CN112280956B - 三维多向同时施力的材料表面强化方法与装置 - 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和装置。强化方法是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方向的外推力的同时作用，使材料表面产生较大的残余压应力层，延缓材料在循环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，涉及一种实现该方法的金属材料表面强化装置，包括施力体，弹性体，底座，斜销，外箍等。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。通过施力块对被强化材料的外推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

三维多向同时施力的材料表面强化方法与装置

技术领域

本发明涉及一种金属材料表面强化方法及实现该方法的装置，具体地说是对被强化金属材料实施三维多向同时施力，得到比单向施力更佳的表面形变强化效果，属于金属材料表面强化技术领域。

背景技术

腐蚀、磨损、断裂是机械零部件的三大失效形式，其中以断裂失效带来的损失最大，而断裂失效中疲劳失效所占比例最高。通常，为了增加这些零部件的疲劳寿命，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。表面强化的应用涉及面广，制造业中很多重要的零部件都需要强化技术来增加其疲劳寿命，从而降低生产成本或者提高产品的安全性。

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中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、激光对工件表面吸收层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。由于对工件整体而言局部表面与其它区域变形不一致，在喷丸力的作用结束后，工件的表面与内部互相制约，表面区域产生残余压应力。该残余压应力有助于抑制裂纹的产生和扩展，进而增强工件的疲劳强度。

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：

1)喷丸过程中对被强化材料的施力方向是单一的。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近球形的塑性形变区，在材料的表面区域塑性变形量较小。2)喷丸强化处理后，材料表面的残余压应力值较小，强化效果受到局限。由于表层塑性变形量不足，导致喷丸力卸载后，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。材料裂纹的开始、产生和扩展大多发生在材料的表面或亚表面，因此较小的材料表面残余压应力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

本申请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，使强化处理后材料表面具有比传统的单向施力形变强化方法更大的残余压应力，提高表面强化效果。

本申请的技术方案是对工件表面强化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，提高材料的疲劳寿命，具体方案如下：

一方面发明了一种金属材料表面强化方法，该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处安装表面强化装置，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冲击力，而且同时提供通过力作用点的切平面内若干方向的外推力。在上述垂直力和外推力的作用下使金属材料表面产生较大的塑性变形，最终在材料的表面和亚表面形成近圆锥台形的塑性形变区。这种塑性形变使材料表面产生相比单向施力的表面强化方法更大的残余压应力，从而加强了抑制裂纹产生和扩展的能力，提高零件的疲劳寿命。

另一方面本申请提供一种实现上述方法的金属材料表面强化装置，装置由底座、十字花螺钉、斜销、弹性体、施力体和外箍组成。装置通过底座上的孔用内六角螺钉与提供动力的冲锤设备的锤头或气冲的冲头紧固连接。对被强化工件的表面同时施加三维空间内多个方向的力，施力的部件是由若干个形状和尺寸相同的独立的施力体组装而成。施力体的数量越多，那么在力作用点的切平面上提供越多不同方向的外推力。在底座和施力体之间紧配有弹性体；斜销贯穿弹性体，其两端分别与底座和施力体的半球形盲孔配合；外箍将底座、弹性体和施力体紧固地连接在一起。用十字花螺钉将外箍固定在底座上。

本申请与已有技术相比具有以下优点：

本申请的金属材料表面强化方法克服了传统形变强化方法对材料表面的施力只是单方向的缺点。三维多向同时施力的材料表面强化方法能够对材料同时提供垂直于材料表面的冲击力和力作用点切平面内若干方向的外推力，在垂直于材料表面的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。本申请的金属材料表面强化装置结构简单，合理。在设计中利用动力源提供的冲击力，将其部分力通过弹性体和斜销机构分解为垂直于锤击力方向的若干外推力，实现了上述强化方法。

附图说明

图1是本申请实施例提供的三维多向同时施力的材料表面强化装置的结构示意图；

其中：

1-锤头；2-内六角螺钉；3-底座；4-十字花螺钉；5-斜销；6-弹性体；7-施力体；8-外箍。

图2是喷丸强化塑性形变区示意图。用于说明喷丸强化形成的塑性形变区(剖面线部分)，呈近球形的塑性形变区中，A区域材料的塑性形变量受限，喷丸力卸载后材料表面的残余压应力不足。

图3是本申请提供的三维多向同时施力的材料表面强化方法形成的塑性形变区示意图。图中，剖面线区域为用本申请的强化方法形成的塑性形变区，呈近圆锥台形。近圆锥台形的塑性形变区相比图2的近球形的塑性形变区，表面材料的水平面内的塑性变形量增加，三维多向力卸载后材料表面的残余压应力比单向施力的喷丸方法更大。

图4是外箍8的三维轴测图；本申请提供的强化装置由两个形状和尺寸相同的外箍紧固封装。

图5是本申请提供的三维多向同时施力的材料表面强化装置的三维轴测图。

图6是将图5的B区域放大显示，是本申请实施例提供的表面强化装置在水平面内产生四个外推力的示意图。

图7是施力体7的三维轴测图；本申请实施例提供的表面强化装置中由四个尺寸和形状相同的施力体7组装在一起成为施力工具。

具体实施方式

实施作业时如果用气冲作为动力源，则通常将连接有本装置的气冲安装在工业机器人末端机械臂上，然后通过机器人控制系统调整气冲的位姿，以保证冲击方向与工件表面垂直。通过机器人的路径规划实现机器人机械臂按既定轨迹运行，运行过程中控制机器人机械臂和气冲对工件表面的冲击操作，最终实现对工件待加工区域的全覆盖表面强化。如果用冲锤设备作为动力源，则将待强化工件安装在机器人数控转台上，作业时冲锤只做上下往复运动，而机器人数控转台根据工件表面的形状不断调整位姿，同样在运行轨迹过程中控制冲锤对工件表面的冲击操作，最终实现强化处理对待强化区域的全覆盖。

为了更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图中的实施例作进一步描述：下面结合附图1，本申请的强化装置包括底座3、十字花螺钉4、斜销5、弹性体6、施力体7和外箍8组成。装置通过底座3的法兰孔用内六角螺钉2与提供动力的冲锤设备的锤头1紧固连接。对被强化工件的表面施加三维空间内多个方向的力，施力的部件是由若干个形状和尺寸相同的独立的施力体7组装而成，这些组装在一起的施力体7简称为施力体群。施力体7的数量越多，那么在力作用点的切平面上提供更多不同方向的外推力。在底座3和施力体7之间紧配有弹性体6；斜销5贯穿弹性体6，其两端分别与底座3和施力体7的半球形盲孔配合；外箍8将底座3、弹性体6和施力体7紧固地连接在一起。用十字花螺钉4将外箍8固定在底座3上。弹性体6通常是橡胶，是随力的大小变形的弹性体。橡胶是通过装备的机械零件装配后再注压到腔体内成型固化，固化后将两边需要留空隙处的多余橡胶切除。

为了降低施力体7的加工难度，不同施力体7之间的接触面处留有工艺槽，这样可以减少施力体7间的接触面积，从而降低单个施力体7的加工精度，也有利于减少装配误差；

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。

下面对本申请的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1或气冲的冲头上，强化装置随冲锤的锤头1或气冲的冲头做上下往复运动。

强化装置在工作前，底座3和施力体7之间留有3-4mm间隙，该间隙是用于在强化装置工作时施力体7在上下方向有移动的空间。该间隙的大小是弹性体6上下方向上压缩变形量的最大值。根据所需要的材料的残余压应力层的深度和残余压应力的力大小，以及材料在深度方向受到的冲击力和水平面内的外推力的力的分配情况，适当的调整该间隙，以满足用户的需求。

弹性体6与施力体7之间，以及弹性体6与和底座3之间，在左右方向上留有间隙。该间隙主要用于存储弹性体6压缩变形后在左右方向上膨胀的材料。施力体7、弹性体6和底座3由形状和尺寸相同的两个类似半圆柱形的外箍8紧密连接在一起。

当本申请的强化装置开始工作时，首先强化装置向下运动；

当施力体7接触到工件后，施力体7就对被强化工件产生了向下的锤击力；当工件受到施力体7锤击时，弹性体6因受到向下方向的锤击力的反作用力而压缩变形，同时使每个施力体7产生水平面内的外推力；

在这些水平面内的外推力的作用和斜销5的导向作用下，施力体7在水平面上做外推运动；在施力体7外推力的作用下，外箍8向外膨胀变形。

在锤头或冲头回程过程中，在弹性体6和外箍8自身的弹性力作用下施力体7回复到原位。

逐步增强冲锤或气冲的打击力，工件表面受到的向下的锤击力和水平面内的外推力就不断增大，直到符合要求为止。

材料表面上力作用点切平面内的外推力可以有若干个方向，力方向的个数取决于施力体7的个数。所有施力体7组装在一起组成对工件施加外力的施力体群。本实用例采用了四个施力体7，但本申请的保护范围不局限于具体的施力体7的个数，凡采用用本申请的方法产生若干方向外推力的技术方案都落入本申请的保护范围内。

Claims (4)

1.三维多向同时施力的材料表面强化装置，其特征在于：

装置由底座(3)、十字花螺钉(4)、斜销(5)、弹性体(6)、施力体(7)和外箍(8)组成；装置通过底座(3)的法兰孔用内六角螺钉(2)与提供动力的冲锤设备的锤头(1)紧固连接；对被强化工件的表面施加三维空间内多个方向的力，施力的部件是由若干个形状和尺寸相同的独立的施力体(7)组装而成；施力体(7)的数量越多，那么在力作用点的切平面上提供更多不同方向的外推力；在底座(3)和施力体(7)之间紧配有弹性体(6)；斜销(5)贯穿弹性体(6)，其两端分别与底座(3)和施力体(7)的半球形盲孔配合；外箍(8)将底座(3)、弹性体(6)和施力体(7)紧固地连接在一起；用十字花螺钉(4)将外箍(8)固定在底座(3)上。

2.根据权利要求1所述的三维多向同时施力的材料表面强化装置，其特征在于：所述的斜销(5)两端在底座(3)和施力体(7)的半球形盲孔内可转动。

3.根据权利要求1所述的三维多向同时施力的材料表面强化装置，其特征在于：所述的底座(3)和施力体(7)之间留有3-4mm的间隙。

4.根据权利要求1所述的三维多向同时施力的材料表面强化装置，其特征在于：所述的不同施力体(7)之间的接触面处留有工艺槽。

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