CN111254422B - 圆环型表面复合强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆环型表面复合强化方法，属于金属材料表面加工领域。所述表面复合强化方法包括：S1.棒料旋转的同时对棒料的圆环形端面进行轴向振动车削，在加工表面形成变密度微米级微锥坑造型；S2.表面涂覆。与现有技术相比，本发明的圆环型表面复合强化方法能够大幅度提高基材和涂覆层结合界面的结合强度，同时提高最终成形表面的硬度，疲劳强度和耐磨耐腐性，具有很好的推广应用价值。

Description

圆环型表面复合强化方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面加工领域，具体提供一种圆环型表面复合强化方法。
背景技术
为了改善零件的摩擦学性能，提高其防腐蚀性能，或者改进其施工工艺性，对零件进行表面处理已成为常规处理手段，其中表面涂层是最通用的方法之一，常用的涂层方法如电镀、化学镀、激光熔覆、离子辅助涂覆、冷喷涂、热喷涂、化学气相喷涂、物理气相喷涂、物理气相沉积等。
化学镀技术是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。
化学镀技术是在金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应产生金属的沉积过程。与其它表面熔覆技术相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。另外，由于化学镀技术废液排放少，对环境污染小以及成本较低，在许多领域已逐步取代电镀，成为一种环保型的表面处理工艺。目前，化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。
然而，化学镀技术仍然存在如下缺点：一是膜/基结合力弱，膜层容易出现脱落而导致构件失效；二是涂层后表面粗糙度高，且表面存在残余拉应力，从而导致构件机械性能差、服役寿命短。因此，需要提供一种综合有效的表面处理方法，以克服上述现有技术的不足。
发明内容
本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种圆环型表面复合强化方法。该方法能够大幅度提高基材和涂覆层结合界面的结合强度，同时提高最终成形表面的硬度，疲劳强度和耐磨耐腐性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：圆环型表面复合强化方法，包括：
S1.变密度微造型端面加工
棒料旋转的同时对棒料的圆环形端面进行轴向振动车削，在加工表面形成变密度微米级微锥坑造型；
S2.表面涂覆。
为了进一步加强膜/基强度及表面性能，本发明方法还包括：
S3.超声滚压表面强化
采用超声滚压加工工艺对涂覆表面进行机械强化处理。
步骤S1中棒料旋转的同时，振动车刀一方面垂直于棒料轴线方向做进给运动，同时沿着棒料轴向做固定频率的微小幅度往复振动。振动幅度优选为2-10微米，最佳为2-5微米。振动频率大于20kHz，优选为20-30kHz。
所述变密度微米级微锥坑造型中，锥坑的锥口长度、宽度、深度均通过选择车刀类型以及振动幅度进行参数化控制；锥坑的径向排列间距、周向排列间距通过调整径向进给速度、棒料转速和振动频率进行参数化控制。
所述径向进给速度和主轴转速(棒料转速)通过机床进行调整，振动幅度/频率通过振动设备(一般包括超声电源、换能器和变幅杆)来调整，调整方法均为现有技术常规方法。
作为优选，所述表面涂覆优选采用化学镀工艺，并且要求涂层厚度大于锥坑深度。特别是当涂层厚度为锥坑深度的1.2-1.5倍时效果最佳。
作为优选，超声滚压刀具一方面沿加工方向做进给运动，同时垂直加工方向做超声频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与棒料的圆环形端面平行。振动幅度优选为2-10微米，最佳为2-5微米。振动频率大于20kHz，优选为20-30kHz。
特别是，本发明复合强化方法还可以在超声滚压表面强化前，先将棒料加热至一定温度并保温，然后在该温度下进行超声热滚压表面强化，滚压完成后在该温度下继续保温20-40分钟。所述一定温度优选在棒料的应变失效温度范围内。
一般的碳钢材料，其应变失效温度为300-500，具体温度可利用现有技术实验确定。
棒料加热方式根据零件尺寸，优选采用卤素灯照射或电流加热方式；保温时间根据材料不同，优选为15分钟-30分钟。
本发明的圆环型表面复合强化方法在棒料端面车削加工过程中，由于刀具在垂直于棒料轴线方向上具有高频振动，刀尖对材料表面产生高频率的间歇性振动冲击，在表面形成大量刀尖形貌的微米级锥孔。另外，在棒料旋转角速度一定的条件下，由于在棒料端面外圆到圆心的径向方向上，车刀刀尖所在圆周半径不同，因此实际切削的切削线速度不同。在振动频率不变的情况下，越靠近棒料圆心，切削线速度越小，切削表面上单位面积上振动次数越多，由振动冲击产生的微坑密度越大，从而形成从端面外圆到圆心微坑结构密度逐渐增大的变密度微造型表面。与现有技术相比具有以下突出的有益效果：
(一)表面微坑结构的存在，一方面使得化学镀层与基材接触面积增大，另外界面的楔形接触方式同时使镀层难以与基材发生相对移动，可以有效增加镀层和基材的结合力；
(二)与均匀微坑结构表面相比，变密度微坑结构表面镀层在受到外力后，由于镀层平均厚度阶梯增大，沿着密度改变方向可以产生内部制约变形应力(使每个楔形界面移动的力的作用方向不同)，进一步增强镀层的移动难度，实现更大的镀层和基材界面结合力；
(三)通过控制和匹配超声振动滚压工艺参数(主轴回转速度、进给速度、静压力、振动频率、振动幅度、滚压道次)可以方便的控制最终成形表面的硬度和残余应力，以适应不同的摩擦构件应用场合，尤其适用于航空航天、汽车、列车等对构件性能要求高的工程领域；
(四)在中温下进行滚压强化可解决涂层在滚压中容易出现的滑动和裂纹问题；
(五)工艺简单，可很方便的安装于普通车床、数控车床和各类数控加工中心，成本低，不需要额外的润滑和保护气体，环境友好。
附图说明
附图1是实施例中径向振动车削原理示意图。
附图2是实施例中变密度微米级微锥坑造型示意图；
附图3是实施例中变密度微米级微锥坑实际加工形貌(一)；
附图4是实施例中变密度微米级微锥坑实际加工形貌(二)；
附图5是实施例中超声热滚压表面强化原理示意图；
附图6是实施例中不同表面镀层结构示意图；
附图7是不同工艺处理表面的界面结合强度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。
各实施例、对比例的加工对象均为同尺寸中碳钢材质棒料。
【实施例一】
本实施例圆环型表面复合强化方法的步骤：
S1.变密度微造型端面加工
加工开始前，将截面为圆环形的棒料1装夹于车床三爪卡盘，振动车削装置(装置中心线与棒料轴线平行安装于车床刀架，车刀2安装于振动车削装置一端。
如图1所示，加工时棒料1旋转，车刀2沿着垂直于棒料1轴线的方向进给，同时沿着平行于轴线方向往复振动，形成从端面外圆到圆心微坑结构密度逐渐增大的变密度微锥坑造型表面(如附图2、图3、图4所示)。
工艺参数:
Figure BDA0002443526050000041
微锥坑的锥口长度a＝80μm、宽度b＝50μm、深度h＝4μm，径向排列间距＝90μm，最大周向排列间距＝150μm。
S2.表面涂覆
以化学镀处理工艺对端面加工后的棒料1进行表面涂覆处理，涂层厚度为锥坑深度h的1.5倍，镀层结构如图6c所示。
【实施例二】
本实施例圆环型表面复合强化方法与实施例一的步骤S1、S2相同，区别在于增加了以下步骤S3。
S3.超声温滚压表面强化
以中温超声滚压加工工艺对涂覆处理后外表面进行强化加工。
如图5所示，将棒料1装夹于车床三爪卡盘2上，通过温控装置3加热至350℃(该工件的应变失效温度)，并保温，超声滚压刀具4一方面沿平行棒料端面的方向做进给运动，同时在垂直棒料端面方向做超声频率的微小幅度往复振动，滚压完成后在该温度下继续保温30分钟。
工艺参数如下：
进给速度：0.27mm/r；
静压力：50N；
振动频率：28KHz；
振动幅度：4μm；
滚压道次：2。
【实施例三】
与实施例二强化方法的步骤相同，区别在于对棒料进行端面加工和表面涂覆后，步骤S3在常温下完成超声滚压表面强化工艺。
【对比例一】
S1.采用常规车削工序对棒料端面进行精车处理；
S2.以实施例一步骤S2的方法，利用化学镀对精车后的棒料进行表面涂覆处理，镀层结构如图6a所示。
【对比例二】
S1.采用常规车削工序在棒料外圆面加工等密度微锥坑；
S2.以实施例一步骤S2的方法，利用化学镀对棒料进行表面涂覆处理，镀层结构如图6b所示。
【实验例】
通过划痕实验，对实施例一、二、三及对比例一、二得到的复合表面进行界面结合强度测定，可以得到界面结合强度对比图(见图7)。可以看出，以实施例一、二、三强化方法得到的复合表面的界面结合强度，明显优于各对比例，具有很好的推广应用价值。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.圆环型表面复合强化方法，其特征在于包括：
S1.变密度微造型端面加工
棒料旋转的同时，振动车刀一方面垂直于棒料轴线方向做进给运动，同时沿着棒料轴向做固定频率的微小幅度往复振动，在加工表面形成变密度微米级微锥坑造型；
S2.表面涂覆
S3.超声滚压表面强化
将棒料加热至棒料的应变失效温度范围内并保温，然后在该温度下进行超声热滚压表面强化，滚压完成后在该温度下继续保温20-40分钟，对涂覆表面进行机械强化处理。
2.根据权利要求1所述的圆环型表面复合强化方法，其特征在于，轴向振动车削的振动频率大于20kHz。
3.根据权利要求1所述的圆环型表面复合强化方法，其特征在于，所述变密度微米级微锥坑造型中，锥坑的锥口长度、宽度、深度均通过选择车刀类型以及振动幅度进行参数化控制；锥坑的径向排列间距、最大周向排列间距通过调整径向进给速度、棒料转速和振动频率进行参数化控制。
4.根据权利要求1或2所述的圆环型表面复合强化方法，其特征在于，所述表面涂覆采用化学镀工艺。
5.根据权利要求1所述的圆环型表面复合强化方法，其特征在于，涂层厚度大于锥坑深度。
6.根据权利要求1所述的圆环型表面复合强化方法，其特征在于，超声滚压表面强化时，超声滚压刀具一方面沿加工方向做进给运动，同时垂直加工方向做超声频率的微小幅度往复振动，所述加工方向与棒料的圆环形端面平行。
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