CN111893278A - 脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置及方法，所述装置包括喷嘴、脉冲电源、第一夹头和第二夹头，所述第一夹头和第二夹头用于装夹工件，第一夹头和第二夹头的其中之一由传动机构带动旋转，第一夹头、第二夹头和传动机构设置在支撑机构上，所述脉冲电源分别与第一夹头、第二夹头连接，使脉冲电源、第一夹头、工件和第二夹头形成一个回路，所述喷嘴对准工件，用于向工件表面喷丸。本发明可以使金属材料表面塑性提高，变形抵抗力降低，使喷丸的强化作用可以达到更大深度，也可以减弱上次硬化层对深层材料强化的阻碍作用，使喷丸强化作用达到材料更深处，进一步增强材料表面细化程度，提高材料表层性能。

Description

脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置及方法，属于金属加工技术领域。
背景技术
随着航空航天、海洋工程、汽车工业、化学工业，工程机械和交通运输等行业的发展，设备和零部件在更严苛的工况下工作，对设备和零部件的耐磨性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能提出了更高要求。材料表面性能和状态对零件的磨损、腐蚀和疲劳性能影响很大，因为磨损、腐蚀和疲劳裂纹一般首先萌生在零件表面，并从表面开始扩大，从而导致零件失效。因此，对材料表面进行强化处理，可以阻止、延迟甚至消除磨损、腐蚀和疲劳裂纹的产生，从而提高零件和设备性能。
喷丸是一种对表面进行强化的处理方法。该方法使用高压气体喷出丸粒，高速冲击材料表面，使材料表面层产生剧烈塑性变形，从而使材料表层发生加工硬化，并在材料表层产生残余应力，提高了材料表面的耐磨性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能，从而使材料的使用性能和寿命也得到很大提高。
传统的喷丸技术利用高速丸粒冲击材料表面，在材料表层作用很大的外力，从而使材料表层产生高密度位错，随着外力的持续，位错不断增殖，缠结和迁移，使材料表层晶粒细化，使成加工硬化层，并使材料表层产生残余应力。然而，材料硬化的表层，如同一个坚硬的保护壳，阻止了喷丸作用向材料更深处进行，导致产生的强化表层较薄；而且，单纯的喷丸受到喷丸气压、喷丸速度和丸粒等因素限制，靠增大喷丸参数来提高喷丸作用，效果有限。另外，对于一些难加工金属和硬度大的金属进行喷丸，往往很难达到预期效果。因此，解决材料表层硬化对深层材料硬化的阻碍问题，提高难加工金属和高硬度金属的加工性，突破单纯喷丸强化作用的局限，对提高材料性能、发挥喷丸强化作用、扩大喷丸强化应用范围有重要作用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置，该装置利用脉冲电流的集肤效应、热效应和电致塑效应与喷丸的强化作用进行耦合，可以使金属材料表面塑性提高，变形抵抗力降低，使喷丸的强化作用可以达到更大深度，也可以减弱上次硬化层对深层材料强化的阻碍作用，使喷丸强化作用达到材料更深处，进一步增强材料表面细化程度，提高材料表层性能，还可以对高硬度材料、加工硬化程度高的材料进行喷丸强化。
本发明的另一目的在于提供一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置，所述装置包括喷嘴、脉冲电源、第一夹头和第二夹头，所述第一夹头和第二夹头用于装夹工件，第一夹头和第二夹头的其中之一由传动机构带动旋转，第一夹头、第二夹头和传动机构设置在支撑机构上，所述脉冲电源分别与第一夹头、第二夹头连接，使脉冲电源、第一夹头、工件和第二夹头形成一个回路，所述喷嘴对准工件，用于向工件表面喷丸。
进一步的，所述支撑机构为喷丸机工作台。
进一步的，所述支撑机构为喷丸机工作舱。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化方法，基于上述装置实现，所述方法包括：
将工件装夹在第一夹头和第二夹头上；其中，所述工件为金属材料；
启动脉冲电源，将输出的脉冲电流通到工件上，利用脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应对工件进行处理，使工件表面达到一定温度和状态，同时启动传动机构，带动工件旋转，使喷嘴沿工件轴向运动，对工件表面进行喷丸强化。
进一步的，所述启动脉冲电源，将输出的脉冲电流通到金属工件上，利用脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应对工件进行处理，使工件表面达到一定温度和状态，同时启动传动机构，带动工件旋转，使喷嘴沿工件轴向运动，对工件表面进行喷丸强化之后，还包括：
继续施加脉冲电流到工件的加工区域，利用脉冲电流对工件的加工区域进行处理，同时带动工件旋转，使喷嘴沿工件轴向运动，对工件表面进行喷丸强化。
进一步的，所述继续施加脉冲电流到工件的加工区域中，脉冲频率范围为100Hz～2000Hz，脉冲宽度范围为10μm～250μm，平均电流密度范围为0.3A/mm2～45A/mm2。
进一步的，所述将输出的脉冲电流通到金属工件上，脉冲频率范围为100Hz～2000Hz，脉冲宽度范围为10μm～250μm，平均电流密度范围为0.5A/mm2～30A/mm2。
进一步的，所述喷丸的丸粒材质为陶瓷丸，直径范围为0.2mm～2.0mm，喷丸的压力范围为0.2MPa～0.8Mpa。
进一步的，所述工件的旋转速度为0～100r/min。
进一步的，所述喷丸的次数为1～20次。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明通过启动脉冲电源，将输出的脉冲电流通到工件上，利用脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应对工件进行处理，使工件表面达到一定温度和状态，从而使工件表面层的塑性提高，变形抵抗力降低，同时通过启动传动机构，带动工件旋转，使喷嘴沿工件轴向运动，对工件表面进行喷丸强化，使工件表面产生剧烈塑性变形，形成强化层，从而使工件表面质量、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性提高。
2、本发明形成的强化层深度更大，表层硬度更高，使材料表层晶粒细化甚至产生纳米晶粒，从而使零件的表面耐磨性、耐腐蚀性和搞疲劳性能得到大幅度提高。
3、本发明能够强化单纯喷丸难以加工和不能加工的材料，达到较好的强化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置的结构图。
图2为本发明实施例的脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化方法的流程图。
其中，1-喷嘴，2-脉冲电源，3-第一夹头，4-第二夹头，5-工件，6-导线，7-丸粒。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置，该装置包括喷嘴1、脉冲电源2、第一夹头3和第二夹头4。
第一夹头3和第二夹头4用于装夹工件5，该工作5为金属材料，其装夹在第一夹头3和第二夹头4之间，第一夹头3和第二夹头4的其中之一由传动机构带动旋转，第一夹头3、第二夹头4和传动机构设置在支撑机构上，在设置之后，第一夹头3和第二夹头4的中心线在同一水平线上且中心相对，其中支撑机构可以为喷丸机工作舱，也可以为喷丸机工作台。
本实施例的传动机构可以包括电机和转轴，电机的输出轴通过联轴器与转轴连接，该转轴与第一夹头3和第二夹头3的其中之一的中心固定连接，以第一夹头3的中心与转轴固定连接为例，电机旋转后，带动转轴旋转，使第一夹头3、第二夹头4以及装夹的工件5一起旋转。
脉冲电源2分别与第一夹头3、第二夹头4连接，具体通过导线6与第一夹头3、第二夹头4连接，使脉冲电源2、第一夹头3、工件5和第二夹头4形成一个回路，可以将输出的脉冲电流通到工件5上；喷嘴1对准工件5，用于向工件5表面喷丸。
如图1和图2所示，本实施例还提供了一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：
S1、将工件5装夹在第一夹头3和第二夹头4上。
S2、启动脉冲电源2，将输出的脉冲电流通到工件5上，利用脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应对工件进行处理，使工件5表面达到一定温度和状态，同时启动传动机构，带动工件5旋转，使喷嘴1沿工件轴向运动，对工件5表面进行喷丸强化。
在步骤S2结束之后，还可包括：
S3、继续施加脉冲电流到工件5的加工区域，利用脉冲电流对工件5的加工区域进行处理，同时带动工件5旋转，使喷嘴1沿工件5轴向运动，对工件5表面进行喷丸强化。
在步骤S2和S3中，脉冲频率范围为100Hz～2000Hz，脉冲宽度范围为10μm～250μm，其中步骤S2的平均电流密度范围为0.3A/mm2～45A/mm2，步骤S3的平均电流密度范围为0.5A/mm2～30A/mm2，即步骤S3的平均电流密度是步骤S2的平均电流密度的85-115％。
在步骤S2和S3中，喷丸的丸粒7材质为陶瓷丸，如氧化锆等，直径范围为0.2mm～2.0mm，喷丸的压力范围为0.2MPa～0.8Mpa；工件5的旋转速度为0～100r/min；喷丸的次数为1～20次。
可根据所加工材料及加工要求，选择只进行到步骤S2，也可以在执行完步骤S2后执行步骤S3，所加工工件5可以是轴类、板类、条状及其它形状的零件。
本实施例中，步骤S2和S3中脉冲电流和喷丸参数的选择方法：在步骤S2中，根据材料本身特点和加工要求，选择合适的脉冲电流参数，利用脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应对工件进行处理，使材料表面塑性增强，处于合适的喷丸的状态。在喷丸时，脉冲电流可以增强材料表层的位错的增殖和迁移，使材料发生剧烈塑性变形的阻力减小，使塑性变形层向材料表层更深处进行，从而产生更厚的强化层；步骤S2结束后，可根据材料特性和加工要求，改变脉冲电流参数，对材料进行喷丸。一般来说，对塑性较好的材料，可适当减小脉冲电流，即减小脉冲电流密度，虽然较小的脉冲电流不能降低在步骤S2中由于加工硬化而提高的硬度，但是脉冲电流可以促使位错产生、堆积，使材料表层发生重结晶，从而使材料表层细化；对硬度较高的材料，可以适当增大脉冲电流，即增大脉冲电流密度；由于步骤S2的进行，此类材料表层硬度更大，所以后续喷丸时，剧烈塑性变形更难进行，所以适当增大脉冲电流，一方面可以增强工件材料表层塑性，另外一方面可以刺激位错运动的进行，使表层细化顺利进行，使强化层较厚；步骤S2和S3中的喷丸覆盖率(喷丸次数)可以设置为1次或多次。
综上所述，本发明将脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应和喷丸强化耦合起来，使材料表面塑性提高，变形抵抗力降低，使喷丸的强化作用可以达到更大深度，也可以减弱上次硬化层对深层材料强化的阻碍作用，使喷丸强化作用达到材料更深处，进一步增强材料表面细化程度，提高材料表层性能。本发明与单纯的喷丸相比，具有以下优点：1)强化层深度更大，表层硬度更高，使材料表层晶粒细化甚至产生纳米晶粒，从而使零件的表面耐磨性、耐腐蚀性和搞疲劳性能得到大幅度提高；2)能够强化单纯喷丸难以加工和不能加工的材料，也可以减弱上次喷丸形成的硬化层对下次喷丸作用的阻碍，达到较好的强化效果。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化装置，其特征在于，所述装置包括喷嘴、脉冲电源、第一夹头和第二夹头，所述第一夹头和第二夹头用于装夹工件，第一夹头和第二夹头的其中之一由传动机构带动旋转，第一夹头、第二夹头和传动机构设置在支撑机构上，所述脉冲电源分别与第一夹头、第二夹头连接，使脉冲电源、第一夹头、工件和第二夹头形成一个回路，所述喷嘴对准工件，用于向工件表面喷丸。
2.根据权利要求1所述的金属表面强化装置，其特征在于，所述支撑机构为喷丸机工作台。
3.根据权利要求1所述的金属表面强化装置，其特征在于，所述支撑机构为喷丸机工作舱。
4.一种脉冲电流与喷丸耦合的金属材料表面强化方法，基于权利要求1-3任一项所述装置实现，其特征在于，所述方法包括：
将工件装夹在第一夹头和第二夹头上；其中，所述工件为金属材料；
启动脉冲电源，将输出的脉冲电流通到工件上，利用脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应对工件进行处理，使工件表面达到一定温度和状态，同时启动传动机构，带动工件旋转，使喷嘴沿工件轴向运动，对工件表面进行喷丸强化。
5.根据权利要求4所述的金属表面强化方法，其特征在于，所述启动脉冲电源，将输出的脉冲电流通到金属工件上，利用脉冲电流的热效应、集肤效应和电致塑效应对工件进行处理，使工件表面达到一定温度和状态，同时启动传动机构，带动工件旋转，使喷嘴沿工件轴向运动，对工件表面进行喷丸强化之后，还包括：
继续施加脉冲电流到工件的加工区域，利用脉冲电流对工件的加工区域进行处理，同时带动工件旋转，使喷嘴沿工件轴向运动，对工件表面进行喷丸强化。
6.根据权利要求5所述的金属表面强化方法，其特征在于，所述继续施加脉冲电流到工件的加工区域中，脉冲频率范围为100Hz～2000Hz，脉冲宽度范围为10μm～250μm，平均电流密度范围为0.3A/mm2～45A/mm2。
7.根据权利要求4-6任一项所述的金属表面强化方法，其特征在于，所述将输出的脉冲电流通到金属工件上中，脉冲频率范围为100Hz～2000Hz，脉冲宽度范围为10μm～250μm，平均电流密度范围为0.5A/mm2～30A/mm2。
8.根据权利要求4-6任一项所述的金属表面强化方法，其特征在于，所述喷丸的丸粒材质为陶瓷丸，直径范围为0.2mm～2.0mm，喷丸的压力为0.2MPa～0.8Mpa。
9.根据权利要求4-6任一项所述的金属表面强化方法，其特征在于，所述工件的旋转速度为0～100r/min。
10.根据权利要求4-6任一项所述的金属表面强化方法，其特征在于，所述喷丸的次数为1～20次。
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