CN114262855A

CN114262855A - 一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置

Info

Publication number: CN114262855A
Application number: CN202111560763.8A
Authority: CN
Inventors: 李刚; 张文康; 宋达; 肖鑫磊
Original assignee: Northeast Dianli University
Current assignee: Northeast Electric Power University
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: CN114262855B

Abstract

本发明公开了一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置，装置包括：机床装置、超声滚压装置、冷却润滑系统、电磁线圈、脉冲放电电极，结构简单，制造成本低低廉，可以实现定向加工，避免了能量的浪费；方法包括：利用高频脉冲电流电致塑性与脉冲磁场磁致塑性的耦合作用，促进超声滚压强化对TC4钛合金微观中位错的重排、增殖和滑移，降低晶粒间的残余应力，细化晶粒结构，使材料的裂纹和孔洞得以修复；加工后材料的强化层厚度、表面粗糙度和力学性能相比单一超声滚压加工有了显著的提升，因此该方法及装置应用前景广阔，为金属表面强化加工提供了一种新的途径。

Description

一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料表面强化加工技术，特别涉及一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置。

背景技术

TC4钛合金具有结构强度大、密度小等优点，在医疗、航空航天、特种制造等领域得到了广泛的应用。但是，该材料耐摩擦磨损和加工硬化能力较差，常规的表面加工方法例如喷丸、电镀、激光改性、渗碳处理和表面滚压等措施对其强化效果有限。由于金属表层残余应力较大会阻碍超声滚压对其的加工强化效果，导致加工后材料表面产生的强化层厚度较薄，在实际应用场合摩擦磨损过程中容易发生与原材料剥落等情况，阻碍了TC4钛合金的推广应用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，构思了一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，利用脉冲电场和磁场同时作用于金属工件，通过施加高频电磁耦合脉冲调整金属材料的残余应力，对超声滚压加工强化过程进行辅助加工，提高金属的表面性能；设计了一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，结构简单、加工过程高效可控，能够对金属材料实现定向作用，既保证了电能的节省，也保证实验过程的安全性。

实现本发明的技术方案之一是：一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，它包括：机床装置20、超声滚压装置30、冷却润滑系统40，其特征是，它还包括：电磁线圈3、脉冲放电电极5，在所述机床装置20的刀架上设置随动连接架7，在所述随动连接架7上设置两个相同相对的电磁线圈3，在所述电磁线圈3上设置导管冷却机构43，所述导管冷却机构43与冷却润滑系统40连通，在所述超声滚压装置30的压头旁设置脉冲放电电极5，在所述超声滚压装置30的压头旁设置冷却喷头42，所述的冷却喷头42与冷却润滑系统40连通。

实现本发明的技术方案之二是：一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)装夹工件：在机床装置20上，用三爪卡盘21夹紧工件1一端、顶尖22顶住工件1另一端，两个相同相对的电磁线圈3分别对准工件1，工件1的轴心线与电磁线圈3轴心线重合，超声滚压装置30的压头接触工件1，脉冲放电电极5对准工件1；

2)启动机床装置：机床装置20运动参数：主轴转速F＝45rpm，进给速度Vf＝0.08mm/rev；

3)启动超声滚压装置：超声滚压装置30的滚压参数为：滚压力P＝900N，超声频率f＝30KHz，超声振幅A＝8μm；

4)启动脉冲放电电极：高频电脉冲参数为：脉冲频率H＝300Hz，均方根电流密度ρ_r＝0.98A/mm，幅值电流密度ρ_a＝8.62A/mm，持续时间T＝87μs；

5)启动电磁线圈：脉冲磁场中心作用于工件1上的磁场强度为B＝250mT-5600mT；

6)启动冷却润滑系统：冷却润滑系统40向电磁线圈3的导管冷却机构43供给冷却润滑液冷却电磁线圈3，冷却润滑系统40向超声滚压装置30工作位置供给冷却润滑液对工件1进行冷却润滑，调整参数后，开始高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工；

7)高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工结束，关闭机床装置20。

本发明一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置的有益效果体现在：

1、一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，通过施加高频电磁耦合脉冲调整金属材料的残余应力，对超声滚压加工强化过程进行辅助加工，提高金属的表面性能，高频脉冲电磁耦合辅助滚压可以得到更好的TC4钛合金表面强化层；

2、一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，加工过程高效可控，可以实现定向加工，避免了能量的浪费；

3、一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，结构简单，制造成本低廉，容易进行实施，增加强化层厚度，提高加工后材料的表面光洁程度，改善金属表面的力学性能。

附图说明

图1是一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置示意图；

图2是图1中A-A示意图；

图3是单一超声滚压微观组织结构图；

图4是一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法强化后微观组织结构图；

图5是一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法滚压后晶粒变化原理图；

图中：1.TC4棒材工件，2.电脉冲电源，3.电磁线圈，4.导线，5.脉冲放电电极，6.磁场脉冲电源，7.随动连接架，8.夹具，9.导杆，20.机床装置，21.三爪卡盘，22.顶尖，23.刀架，30.超声滚压装置，40.冷却润滑系统，42.冷却喷头，43.导管冷却机构。

具体实施方式

以下结合附图1-5和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1-2所示，一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，它包括：机床装置20、超声滚压装置30、冷却润滑系统40，电磁线圈3、脉冲放电电极5，在所述机床装置20的刀架上设置随动连接架7，在所述随动连接架7上设置两个相同相对的电磁线圈3，在所述电磁线圈3上设置导管冷却机构43，所述导管冷却机构43与冷却润滑系统40连通，在所述超声滚压装置30的压头旁设置脉冲放电电极5，在所述超声滚压装置30的压头旁设置冷却喷头42，所述的冷却喷头42与冷却润滑系统40连通，随动连接架7装夹在刀架23上，刀架23进给实现电磁线圈3、脉冲放电电极5和超声滚压装置30的随动加工。

一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法工作原理：在加工过程中，脉冲电源工作使脉冲电极产生高频电脉冲，同时对称电磁线圈通电产生脉冲磁场，电脉冲和脉冲磁场相互耦合，同时作用于正在滚压强化的金属工件，利用电脉冲和脉冲磁场的电致塑性和磁致塑性效应，配合超声滚压的滚压头在金属试样表面进行高频冲击，使材料表层发生较好的塑性变形，并对材料表层和内部的微观缺陷(微小的裂纹和孔洞)进行修复，抑制微裂纹的萌生与扩展，降低再结晶的温度、电阻率和能量条件，促进材料内部应力的释放，从而达到理想的滚压强化效果。

将尺寸为200×φ40mm的TC4钛合金棒材工件1一端装夹在机床装置20的三爪卡盘21上，另一端由顶尖22顶住固定，将超声滚压装置30通过夹具8安装在刀架23上，通过调整夹具8角度，保证超声滚压装置30的压头刚刚与工件1表面接触，且不与对称电磁线圈3的移动路径发生干涉；另外将随动连接架7一端与刀架23进行安装固定，另一端通过润滑接触和导杆相连，随动连接架7上固定有对称分布的电磁线圈3，电磁线圈3上缠绕导管冷却机构43，导管冷却机构43与冷却润滑系统40相连，出水口与下水口相连；冷却润滑系统40通过另一导管和冷却喷头42相连，冷却喷头42调整好合适角度通过尼龙扎线带固定在超声滚压装置30一侧；脉冲电源通过导线连接电磁线圈3和脉冲电极5，通过脉冲电源上的旋钮控制电流、电压、脉冲频率大小和其它实验参数。在超声滚压装置30滚压过程中，脉冲电和脉冲磁场相耦合同时作用在工件1上，将工件1装夹完成、超声滚压装置30和电磁线圈3和脉冲电极5安装调试完成后，开启机床装置20开关，将机床参数调整为：主轴转速45rpm，刀架进给速度0.08mm/rev；启动超声滚压装置，将超声滚压参数设置为：滚压力900N，超声频率30KHz，超声振幅8μm；启动脉冲电源，将电脉冲的参数调整为：脉冲频率300Hz，均方根电流密度0.98A/mm，幅值电流密度8.62A/mm，持续时间87μs；脉冲磁场在其中心作用于工件上的磁场强度为250mT～5600mT。随刀架23进给随动加工，有效降低金属表层的残余应力，直至整个加工过程结束，关闭所有装置开关。

将加工完成的TC4棒材工件1从机床装置20上取下，对处理后的试样进行线切割，将试样切割成尺寸大小为10×10×10mm的样品，对样品进行打磨、腐蚀液腐蚀、最后在扫描电子显微镜(SEM)下观察；如附图3所示，为常规超声滚压下的试样微观结构图，如附图4所示，为高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压后试样的显微结构图，常规滚压强化后试样的强化层厚度大约为30μm，高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压后试样的强化层厚度大约为50μm；对比分析可以看出，高频脉冲电磁耦合辅助加工可以显著提高TC4表面的强化层厚度。

如附图5所示，在原始材料的晶粒结构中存在有影响金属性能的裂纹和孔洞；对材料的微观位错进行分析，首先，在晶粒中分布有大量的位错，在脉冲磁场冲击过程中，产生的磁致塑性效应增强了位错间的相互作用和原子的扩散速率，也为材料位错提供了驱动力，是位错产生增殖和滑移的根本原因，并且位错在晶粒内部形成了密度极高的位错团，使材料的硬度得到了明显的增加；在电脉冲作用下，由脉冲电流热效应产生的焦耳热能，使材料温度迅速升高，提高了再结晶速率和形核率，由脉冲电流产生的绕流效应，在金属内部缺陷处引发热压应力，通过有效原子进入和位错移动，对缺陷进行填充和改善，同时抑制微裂纹的再生，材料内部原子产生的电子力，可加快原子和位错的运动，降低位错的缠结，位错向晶界迁移，发生位错重排并堆积在晶粒边界，导致晶粒间残余应力下降；在高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压共同作用下，裂纹孔洞得到修复，晶粒分布发生改变，材料表层晶粒细化，形成分层的强化晶粒分布结构。

测量未加工、单一超声滚压和高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压(电脉冲参数：脉冲频率300Hz，均方根电流密度0.98A/mm，幅值电流密度8.62A/mm，持续时间87μs；脉冲磁场中心磁场强度250mT～5600mT)三种试样的表层残余应力、试样表面粗糙度和表面硬度。

对未处理、单一超声滚压和高频脉冲电磁耦合辅助滚压这三种试样进行力学性能分析，如表1所示，结果表明，与未处理和单一超声滚压后的试样相比，高频脉冲电磁耦合辅助滚压后材料表层的残余应力增加，说明试样表面的抗变形能力增加；表面粗糙度分别提高了60％和20％；表面硬度分别提高了53％和13％。结果显示，高频脉冲电磁耦合辅助滚压方法可以显著提升超声滚压方法多TC4钛合金的强化效果，增加强化层厚度，提高加工后材料的表面光洁程度，改善金属表面的力学性能。

表1

以上所述仅是本发明的优选方式，而非限制性的，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，甚至等效，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)装夹工件：在机床装置(20)上，用三爪卡盘(21)夹紧工件(1)一端，顶尖(22)顶住工件(1)另一端，两个相同相对的电磁线圈(3)分别对准工件(1)，工件(1)的轴心线与电磁线圈(3)轴心线重合，超声滚压装置(30)的压头接触工件(1)，脉冲放电电极(5)对准工件(1)；

2)启动机床装置：机床装置(20)运动参数：主轴转速F＝45rpm，进给速度Vf＝0.08mm/rev；

3)启动超声滚压装置：超声滚压装置(30)的滚压参数为：滚压力P＝900N，超声频率f＝30KHz，超声振幅A＝8μm；

5)启动电磁线圈：脉冲磁场中心作用于工件(1)上的磁场强度为B＝250mT-5600mT；

6)启动冷却润滑系统：冷却润滑系统(40)向电磁线圈(3)的导管冷却机构(43)供给冷却液冷却电磁线圈(3)，冷却润滑系统(40)向超声滚压装置(30)工作位置供给冷却润滑液对工件1进行冷却润滑，调整参数后，开始高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工；

7)高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工结束，关闭机床装置(20)。

2.根据权利要求1所述的一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法所采用的高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，它包括：机床装置(20)、超声滚压装置(30)、冷却润滑系统(40)，其特征是，它还包括：电磁线圈(3)、脉冲放电电极(5)，在所述机床装置(20)的刀架上设置随动连接架(7)，在所述随动连接架(7)上设置两个相同相对的电磁线圈(3)，在所述电磁线圈(3)上设置导管冷却机构(43)，所述导管冷却机构(43)与冷却润滑系统(40)连通，在所述超声滚压装置(30)的压头旁设置脉冲放电电极(5)，在所述超声滚压装置(30)的压头旁设置冷却喷头(42)，所述的冷却喷头(42)与冷却润滑系统(40)连通。