CN114908224B - 材料表面复合强化装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料表面复合强化装置以及方法，涉及金属材料表面处理领域，用以优化材料表面复合强化装置的性能。材料表面复合强化装置包括电磁组件以及电极组件。电磁组件包括第一电源、导磁体以及线圈；线圈缠绕于导磁体，第一电源与线圈电连接。电极组件包括第二电源、第一电极和第二电极；第二电源与第一电极和第二电极电连接，第一电极和第二电极是分离的。上述技术方案，增加了待加工零件的待加工表面的电致塑性和热效应，并且降低了待加工零件的其他不加工区域的电流密度，从而显著提高了待加工零件的待强化表面附近的塑性流动能力，增强了超声滚压复合强化的效果，同时减少了能源浪费。

Description

材料表面复合强化装置以及方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面处理领域，具体涉及一种材料表面复合强化装置以及方法。

背景技术

表面强化是提高金属材料疲劳抗力的有效途径之一，已广泛被用于改善关键部位的疲劳性能。超声滚压复合强化技术沿工件表面法线方向通过加工工作头施加一定幅度的超声机械振动，在一定进给条件下，加工工作头将静压力和超声冲击振动传递到旋转的机械零部件表面，产生冲挤作用而使金属材料产生大幅度弹塑性变形。加工后，工件表面产生一定的弹性恢复，所产生的塑性流动将工件表面上的“谷”被填满，从而降低材料表面的粗糙度，并提高其表面的综合性能指标。

发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：一方面随着轻质高强韧材料的开发和应用，这种单纯基于冷作变形原理对材料表面产生高应变或高应变率影响的强化方式，容易诱发表面或次表面缺陷，比如TiB₂颗粒增强铝基复合材料在超声滚压复合强化下，需要大量的工艺参数优化以减少浅表层TiB₂颗粒物被挤压破碎导致微裂纹、材料剥落等问题；另一方面，类似航空发动机高压压气机叶片的小尺寸结构或者榫槽等加工可达性差的结构，为了保证超声滚压加工头对倒角、凹槽等部位不发生干涉，加工头往往要往微型化方面发展，从而在相同材料情况下其冷作硬化的能力下降，表面强化所产生的表面完整性、残余压应力等有益效果的成效下降。

发明内容

本发明提出一种材料表面复合强化装置以及方法，用以优化材料表面复合强化装置的性能。

本发明实施例提供一种材料表面复合强化装置，包括：

电磁组件，包括第一电源、导磁体以及线圈；所述线圈缠绕于所述导磁体，所述第一电源与所述线圈电连接；以及

电极组件，包括第二电源、第一电极和第二电极；所述第二电源与所述第一电极和所述第二电极电连接，所述第一电极和所述第二电极是分离的。

在一些实施例中，所述电磁组件还包括：

相位调节器，所述第一电源包括可调电源，所述相位调节器电连接于所述第一电源和所述线圈之间，所述相位调节器被构造为调节所述第一电源的电流相位。

在一些实施例中，所述相位调节器被构造为通过调节所述第一电源的电流相位，使得所述电磁组件在待加工零件上感应产生的第一电流的相位也是可调的；所述电极组件产生第二电流；所述第一电流和所述第二电流的相位差值通过相位调节器调整变化，以获得不同的电流叠加状态。

在一些实施例中，所述导磁体包括：

第一支撑臂，所述线圈的第一段缠绕于所述第一支撑臂的外侧；

第二支撑臂，与所述第一支撑臂的一端固定连接，所述线圈的第二段缠绕于所述第二支撑臂的外侧；以及

第三支撑臂，与所述第二支撑臂远离所述第一支撑臂的一端固定连接，所述线圈的第三段缠绕于所述第三支撑臂；

其中，所述线圈的第一段、第二段、第三段顺序连接。

在一些实施例中，所述第二电源包括交变电源。

在一些实施例中，材料表面复合强化装置还包括：

超声滚压加工装置，被构造为向待加工的金属表面提供滚压力和超声冲击力。

本发明实施例还提供一种材料表面复合强化方法，包括以下步骤：

采用本发明任一实施例所提供的材料表面复合强化装置的电磁组件对待加工零件的表面施加磁场，以产生第一电流；

采用所述材料表面复合强化装置的电极组件对所述待加工零件的所述表面施加磁场，以感应产生第二电流，以使得所述第一电流和所述第二电流叠加后的总电流共同作用于所述待加工零件的所述表面。

在一些实施例中，调节所述第一电流的相位，以使得所述第一电流和所述第二电流叠加形成的总电流满足表面加工要求。

在一些实施例中，材料表面复合强化方法还包括以下步骤：

采用所述材料表面复合强化装置的超声滚压加工装置对被施加有所述总电流的所述待加工零件的所述表面提供静压力和超声冲击振动。

上述技术方案提供的材料表面复合强化装置，具有电磁组件和电极组件，电磁组件在待加工零件的表面产生交变磁场，通过交变磁场产生的涡流(亦称为交变电流临近效应)，即产生第一电流；电极组件在待加工零件的表面产生交变电流，交变电流具有趋肤效应(亦称集肤效应)。该交变电流也称为第二电流。第一电流和第二电流叠加后施加于待加工零件的待加工表面，这使得在待加工表面附近产生更加集中的电致塑性和热效应，并且待加工零件的其他不加工区域的电流密度得以降低，这就显著地提高了待加工零件的待强化表面附近的塑性流动能力，增强了超声滚压复合强化的效果，同时减少了能源浪费。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的材料表面复合强化装置应用于航空发动机叶片的状态示意图；

图2为本发明实施例提供的材料表面复合强化装置的电磁组件在待加工零件表面产生的第一电流分布示意图；

图3为本发明实施例提供的材料表面复合强化装置的电极组件在待加工零件表面产生的第一电流分布示意图；

图4为本发明实施例提供的材料表面复合强化装置的电磁组合和电极组件在待加工零件表面产生的叠加电流分布示意图；

图5为本发明另一些实施例提供的材料表面复合强化方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图5对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

本文所使用的名词或者术语解释如下：超声滚压复合强化工艺是一种将深滚加工和超声喷丸冲击相结合的表面强化工艺，该工艺使得加工后的金属表面具有深层残余压应力和梯度结构的纳米晶层，所以提高了机械零部件的抗疲劳和磨损性能。

待加工零件4为各种需要进行表面强化的零部件，比如航空发动机叶片，如图1所示。待加工零件4是导体。待加工零件4可能具有多个表面，但是在加工过程中，材料表面复合强化装置一次主要对其中的部分表面施加所需要的电流。比如在图2至图4所示意的情形中，待加工零件4为长方体结构。长方体结构具有六个表面，图2至图4示意的情形是在长方体结构的前端面施加电流，更加具体的是在长方体结构的前端面的A区域施加电流。然后，采用超声滚压加工装置3对A区域施加提供静压力和超声冲击振动，以实现超声滚压，最终达到强化A区域的目的。下面详细介绍材料表面复合强化装置的具体实现方式。

参见图1，本发明实施例提供一种材料表面复合强化装置，包括电磁组件1和电极组件2。使用过程中，电磁组件1和电极组件2比如由机器人手臂或其它机械结构控制并在待加工零件(如航空发动机叶片)表面上运动，待加工零件可由工装夹具固定或由机器人手臂、机床等控制以实现与超声滚压加工头组件的相对位置满足加工要求。

参见图2，电磁组件1包括第一电源11、导磁体12以及线圈13。线圈13缠绕于导磁体12，第一电源11与线圈13电连接。电磁组件1在待加工零件4表面产生磁场，该磁场在待加工零件4表面产生感应电流，即在金属或金属基复合材料表面产生第一电流。根据待加工零件4的结构形状以及所要加工的表面的位置，可以分别灵活布置电磁组件1和后文介绍的超声滚压加工装置3的位置，比如电磁组件1放置在零件下表面，超声滚压加工装置3加工零件上表面。

参见图2，下面介绍电磁组件1在待加工零件4表面产生的电流方向。

电磁组件1与待加工零件4接触或保持较小间距(以机器人手臂或其它机械结构的控制精度决定最小间距)，待加工零件4为导体。第一电源11为可调电源，可输出不同频率、电流大小的交变电流或脉冲电流，通过线圈13在导磁体12和待加工零件4(导体)之间产生磁场回路，磁感线在待加工零件4的方向B参见图2所示。根据楞次定律，交变磁场会在待加工零件4表面形成感应电流(又称为涡流)，感应电流产生磁场的方向与电磁组件1在待加工零件4内产生磁场的方向相反。根据右手定则，感应电流的方向如图2所示，其电流密度在待加工零件4表面的示意参见图2中“×”和“·”的分布。通过调节第一电源11可以调节感应电流的大小，通过调节相位调节器14可以调节磁场的方向(即感应电流的方向)，其中“×”表示电流方向为垂直页面向内，“·”表示电流方向为垂直页面向外。“×”越密集的地方、“·”越密集的地方说明电流密度越大。

参见图2和图4，在一些实施例中，导磁体12包括第一支撑臂121、第二支撑臂122以及第三支撑臂123。线圈13的第一段13a缠绕于第一支撑臂121的外侧。第二支撑臂122与第一支撑臂121的一端固定连接，线圈13的第二段13b缠绕于第二支撑臂122的外侧。第三支撑臂123与第二支撑臂122远离第一支撑臂121的一端固定连接，线圈13的第三段13c缠绕于第三支撑臂123。其中，线圈13的第一段13a、第二段13b、第三段13c顺序连接。

参见图1和图2，在一些实施例中，电磁组件1还包括相位调节器14，第一电源11包括可调电源，相位调节器14电连接于第一电源11和线圈13之间，相位调节器14被构造为调节第一电源11的电流相位。在一些实施例中，相位调节器14被构造为通过调节第一电源11的电流相位，使得电磁组件1在待加工对待加工零件4的表面施加磁场产生的第一电流的相位也是可调的。

参见图1和图3，电极组件2包括第二电源21、第一电极22和第二电极23。第二电源21与第一电极22和第二电极23电连接，第一电极22和第二电极23是分离的。在使用时，将第一电极22和第二电极23都贴合待加工零件4的表面，一般该表面远离待加工表面，具体位置可根据所需要的叠加电流密度需求确定。第二电源21通电之后，会形成以下回路：第二电源21、第一电极22、待加工零件4、第二电极23、第二电源21。该回路中的电流为第二电流。电极组件2根据需要设置位置，以使得待加工零件4的待加工表面41上的电流分布满足表面加工要求。在一些实施例中，第二电源21包括交变电源，这样可以产生交流电流。相比于脉冲电流，交变电流持续时间更长，电致塑性、热效应更明显。

图3示意了电极组件2在待加工零件4表面产生的电流方向，图3中只示意了在长方体结构的前端面产生的电流方向。其中，“×”表示电流方向为垂直页面向内。为了凸显待加工表面41上的电流分布情况，其他不加工表面上的电流分布情况并没有示意出来。

第二电源21采用可调电源，第二电源21可输出不同频率、电流大小的交变电流或脉冲电流，电流频率参考待加工零件4的材料特性决定。在强化工艺参数优化过程中，往往需根据表面强化所需的表面冷作变形深度(如10um)或残余应力深度(如500um)范围，选择趋肤效应的深度，再根据材料电导率和磁导率决定所选的频率。由于交变电流的趋肤效应会在待加工零件4表面上形成电流，调节频率可以调节电流在表面作用的深度，其电流密度在零件表面的示意参见图2中“×”的分布规律，其中“×”表示电流方向为垂直页面向内。“×”越密集的地方，说明电流密度越大。

图2所示意的电磁组件1在待加工零件4的待加工表面(前端面)41产生电流为第一电流，图3所示意的电极组件2在待加工零件4的待加工表面(前端面)41产生电流为第二电流。这两个电流是同时作用在待加工零件4的待加工表面(前端面)41上的，叠加后的效果参见图4所示。从图4可以看出，第一电流和第二电流叠加之后，待加工零件4的前端面的A区域的电流密度增加，待加工零件4的前端面的其他区域只存在少量电流。即，上述技术方案，实现了在待加工零件4的待强化表面形成的叠加电流，同时减小非强化表面的电流密度。并且，第一电流和第二电流叠加后的交变电流主要集中在零件待强化区域的近表面，并产生更集中的热效应和电致塑性，从而减少不必要的能源损耗，提升加工效率和加工安全性。采用上述材料表面复合强化装置加工金属表面后，工件材料表面更易形成纳米梯度结构，晶粒更易细化，提高了表面的硬度和疲劳强度，提高了残余压应力的大小和深度，降低表面粗糙度，提升了零部件的疲劳寿命，同时不易在加工中对材料产生表面损伤。

第一电流和第二电流叠加后的电流是所要使用的电流，通过相位调节器14，可以调节第一电流的相位，以使得第一电流和第二电流的相位差通过相位调节器任意调整变化，以获得不同的电流叠加状态，进而满足加工工艺控制要求。此处所指的加工工艺控制要求是根据待加工零件4的加工参数相关的，比如需要第一电流和第二电流的相位差为0°、45°、90°、135°、180°、270°中的一个。比如，需要比较弱的趋肤效应，那么就将第一电流和第二电流的相位差调节为180°或者其他两者叠加后电流减小的相位差值。如果需要比较强的趋肤效应，那么就将第一电流和第二电流的相位差调节为可以使得两者叠加后电流增加的相位差。可选地，相位调节器14可以任意改变第一电流的相位，以使得第一电流和第二电流的相位差可以在所设定的范围内，比如0°～360°范围内任意设置。

在待加工零件4的待加工表面41产生所需要的叠加电流之后，利用机器人手臂或其它控制机构将超声滚压加工头作用在零件的待强化表面，借助上述叠加电流产生的热效应和电致塑性，更容易通过冷作变形获得较高的表面质量和残余压应力，如表面纳米梯度结构，从而大幅提升表面硬度、粗糙度和疲劳强度。上述技术方案，适合多种材料的表面强化，尤其适合材料本身硬度较高、冷作变形能力差或结构复杂或倒角较小导致超声滚压加工装置3上的加工头尺寸较小从而使其冷作变形能力下降的工况，通过交变电流和附加涡流叠加在零部件关键部位产生电致塑性和热效应，提升了表面强化的效果，同时提升了加工效率和安全性。

参见图1，在一些实施例中，材料表面复合强化装置还包括超声滚压加工装置3，超声滚压加工装置3被构造为向待加工的金属表面提供滚压力和超声冲击力。超声滚压加工装置3可以实现超声滚压工艺，超声滚压工艺是指以超声冲击振动结合加压滚动的表面加工方法。超声滚压加工装置3可以采用已知的结构。比如，超声滚压加工装置3包括可调超声信号发生器、压电陶瓷、放大器、以及超声滚压加工头。超声滚压加工头做超声频率的振动，并将这种振动施加给待加工零件4的待加工表面41。

参见图5，本发明实施例还提供一种材料表面复合强化方法，包括以下步骤：

步骤S100、采用本发明任一技术方案所提供的材料表面复合强化装置的电磁组件1对待加工零件4的表面施加磁场，以产生第一电流。

在上述的步骤S100中，调节第一电流的相位，以使得第一电流和第二电流叠加形成的总电流满足待加工零件4的表面加工要求。

步骤S200、采用材料表面复合强化装置的电极组件2对待加工零件4的表面施加磁场，以产生第二电流；第一电流和第二电流叠加后的总电流共同作用于待加工零件4的表面。待加工零件4的表面具有多个。在待加工零件4的待加工表面41上，第一电流和第二电流叠加后作用于待加工零件4的待加工表面41的待加工区域A，也称为强化区域。

在一些实施例中，材料表面复合强化方法还包括以下步骤：

步骤S300、采用材料表面复合强化装置的超声滚压加工装置3对被施加有总电流的待加工零件4的待加工表面41提供静压力和超声冲击振动。

上述技术方案提供的材料表面复合强化方法，基于脉冲电流或交流电在零件表面产生的趋肤效应、热效应、电致塑性等辅助提升待加工零部件材料表面的塑性，一方面可以提升表面组织的塑性流动性，减少加工缺陷，另一方面也可以间接解决因为加工工作头尺寸限制导致的强化能力不足问题。并且，通过电磁组件1和电极组件2的复合作用，使得第一电流和第二电流叠加，最终使得交变电流主要作用于强化区域，趋肤效应也主要存在于该强化区域，而不会覆盖零件整个表面。对于航空发动机风扇叶片，其关键部位仅仅在叶根、榫头和叶背中心部位。这样就使得能量集中于强化区域，提高了零部件关键部位的电流密度，节省了能源，提升了强化效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种材料表面复合强化装置，其特征在于，包括：

电磁组件（1），包括第一电源（11）、导磁体（12）以及线圈（13）；所述线圈（13）缠绕于所述导磁体（12），所述第一电源（11）与所述线圈（13）电连接；所述电磁组件（1）被构造为通过在待加工零件的表面产生交变磁场，来产生第一电流；以及

电极组件（2），包括第二电源（21）、第一电极（22）和第二电极（23）；所述第二电源（21）与所述第一电极（22）和所述第二电极（23）电连接，所述第一电极（22）和所述第二电极（23）是分离的；所述电极组件（2）被构造为在待加工零件的表面产生第二电流，所述第二电流为交变电流；

其中，所述电磁组件（1）还包括：

相位调节器（14），所述第一电源（11）包括可调电源，所述相位调节器（14）电连接于所述第一电源（11）和所述线圈（13）之间；

所述相位调节器（14）被构造为通过调节所述第一电源（11）的电流相位，使得所述电磁组件（1）在待加工零件上感应产生的第一电流的相位也是可调的；所述第一电流和所述第二电流的相位差值通过所述相位调节器（14）调整，以获得不同的电流叠加状态。

2.根据权利要求1所述的材料表面复合强化装置，其特征在于，所述导磁体（12）包括：

第一支撑臂（121），所述线圈（13）的第一段缠绕于所述第一支撑臂（121）的外侧；

第二支撑臂（122），与所述第一支撑臂（121）的一端固定连接，所述线圈（13）的第二段缠绕于所述第二支撑臂（122）的外侧；以及

第三支撑臂（123），与所述第二支撑臂（122）远离所述第一支撑臂（121）的一端固定连接，所述线圈（13）的第三段缠绕于所述第三支撑臂（123）；

其中，所述线圈（13）的第一段、第二段、第三段顺序连接。

3.根据权利要求1所述的材料表面复合强化装置，其特征在于，所述第二电源（21）包括交变电源。

4.根据权利要求1所述的材料表面复合强化装置，其特征在于，还包括：

超声滚压加工装置（3），被构造为向待加工的金属表面提供滚压力和超声冲击力。

5.一种材料表面复合强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用权利要求1～4任一所述的材料表面复合强化装置的电磁组件（1）对待加工零件（4）的表面施加磁场，以产生第一电流；

采用所述材料表面复合强化装置的电极组件（2）对所述待加工零件（4）的所述表面施加磁场，以感应产生第二电流，以使得所述第一电流和所述第二电流叠加后的总电流共同作用于所述待加工零件（4）的所述表面。

6.根据权利要求5所述的材料表面复合强化方法，其特征在于，调节所述第一电流的相位，以使得所述第一电流和所述第二电流叠加形成的总电流满足表面加工要求。

7.根据权利要求5所述的材料表面复合强化方法，其特征在于，还包括以下步骤：

采用所述材料表面复合强化装置的超声滚压加工装置（3）对被施加有所述总电流的所述待加工零件（4）的所述表面提供静压力和超声冲击振动。