CN112831638A - 高精度金属表面复合强化加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度金属表面复合强化加工方法及装置，所述方法包括：根据待处理工件的材料特性及使用需求，对工件进行预热处理；选择激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度；开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；使用半导体激光器在工件表面加工出离散激光相变硬化点阵；选择超声滚压刀具参数和数控机床操作参数；开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；根据超声滚压刀具参数和数控机床操作参数，使用超声滚压刀具对工件进行表面超声滚压强化，制得表面具备双向梯度硬度特性的复合强化工件。本发明对提高工件表面的抗磨损性能及接触疲劳性能表现出了较好的效果，减小了工件表面磨损率及疲劳失效深度，可有效提高工件实际使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度金属表面复合强化加工方法及装置，属于材料表面加工技术领域。
背景技术
随着人们对新技术领域的深入拓展，许多机械设备中零部件的工作环境逐渐变得更加恶劣，尤其是表面磨损及疲劳失效成为限制设备使用寿命的重要因素。梯度硬化强化是一种能有效提高零部件抗磨损性能、疲劳强度和寿命的表面强化处理方法。根据强化层的来源的不同可分为增材强化、化学强化和物理强化等工艺。增材强化包括了激光熔覆、气相沉积等，化学强化包括了渗碳、渗氮等；物理强化包括了喷丸、机械研磨等。激光相变硬化及表面超声滚压是物理强化中强化效果较为突出的两种工艺。由于是自材强化，因此不存在强化层内部应力大、结合性能差、易开裂及脱落等问题。同时，两种工艺均具有非常高的加工表面精度及较低的加工变形量，加工后零件表面粗糙度低、无需后续加工。本发明通过在工件表面离散设置高硬度激光相变硬化点阵，在提高表层耐磨性能的同时保留了塑性变形从表层向基体内部流动的能力，使得表面超声滚压过程中强化层深度更深，内部由于塑性变形产生的残余压应力更大。此工艺操作过程简单、设备易获取，适合于各类对磨损及疲劳性能有一定要求的零部件表面强化加工。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高精度金属表面复合强化加工方法，该方法通过在待处理工件表面先开展激光离散相变硬化处理，加工出具有特定分布密度的离散激光相变硬化点阵，随后采用表面超声滚压刀具对表面进行塑性变形纳米化强化，形成水平和深度两个方向均具有梯度硬度变化的强化层，即制得表面具备双向梯度硬度特性的复合强化工件，结合了激光表面相变硬化及表面超声滚压技术的优点，能够实现较少加工变形量下的工件表面高精度强化加工，工件表面形成的复合强化层对提高工件表面的抗磨损性能及接触疲劳性能表现出了较好的效果，减小了工件表面磨损率及疲劳失效深度，可有效提高工件实际使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种高精度金属表面复合强化加工装置。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种高精度金属表面复合强化加工方法，所述方法包括：
根据待处理工件的材料特性及使用需求，对工件进行预热处理；
根据工件的材料特性及使用需求，选择激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度；
将工件装夹于数控机床的卡盘，开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；
根据激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度，使用半导体激光器在工件表面加工出离散激光相变硬化点阵，得到已离散激光相变硬化后的工件；
根据工件的材料特性及使用需求，选择超声滚压刀具参数和数控机床操作参数；
将已离散激光相变硬化后的工件装夹于数控机床的卡盘，开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；
根据超声滚压刀具参数和数控机床操作参数，使用超声滚压刀具对工件进行表面超声滚压强化，制得表面具备水平和深度两个方向梯度硬度特性的复合强化工件。
进一步的，所述激光参数包括激光光斑直径、功率和辐照时间，激光光斑直径为2～4mm，功率为300～600W，辐照时间为50～200ms。
进一步的，所述离散激光相变硬化点阵分布密度以工件表面10×10mm为计算单元，计算公式为：离散激光相变硬化点阵分布密度＝(激光光斑数×单个激光光斑面积)/单元面积×100％。
进一步的，所述离散激光相变硬化点阵分布密度为20～80％。
进一步的，所述超声滚压刀具参数包括施加静压力、超声频率和超声波振幅，施加静压力为500～1300N，超声频率为20～30kHz，超声波振幅为6～12μm。
进一步的，所述数控机床参数包括超声滚压刀具轴向进给速度和工件转速，所述超声滚压刀具轴向进给速度为0.04～0.203mm/r，所述工件转速为22～85r/min。
进一步的，所述工件的材料特性包括基体硬度、弹性模量和金相组织。
进一步的，所述工件的使用需求包括温度、表面受力情况和润滑。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种高精度金属表面复合强化加工装置，用于实现上述方法，所述装置包括半导体连续激光器、激光头、超声滚压刀具、超声发生器、空气压缩机、数控机床和卡盘；
所述卡盘安装在数控机床上，用于装夹工件；
所述半导体连续激光器与激光头连接，用于通过激光头在卡盘装夹的工件表面加工出离散激光相变硬化点阵；
所述超声滚压刀具分别与超声发生器、空气压缩机连接，用于对卡盘装夹的工件进行表面超声滚压强化。
进一步的，所述激光头安装在高精度机械臂支架上，所述超声滚压刀具安装在机床刀架上。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
本发明首先基于特定激光参数及分布密度的离散激光相变硬化工艺在工件表面制得了具有水平方向的梯度硬度的离散激光相变硬化点阵，使得硬化点间形成了规律分布的软硬相间区，硬化点的直径约1～5mm、深度约0.4～2mm；随后采用特定工艺参数的表面超声滚压工艺在工件表面形成了纵向的梯度塑性硬化层。由于离散激光相变硬化点仍具备晶粒细化潜力，滚压后表面仍保留水平方向的梯度硬度。同时，本发明通过离散硬化在表层保留了一定均匀分布的软基体区，提高了表面超声滚压加工过程中自表层向内的塑性流动层深度，解决了工件表层全面激光硬化后带来的塑性变形流动向内传递受限，引入表层残余压应力较小的问题。此外，本发明制得的表面水平方向的梯度硬度分布可在零件表面接触过程中起到良好的抗磨损效果，深度方向的梯度硬度及残余压应力分布有利于提高抗磨损及解除疲劳性能，有效延长零件及设备使用寿命。
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为本发明实施例的高精度金属表面复合强化加工装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的高精度金属表面复合强化加工方法的流程示意图。
图3(a)～图3(d)为本发明实施例的离散激光相变硬化点阵分布密度分别为28.2％、50.2％、78.5％和100％的示意图。
其中，1-半导体连续激光器，2-激光头，3-超声滚压刀具，4-超声发生器，5-空气压缩机，6-数控机床，7-卡盘，8-工件。
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高精度金属表面复合强化加工装置，该装置包括半导体连续激光器1、激光头2、超声滚压刀具3、超声发生器4、空气压缩机5、数控机床6和卡盘7，卡盘7安装在数控机床6上，用于装夹工件8；激光头2对着卡盘7装夹的工件8，半导体连续激光器1采用高功率连续半导体激光器，半导体连续激光器1与激光头2连接，用于通过激光头2在卡盘7装夹的工件8表面加工出离散激光相变硬化点阵；超声滚压刀具3的刀头对着卡盘7装夹的工件8，并分别与超声发生器4、空气压缩机5连接，用于对卡盘7装夹的工件8进行表面超声滚压强化；进一步地，为了方便激光离散硬化和超声滚压强化，可将激光头2安装在高精度机械臂支架上，以及可将超声滚压刀具3安装在机床刀架上。
如图1和图2所示，本实施例还提供了一种高精度金属表面复合强化加工方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：
S1、根据待处理工件8的材料特性及使用需求，对工件8进行预热处理。
工件8的材料用低碳钢初始接收态为球化退火态，硬度为280～310HV0.2，金相组织为铁素体+珠光体组织；零件实际工作过程中温度约90℃，表面最大承受载荷小于2.5GPa，润滑状态为浸油润滑；经850℃奥氏体化90min+油淬+180℃回火30min热处理后，硬度升至460～500HV0.2，金相组织为马氏体+残余奥氏体组织。
S2、根据工件8的材料特性及使用需求，选择激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度。
根据步骤S1中工件8的材料特性及使用需求，优选出合适的激光光斑直径为0.2mm、功率为520W、辐照时间为100ms及离散激光相变硬化点阵分布密度为78.5％。
离散激光相变硬化点阵分布密度以工件表面10×10mm为计算单元，计算公式为：离散激光相变硬化点阵分布密度＝(激光光斑数×单个激光光斑面积)/单元面积×100％，如图3(a)～图3(d)所示，离散激光相变硬化点阵分布密度分别为28.2％、50.2％、78.5％和100％；通过X射线应力仪测得离散激光相变硬化点阵分布密度为78.5％时次表层最大残余压应力达到约-640MPa，高于密度为100％时的约-620MPa，同时具有较高的硬化率及次表层残余压应力，效果最好。
S3、将工件8装夹于数控机床6的卡盘7，开启数控机床6使卡盘7带动工件8低速旋转。
S4、根据步骤S2的激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度，使用半导体激光器1在工件8表面加工出离散激光相变硬化点阵，得到已离散激光相变硬化后的工件8。
S5、根据工件8的材料特性及使用需求，选择超声滚压刀具3参数和数控机床6操作参数。
结合已离散激光相变硬化后的工件8，根据步骤S1中工件8的材料特性及使用需求，优选出合适的超声滚压刀具3参数为：静压力900N，超声振幅为12μm、超声频率为25kHz，数控机床6操作参数为：超声滚压刀具3进给速度为0.04mm/r、工件8转速为85/min。
S6、将已离散激光相变硬化后的工件8装夹于数控机床6的卡盘7，开启数控机床6使卡盘7带动工件8低速旋转。
S7、根据步骤S5的超声滚压刀具参数3和数控机床6操作参数，使用超声滚压刀具3对工件8进行表面超声滚压强化，制得表面具备水平和深度两个方向(双向)梯度硬度特性的复合强化工件8。
本实施例采用维氏显微硬度计、便携式粗糙度测试仪及螺旋测微计对复合强化各阶段表层硬度、粗糙度Ra及加工变形量进行测定，结果表明：在表层沿水平方向，单一离散激光相变硬化后表层未激光处理基体硬度保持不变，约为460～500HV0.2，硬化点硬度显著高于未激光处理区域，自边缘从约530HV0.2向光斑中心逐步梯度增加至约620HV0.2；结合表面超声滚压加工后，表层未激光处理基体硬度增至约为500～550HV0.2，硬化点硬度仍显著高于未激光处理区域，自边缘从约560HV0.2向光斑中心逐步梯度增加至约650HV0.2。在表层沿深度方向，单一离散激光相变硬化后表层未激光处理基体硬度保持不变，约为460～500HV0.2，硬化点呈现“月牙形”，自硬化表层从620HV0.2向工件基体内部逐步梯度减小至约460HV0.2，梯度硬化层深度约0.47mm；结合表面超声滚压加工后，表层未激光处理基体硬度增至约为500～550HV0.2，硬化点呈现向滚压方向稍塑性拉长的“月牙形”，自硬化点表层从650HV0.2向工件基体内部逐步梯度减小至约460HV0.2，梯度硬化层深度增加至约0.56mm。
单一离散激光相变硬化后表层未激光处理基体粗糙度Ra约0.6～1.0μm，硬化点与未激光处理基体粗糙度Ra保持一致；结合表面超声滚压加工后，表层未激光处理基体与硬化点粗糙度Ra均降低至0.05～0.1μm。
单一离散激光相变硬化后硬化点处未测到明显加工变形；结合表面超声滚压加工后，表层未激光处理基体由于硬度较低，表面加工变形量为3～5μm，硬化点处硬度较高，表面加工变形量为2～3μm。
综上所述，本发明首先基于特定激光参数及分布密度的离散激光相变硬化工艺在工件表面制得了具有水平方向的梯度硬度的离散激光相变硬化点阵，使得硬化点间形成了规律分布的软硬相间区，硬化点的直径约1～5mm、深度约0.4～2mm；随后采用特定工艺参数的表面超声滚压工艺在工件表面形成了纵向的梯度塑性硬化层。由于离散激光相变硬化点仍具备晶粒细化潜力，滚压后表面仍保留水平方向的梯度硬度。同时，本发明通过离散硬化在表层保留了一定均匀分布的软基体区，提高了表面超声滚压加工过程中自表层向内的塑性流动层深度，解决了工件表层全面激光硬化后带来的塑性变形流动向内传递受限的问题。此外，本发明制得的表面水平方向的梯度硬度分布可在零件表面接触过程中起到良好的抗磨损效果，深度方向的梯度硬度分布有利于提高抗磨损及解除疲劳性能，有效延长零件及设备使用寿命。
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)
1.一种高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述方法包括：
根据待处理工件的材料特性及使用需求，对工件进行预热处理；
根据工件的材料特性及使用需求，选择激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度；
将工件装夹于数控机床的卡盘，开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；
根据激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度，使用半导体激光器在工件表面加工出离散激光相变硬化点阵，得到已离散激光相变硬化后的工件；
根据工件的材料特性及使用需求，选择超声滚压刀具参数和数控机床操作参数；
将已离散激光相变硬化后的工件装夹于数控机床的卡盘，开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；
根据超声滚压刀具参数和数控机床操作参数，使用超声滚压刀具对工件进行表面超声滚压强化，制得表面具备水平和深度两个方向梯度硬度特性的复合强化工件。
2.根据权利要求1所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述激光参数包括激光光斑直径、功率和辐照时间，激光光斑直径为2～4mm，功率为300～600W，辐照时间为50～200ms。
3.根据权利要求1所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述离散激光相变硬化点阵分布密度以工件表面10×10mm为计算单元，计算公式为：离散激光相变硬化点阵分布密度＝(激光光斑数×单个激光光斑面积)/单元面积×100％。
4.根据权利要求3所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述离散激光相变硬化点阵分布密度为20～80％。
5.根据权利要求1所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述超声滚压刀具参数包括施加静压力、超声频率和超声波振幅，施加静压力为500～1300N，超声频率为20～30kHz，超声波振幅为6～12μm。
6.根据权利要求1所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述数控机床参数包括超声滚压刀具轴向进给速度和工件转速，所述超声滚压刀具轴向进给速度为0.04～0.203mm/r，所述工件转速为22～85r/min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述工件的材料特性包括基体硬度、弹性模量、残余应力和金相组织。
8.根据权利要求1-6任一项所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述工件的使用需求包括温度、表面受力情况和润滑。
9.一种高精度金属表面复合强化加工装置，用于实现权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述装置包括半导体连续激光器、激光头、超声滚压刀具、超声发生器、空气压缩机、数控机床和卡盘；
所述卡盘安装在数控机床上，用于装夹工件；
所述半导体连续激光器与激光头连接，用于通过激光头在卡盘装夹的工件表面加工出离散激光相变硬化点阵；
所述超声滚压刀具分别与超声发生器、空气压缩机连接，用于对卡盘装夹的工件进行表面超声滚压强化。
10.根据权利要求9所述的高精度金属表面复合强化加工装置，其特征在于，所述激光头安装在高精度机械臂支架上，所述超声滚压刀具安装在机床刀架上。
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