CN111926161A - 一种金属材料表面强化方法及其强化装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种金属材料表面强化方法。通过对金属材料表面的垂直方向的锤击力以及切平面上若干个方向的摩擦力的同时作用，使材料表面产生较大的残余压应力层，延缓材料在工作载荷下裂纹的产生和扩展，提高材料的疲劳寿命。此外，基于上述强化方法，涉及一种金属材料表面强化装置，包括弹性体，施力体，底座，斜销。锤击力造成弹性体压缩变形，通过斜销以弹性体的压缩变形为驱动，转化为多个施力块的外推力。通过施力块和被强化材料的摩擦力，以及施力块对工件表面垂直方向的冲击力的同时作用实现上述强化方法。

Description

一种金属材料表面强化方法及其强化装置

技术领域

本发明属于金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种金属材料表面强化方法及其强化装置。

背景技术

随着工业技术的不断发展，对于实际应用的金属材料的安全可靠性和使用寿命的要求越来越高。尤其在关乎国家安全与发展的重大领域，如航空、航天，航海、石化、电力等，对关键零部件的性能要求愈发严苛。

通常，为了增加这些零部件的使用寿命，延长服役期限，在零部件成型后，需要对其进行强化加工。在实际应用中，由于材料的失效大多发生在表面或亚表面，因此表面强化已成为关键零部件制造过程的关键工序。

在现有技术中，表面强化技术有很多，其中，喷丸工艺是工程领域广泛应用的一种表面形变强化方法。目前，喷丸又分为机械喷丸、激光喷丸和超声波喷丸，这三种喷丸方法分别通过钢丸、激光对工件表面产生的瞬时爆破和超声波能量转化为机械能冲击波等方式对工件表面进行冲击，促使表层材料产生塑性变形，在工件的表面产生残余压应力层，从而实现工件表面强化的目的。虽然喷丸因工艺简单、易于实现，在工程领域得到广泛的应用，但同时存在以下的不足：

第一，喷丸过程中对被强化材料的受力方向是单一的。无论是钢丸对工件的撞击还是高能激光瞬时爆破产生的冲击力，其对工件的施力方向是单一的，方向近似的垂直于工件表面。在这一单一方向的冲击力作用下，材料在工件表面深度方向上自然地产生一个球状塑性形变区，导致表层塑性变形量较小。

第二，材料表面的压应力值较小，强化效果受到局限。由于表层塑性变形量不足，导致材料表面的残余压应力值小，使残余压应力抑制裂纹的功效受限，而材料的裂纹的开始产生和扩展大多发生在表面或亚表面，因此会造成材料在工作载荷下疲劳寿命短，强化效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种金属材料表面强化方法及其强化装置。应用该方法和装置能够对金属材料表面同时施加多个方向的力，使加工后材料表面的残余压应力层具有比喷丸更大的残余压应力值，提高表面强化效果。

本发明的技术方案是对工件加工过程中施加多个方向的力的作用从而获得较优的残余压应力层，实现强化效果，提高材料的疲劳寿命，具体方案如下：

一方面本发明提供一种金属材料表面强化方法，本方法利用现有的能提供冲击力的设备，诸如冲锤或气冲，在冲锤的锤头或气冲的冲头安装表面强化装置，该装置在冲锤或气冲的一次冲程中不但对金属材料施加垂直于材料表面的锤击力，而且同时提供材料表面上力作用点切平面内若干方向的外推摩擦力。在这些力的综合作用下，使材料表层产生塑性变形，变形后在材料表面形成残余压应力层，该压应力层的存在将延缓裂纹的产生和扩展，从而提高零部件的疲劳寿命。

另一方面本发明提供一种金属材料表面强化装置，本装置主要由底座、弹性体、斜销和施力体组成。斜销贯穿弹性体，斜销的两端分别装配于底座和施力体的半球形凹坑中。底座和施力体通过定位销连接；定位销与底座孔的配合是过盈配合，定位销与施力体的预留有3-4mm的间隙；底座和施力体间装配有施加预紧力的弹簧；底座和施力体间具有3-4mm的间隙。

在底座和施力体上加工出圆弧形沟槽，该沟槽用于弹性体受压变形时存储横截面上多余的弹性体部分。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明的金属材料表面强化方法克服了喷丸强化对材料表面的施力只是单方向的缺点，本发明对材料能够同时提供垂直于材料表面的锤击力和切平面内若干方向的外推力，在冲击力相同时产生比喷丸强化更大的材料表层残余压应力。本发明的金属材料表面强化装置结构简单，合理。在设计中巧妙的利用锤击力，将其通过弹性体和斜销机构分解为施力体垂直于锤击力方向的外推力，实现了上述强化方法。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2用于说明垂直于表面的锤击力和切平面若干方向的外推摩擦力。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图中的实施例作进一步描述：

如图1所示，本发明的强化装置包括底座1、斜销2、弹性体3、弹簧4、圆柱定位销5、施力体6等。本发明的强化装置的底座1通过定位孔与冲锤或气冲紧固连接。斜销2贯穿弹性体3，两端为半球形的斜销2分别与底座1和施力体6的半球形凹坑相连接。圆柱定位销5与底座1的孔的配合是过盈配合，圆柱定位销5与施力体6之间预留有3-4mm的间隙；底座1和施力体6之间装配有施加预紧力的弹簧4；底座1和施力体6间具有3-4mm的间隙。弹性体3通常由硬橡胶制成，它被紧固安装于底座1和施力体6之间的腔体内。

在底座1和施力体6上加工出圆弧形沟槽，该沟槽用于弹性体受压变形时存储横截面上多余的弹性体部分。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“上”“下”“左”“右”“水平”等指示的方向和位置关系的术语是基于附图所示的方向和位置关系，这仅仅是为了便于描述。

下面对本发明强化装置的工作原理及工作过程进一步详细说明：

强化装置安装在冲锤的锤头或气冲的冲头，强化装置随冲锤的锤头或气冲的冲头做上下振荡运动。

强化装置在工作前底座1和施力体6之间以及圆柱定位销5和施力体6之间有3-4mm间隙，该间隙是用于在强化装置工作时施力体6在上下和左右方向有移动的空间。

弹簧4安装在施力体6和底座1之间，向强化装置内安装弹簧时需要保证弹簧具有一定的预紧力，从而保证底座1和施力体6之间的间隙保持稳定。

圆柱定位销5与底座1的孔的配合是过盈配合，从而保证强化装置工作时圆柱定位销5不会因为振动而脱落。

当本强化装置开始工作时，首先强化装置在如图1所示位置向下运动；

当施力体6接触到工件后，施力体6就对被强化工件产生了锤击力，力的方向如图2中7的指示方向；

当工件受到施力体6锤击时，弹性体3因受到垂直方向的锤击力而压缩变形，同时产生水平方向的分力，各分力的方向如图2中8～11的指示方向；

在这些水平分力作用和斜销2的导向作用下，施力体6向外做外推运动；

在施力体6与工件间的摩擦力的作用下产生对工件表面水平方向的外推作用力；

在锤头或冲头回程过程中，由于弹性体3和弹簧4的弹力作用使施力体6回复到原位。

逐步增强冲锤或气冲的打击力，工件表面受到的垂直锤击力和水平方向的外推力就不断增大，直到符合要求为止。

需要说明的是材料表面上力作用点切平面内的外推摩擦力可以有若干个方向，取决于施力体的个数。所有施力体组装在一起组成对工件施加外力的工具。本实用例采用了四个施力体，但本申请的保护范围不局限于具体的施力体的个数，凡采用用本发明的方法产生若干方向外推摩擦力的技术方案都落入本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种金属材料表面强化方法，其特征在于：该方法采用金属材料每一次形变强化过程中，将冲击设备提供的冲击力的一部分力转变为与其方向垂直的外推力，被强化金属材料同时受到与工件表面垂直方向的锤击力以及力作用点的切平面上若干个方向的外推摩擦力，使金属材料表层产生残余压应力层，该压应力层延缓裂纹的产生与扩展，提高材料的疲劳寿命。

2.一种金属材料表面强化装置，其特征在于，装置由底座(1)、斜销(2)、弹性体(3)、弹簧(4)、圆柱定位销(5)和施力体(6)组成；底座(1)设计有法兰孔，通过它与冲锤的锤头紧固连接；由四个形状和尺寸相同的施力体(6)组成对被强化材料的施力装置；弹性体(3)紧配在底座(1)和施力体(6)之间；斜销(2)连接底座(1)、弹性体(3)和施力体(6)；底座(1)和施力体(6)之间装有弹簧(4)和圆柱定位销(5)。

3.根据权利要求2所述的金属材料表面强化装置，其特征在于：底座(1)和施力体(6)之间留有3-4mm间隙。

4.根据权利要求2所述的金属材料表面强化装置，其特征在于：弹簧(4)的外径和圆柱定位销(5)的直径的大小比较与之装配的施力体的沟槽宽度小3-4mm。

5.根据权利要求2所述的金属材料表面强化装置，其特征在于：底座(1)、施力体(6)和弹性体(3)三者的连接处在底座(1)和施力体(6)上加工出圆弧形沟槽，该沟槽用于弹性体受压变形时存储横截面上多余的弹性体部分。

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