法对机车车轮进行加工，机车车轮经超声强化加工前后的疲劳寿命如表一所示。
表一：机车车轮在超声强化加工前后的疲劳寿命对比表
从表一可知，在针对相同的7个机车车轮试样分别给予不同的压力值时，其经过超声强化加工后，其疲劳寿命相比未经过超声强化加工时可提高2倍以上。
实施例6：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对机车车轮进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的机车车轮的表面进行超声加工，超声加工的参数为：机车车轮的线速度120m/min，进给量为0.2mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。
实施例7：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对车轴进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的车轴的表面进行超声加工，超声加工的参数为：车轴的线速度120m/min，进给量为0.6mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。超声加工的次数为3次。
在其他参数不变的情况下，通过改变超声波加工刀具对待加工表面的压力，得到超声强化加工后机车车轮表面的压应力的曲线图如图5所示。从图5中可知，超声波加工刀具对待加工表面的压力值大约在1750N时，工件表面预置的压应力基本达到最大值-900MPa，以后随着压力值的增大，工件表面预置的压应力值基本变化不大。
对同样材料的车轴试样分别进行传统的车削+磨削原工艺加工以及利用超声强化方法加工，其对比结果如下：
表二：车轴试样进行车削+磨削原工艺加工
表三：车轴试样进行超声强化方法加工
注：其中“×”表示未通过107次，“O”表示通过107次。
其疲劳极限为
σ - 1 = 1 10 [ ( 403.9 + 396.7 ) + ( 403.9 + 411 ) + ( 403.9 + 411 ) + ( 396.7 + 389.5 ) + ( 396.7 + 403.9 ) ] = 401.72 M P a
标准差为
S σ - 1 = Σ i k ( σ i ) 2 - 1 k ( Σ i k σ - 1 ) 2 k - 1 = 2 × ( 400.3 ) 2 + 2 × ( 407.45 ) 2 + ( 393.15 ) 2 - 5 × ( 401.72 ) 2 5 - 1 = 12
对比表二和表三可知，经超声加工处理后，车轴的疲劳强度从300MPa左右提高到401MPa左右，相比与原有的车削+磨削原工艺加工，经超声强化后，大大提高了车轴的疲劳寿命。
实施例8：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对车轴进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的车轴的表面进行超声加工，超声加工的参数为：车轴的线速度10m/min，进给量为0.1mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。超声加工的次数为3次。
实施例9：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的抽油杆的杆体或/和螺纹部的表面进行超声加工，其中，抽油杆是经过半精加工后表面粗糙度为3.2μm的抽油杆。超声加工的参数为：抽油杆的线速度2m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。
在其他参数不变的情况下，通过改变超声波加工刀具对待加工表面的压力，得到超声强化加工后抽油杆表面的压应力的曲线图如图6所示。从图6中可知，超声波加工刀具对待加工表面的压力值大约在1500N时，工件表面预置的压应力基本达到最大值-830MPa，以后随着压力值的增大，工件表面预置的压应力值基本变化不大。
经过超声加工后的抽油杆的表面金相图如7所示。通过超声强化加工前、后的抽油杆的疲劳寿命对比试验见表四：
表四:疲劳寿命对比试验报告
由表四可知，利用超声强化加工后，抽油杆的循环使用次数明显比未经过超声加工处理的抽油杆的循环使用次数要多。经过超声加工后的抽油杆具有明显优势。
实施例10：
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的抽油杆的杆体或/和螺纹部的表面进行超声加工。超声加工的参数为：抽油杆的线速度120m/min，进给量为0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。其中，抽油杆是经过半精加工后表面粗糙度为Ra值10μm的抽油杆。

Claims (10)

1.一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2-120m/min，进给量为0.08-1.7mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为50-3000N。
2.如权利要求1所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，超声加工的参数为：线速度为20-60m/min，进给量为0.2-0.5mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为600-1800N。
3.如权利要求1所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，超声加工的次数为1～3次。
4.如权利要求1所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，超声加工的振幅为5-25μm。
5.如权利要求1或2所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，所述金属工件包括轴承、航空发动机叶片、机车车轮、车轴和抽油杆。
6.如权利要求5所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，利用超声波加工刀具对轴承进行超声加工，即利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声加工，超声加工的参数为：线速度2-100m/min，进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2400N；
优选的，线速度3.08m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1500N。
7.如权利要求5所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，利用超声波加工刀具对航空发动机叶片进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的航空发动机叶片的表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2-10m/min，超声波刀具的进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2500N；
优选的，线速度为3m/min，超声波刀具的进给量为0.15-0.25mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为800-1000N。
8.如权利要求5所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，利用超声波加工刀具对机车车轮进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的机车车轮的表面进行超声加工，超声加工的参数为：机车车轮的线速度为15-120m/min，进给量为0.08-0.2mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N；
优选的，机车车轮的线速度为57m/min，进给量为0.1mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1200N。
9.如权利要求5所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，利用超声波加工刀具对车轴进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的车轴的表面进行超声加工，超声加工的参数为：车轴的线速度为10-120m/min，进给量为0.1-0.6mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N；
优选的，车轴的线速度50-60m/min，进给量为0.35-0.45mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1700-1800N。
10.如权利要求5所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，利用超声波加工刀具对抽油杆进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的杆体或/和螺纹部的表面进行超声加工，超声加工的参数为：抽油杆的线速度2-120m/min，进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N；
优选的，抽油杆的线速度38m/min，进给量为0.3mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1500-1600N。
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