CN114085987A - 一种材料表面超声冲击强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种材料表面超声冲击强化装置，包括拉伸加载模块、超声加载模块、底座和三轴滑台，所述的拉伸加载模块两端固定在底座上，所述的超声加载模块与三轴滑台相连，通过三轴滑台固定在底座上，超声加载模块位于拉伸加载模块的上方；试件固定在拉伸加载模块的夹具上。本发明还提供一种材料表面超声冲击强化方法，拉伸加载模块能够实现带动试件进行旋转运动，在传统UNSM基础上对试样施加轴向预拉伸应力，进一步提升试件残余压缩应力，提高材料寿命；超声加载模块对试件表面的冲击强化，能够调节静载荷、振幅、冲击次数、进给速度等参数，能够改变材料表面的粗糙度、硬度、残余压应力，从而改善材料的疲劳性能、力学性能、以及抗腐蚀性能。

Description

一种材料表面超声冲击强化装置及方法

技术领域

本发明涉及材料表面改性装置及方法，特别涉及一种材料表面超声冲击强化装置及方法。

背景技术

众所周知，金属材料的应用涉及到生活、生产的多个领域，金属材料最常见的加工工艺有铸造、压力加工和焊接，成型的材料经过适当的检测方法检测其组织及性能缺陷，再对其进行后处理，满足使用及性能要求。任何产品制造的第一步是选材，材料最常见的失效形式为磨损、腐蚀、断裂，失效通常源于材料表面，为了提高金属材料的强度、硬度、刚性、耐磨性、耐腐蚀等性能，一般需要对金属材料表面进行改性及强化。

超声表面纳米晶改性(UNSM)起源于韩国，经过发展以及大量实验后，证实UNSM能够使材料表面产生纳米晶层，这种晶层能够增加材料表面硬度。UNSM还能够显著增加材料内部的残余压应力，残余压应力的增加会延长材料的疲劳寿命，改善耐腐蚀性。由于UNSM以20kHz的频率在材料表面不断冲击，对材料表面的粗糙度有一定影响，但最终结果是表面粗糙度的增大还是减小，这取决于材料原始的表面粗糙度状况，如，3D打印材料经过UNSM后，表面粗糙度减小，但一些钛合金经过UNSM后，表面粗糙度增大。基于上述UNSM对材料硬度、残余压应力、表面粗糙度、疲劳寿命、耐腐蚀性等的影响，有人将UNSM技术应用到轴承的修补上，修补后的轴承参数与新轴承参数大致一样。至于UNSM后的纳米晶层厚度、残余压应力大小等，则取决于UNSM过程中的参数选择及搭配，如静载荷、振幅、冲击次数、进给速度等。

考虑到钛合金塑性差，冲击的力度大可能会损坏钛合金，冲击的力度小，达不到预期效果，所以应提高钛合金塑性后再进行UNSM，即改进UMSM。基于材料表面残余压应力能够延长材料疲劳寿命、提高耐腐蚀性能这一现象，本发明希望在UNSM基础上，能够提供一种对试件进行预拉伸，使材料产生残余压应力，然后保持拉伸力不变，进行超声冲击的装置及方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种材料表面超声冲击强化装置，包括拉伸加载模块、超声加载模块、底座和三轴滑台，所述的拉伸加载模块两端固定在底座上，所述的超声加载模块与三轴滑台相连，通过三轴滑台固定在底座上，超声加载模块位于拉伸加载模块的上方；试件固定在拉伸加载模块的夹具上。

所述的拉伸加载模块包括伺服电缸、第一带传动旋转组件、第二带传动旋转组件、第一夹具和第二夹具，所述的伺服电缸通过第一肋板固定在底座上，伺服电缸与第一带传动旋转组件相连；所述的第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件相对设置，第一带传动旋转组件底部设有滑块，底座上沿伺服电缸的轴向设有导轨，第一带传动旋转组件通过滑块与导轨滑动连接，第二带传动旋转组件通过第二肋板固定在底座上；第一带传动旋转组件的旋转带轮与第一夹具相连，第二带传动旋转组件的旋转带轮与第二夹具相连；试件两端被第一夹具和第二夹具夹持固定。第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的旋转带轮能够带动第一夹具和第二夹具旋转。

所述的第一带传动旋转组件的旋转带轮与第一夹具之间通过双端法兰相连；所述的第二带传动旋转组件的旋转带轮与第二夹具之间设有拉力传感器，拉力传感器的一端通过第一法兰与第二夹具相连，另一端通过第二法兰与第二带传动旋转组件的旋转带轮相连。

所述的第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的结构相同，包括壳体、旋转带轮、伺服电机，所述的旋转带轮一端与壳体枢接，伺服电机固定在壳体上，伺服电机的输出轴通过传动带与旋转带轮传动连接。

所述的超声加载模块包括连接板、上端固定板、冲击力传感器、上传力盘、传力杆、下传力盘和超声振子，所述的连接板与三轴滑台相连，上端固定板与连接板上部固定，冲击力传感器上端与上端固定板相连，下端与上传力盘相连；下传力盘通过传力杆与上传力盘相连；超声振子的下部固定在下传力盘中间。当超声振子冲击材料表面时，超声振子受到的反作用力会经由下传力盘、传力杆、上传力盘传递到冲击力传感器。

所述的三轴滑台的两个支脚通过支撑台固定在底座的横向两端，能够带动超声加载模块在横纵向及竖向三个方向运动，调整超声振子位置，改变超声振子对试件施加载荷时的静载荷与进给速度。

本发明还提供一种材料表面超声冲击强化方法，利用上述装置进行材料预拉伸表面超声冲击强化，步骤如下：

步骤一、试件的装夹：

将试件两端分别通过第一夹具和第二夹具夹紧固定；

步骤二、预拉伸载荷施加：

驱动伺服电缸收缩，使伺服电缸带动第一带传动旋转组件通过滑块在导轨上移动，通过第一夹具和第二夹具将拉伸载荷传递到试件上，使试件产生残余压应力；拉力大小通过拉力传感器测量；

步骤三、超声冲击载荷施加：

保持步骤二中的预拉伸载荷不变，在试件已有残余压应力的基础上，驱动三轴滑台，调整超声振子位置；驱动第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的旋转带轮旋转，带动试件进行旋转运动主运动；驱动超声振子，设置振幅、冲击次数，同时通过调整三轴滑台运动参数，调整超声振子的静载荷与进给速度；

其中，超声振子对试件的打击力如下公式(1)：

F＝P_st+P_am·sin(2πft) (1)

F——总打击力，N；

P_st——静态负载，N；

P_am——动载荷幅值，N；

f——频率，Hz；

t——时间，s；

试件微坑数如下公式(2)：

n——微坑数，m^-2；

f——频率，Hz；

R——球或销接触待处理表面的半径，m；

V——机床主轴转速，rev/s；

S——进给速率，m/rev。

本发明的有益效果：

本发明采用模块化设计思路，结构紧凑，便于安装维护以及后期的功能扩展，拉伸加载模块能够实现带动试件进行旋转运动，在传统UNSM基础上对试样施加轴向预拉伸应力，进一步提升试件残余压缩应力，从而进一步提高材料寿命；超声加载模块能够实现对试件表面的冲击强化作用，能够调节静载荷、振幅、冲击次数、进给速度等参数，能够改变材料表面的粗糙度、硬度、残余压应力，从而改善材料的疲劳性能、力学性能、以及抗腐蚀性能，更能提高3D打印样品的表面光洁度，降低孔隙率。本发明兼具材料改性以及材料测试功能。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明拉伸加载模块结构示意图；

图3为本发明拉伸加载模块分解结构示意图；

图4为本发明超声加载模块结构示意图；

图5为本发明超声加载模块分解结构示意图；

1、拉伸加载模块，2、超声加载模块，3、底座，4、三轴滑台，5、试件，6、伺服电缸，7、第一带传动旋转组件，8、第一夹具，9、第二夹具，10、拉力传感器，11、第二带传动旋转组件，12、第一肋板，13、滑块，14、导轨，15、第二肋板，16、旋转带轮，17、壳体，18、伺服电机，19、双端法兰，20、第一法兰，21、第二法兰，22、连接板，23、上端固定板，24、冲击力传感器，25、上传力盘，26、传力杆，27、下传力盘，28、超声振子，29、上双头螺柱，30、下双头螺柱，31、支撑台。

具体实施方式

请参阅图1-5所示：

本发明提供一种材料表面超声冲击强化装置，包括拉伸加载模块1、超声加载模块2、底座3和三轴滑台4，所述的拉伸加载模块1沿底座3纵向设置，两端固定在底座3上，所述的超声加载模块2与三轴滑台4相连，通过三轴滑台4固定在底座3上，超声加载模块2位于拉伸加载模块1的上方；试件5固定在拉伸加载模块1的夹具上。

所述的拉伸加载模块1包括伺服电缸6、第一带传动旋转组件7、第一夹具8、第二夹具9和第二带传动旋转组件11，所述的伺服电缸6通过第一肋板12固定在底座3的一端上，伺服电缸6与第一带传动旋转组件7相连；所述的第一带传动旋转组件7和第二带传动旋转组件11相对设置，第一带传动旋转组件7底部设有滑块13，底座3上沿伺服电缸6的轴向即底座的纵向设有导轨14，第一带传动旋转组件7通过滑块13与导轨14滑动连接，第一带传动旋转组件7能沿导轨14滑动；第二带传动旋转组件11通过第二肋板15固定在底座3的另一端上；第一带传动旋转组件7的旋转带轮16与第一夹具8相连，第二带传动旋转组件11的旋转带轮16与第二夹具9相连；试件5两端被第一夹具8和第二夹具9夹持固定。第一带传动旋转组件7和第二带传动旋转组件11的旋转带轮16能够带动第一夹具8和第二夹具9旋转。

所述的第一带传动旋转组件7和第二带传动旋转组件11的结构相同，包括旋转带轮16、壳体17、伺服电机18，所述的旋转带轮16一端与壳体17枢接，伺服电机18固定在壳体17上，伺服电机18的输出轴通过传动带与旋转带轮16传动连接。

所述的第一带传动旋转组件7的旋转带轮16与第一夹具8之间通过双端法兰19相连；所述的第二带传动旋转组件11的旋转带轮16与第二夹具9之间设有拉力传感器10，拉力传感器10的一端通过第一法兰20与第二夹具9相连，另一端通过第二法兰21与第二带传动旋转组件11的旋转带轮16相连。

所述的超声加载模块2包括连接板22、上端固定板23、冲击力传感器24、上传力盘25、传力杆26、下传力盘27和超声振子28，所述的连接板22与三轴滑台4相连，上端固定板23与连接板22上部固定，冲击力传感器24上端通过上双头螺柱29与上端固定板23相连，下端通过下双头螺柱30与上传力盘25相连；下传力盘27通过传力杆26与上传力盘25相连；超声振子28的下部固定在下传力盘27中间，本实施例中，下传力盘27包括两层环形传力盘，两层环形传力盘夹持在超声振子28轴肩的上下两侧，传力杆26的下部轴肩抵接在上层环形传力盘上表面，穿过两层环形传力盘上的连接孔，下端通过螺母紧固。当超声振子28冲击材料表面时，超声振子28受到的反作用力会经由下传力盘27、传力杆26、上传力盘25传递到冲击力传感器24。

所述的三轴滑台4的两个支脚通过支撑台31固定在底座3的横向两端，能够带动超声加载模块2在横纵向及竖向三个方向运动，调整超声振子28位置，改变超声振子28对试件5施加载荷时的静载荷与进给速度。

本发明还提供一种材料表面超声冲击强化方法，利用上述装置进行材料预拉伸表面超声冲击强化，步骤如下：

步骤一、试件5的装夹：

将试件5两端分别通过第一夹具8和第二夹具9夹紧固定；

步骤二、预拉伸载荷施加：

驱动伺服电缸6收缩，使伺服电缸6带动第一带传动旋转组件7通过滑块13在导轨14上移动，通过第一夹具8和第二夹具9将拉伸载荷传递到试件5上，使试件5产生残余压应力；拉力大小通过拉力传感器10测量；

步骤三、超声冲击载荷施加：

保持步骤二中的预拉伸载荷不变，在试件5已有残余压应力的基础上，驱动三轴滑台4，调整超声振子28位置；驱动第一带传动旋转组件7和第二带传动旋转组件11的旋转带轮16旋转，带动试件5进行旋转运动主运动；驱动超声振子28，设置振幅、冲击次数，同时通过调整三轴滑台4运动参数，调整超声振子28的静载荷与进给速度；

其中，超声振子28对试件5的打击力如下公式(1)：

F＝P_st+P_am·sin(2πft) (1)

F——总打击力，N；

P_st——静态负载，N；

P_am——动载荷幅值，N；

f——频率，Hz；

t——时间，s；

试件5微坑数如下公式(2)：

n——微坑数，m^-2；

f——频率，Hz；

R——球或销接触待处理表面的半径，m；

V——机床主轴转速，rev/s；

S——进给速率，m/rev。

Claims (7)

1.一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：包括拉伸加载模块、超声加载模块、底座和三轴滑台，所述的拉伸加载模块两端固定在底座上，所述的超声加载模块与三轴滑台相连，通过三轴滑台固定在底座上，超声加载模块位于拉伸加载模块的上方；试件固定在拉伸加载模块的夹具上。

2.根据权利要求1所述的一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：所述的拉伸加载模块包括伺服电缸、第一带传动旋转组件、第二带传动旋转组件、第一夹具和第二夹具，所述的伺服电缸通过第一肋板固定在底座上，伺服电缸与第一带传动旋转组件相连；所述的第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件相对设置，第一带传动旋转组件底部设有滑块，底座上设有导轨，第一带传动旋转组件通过滑块与导轨滑动连接，第二带传动旋转组件通过第二肋板固定在底座上；第一带传动旋转组件的旋转带轮与第一夹具相连，第二带传动旋转组件的旋转带轮与第二夹具相连；试件两端被第一夹具和第二夹具夹持固定。

3.根据权利要求2所述的一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：所述的第一带传动旋转组件的旋转带轮与第一夹具之间通过双端法兰相连；所述的第二带传动旋转组件的旋转带轮与第二夹具之间设有拉力传感器，拉力传感器的一端通过第一法兰与第二夹具相连，另一端通过第二法兰与第二带传动旋转组件的旋转带轮相连。

4.根据权利要求2所述的一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：所述的第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的结构相同，包括壳体、旋转带轮、伺服电机，所述的旋转带轮一端与壳体枢接，伺服电机固定在壳体上，伺服电机的输出轴通过传动带与旋转带轮传动连接。

5.根据权利要求1所述的一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：所述的超声加载模块包括连接板、上端固定板、冲击力传感器、上传力盘、传力杆、下传力盘和超声振子，所述的连接板与三轴滑台相连，上端固定板与连接板上部固定，冲击力传感器上端与上端固定板相连，下端与上传力盘相连；下传力盘通过传力杆与上传力盘相连；超声振子的下部固定在下传力盘中间。

6.根据权利要求1所述的一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：所述的三轴滑台的两个支脚通过支撑台固定在底座的横向两端，能够带动超声加载模块在横纵向及竖向三个方向运动。

7.一种材料表面超声冲击强化方法，利用权利要求1-6所述的任意一种材料表面超声冲击强化装置进行材料预拉伸表面超声冲击强化，步骤如下：

步骤一、试件的装夹：

将试件两端分别通过第一夹具和第二夹具夹紧固定；

步骤二、预拉伸载荷施加：

驱动伺服电缸收缩，使伺服电缸带动第一带传动旋转组件通过滑块在导轨上移动，通过第一夹具和第二夹具将拉伸载荷传递到试件上，使试件产生残余压应力；拉力大小通过拉力传感器测量；

步骤三、超声冲击载荷施加：

保持步骤二中的预拉伸载荷不变，在试件已有残余压应力的基础上，驱动三轴滑台，调整超声振子位置；驱动第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的旋转带轮旋转，带动试件进行旋转运动主运动；驱动超声振子，设置振幅、冲击次数，同时通过调整三轴滑台运动参数，调整超声振子的静载荷与进给速度；

其中，超声振子对试件的打击力如下公式(1)：

F＝P_st+P_am·sin(2πft) (1)

F——总打击力，N；

P_st——静态负载，N；

P_am——动载荷幅值，N；

f——频率，Hz；

t——时间，s；

试件微坑数如下公式(2)：

n——微坑数，m^-2；

f——频率，Hz；

R——球或销接触待处理表面的半径，m；

V——机床主轴转速，rev/s；

S——进给速率，m/rev。

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