CN115595522A - 预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置及方法，其装置包括：试样夹具、安装操作台、绝缘缓冲层、喷丸加工底座、喷丸设备固定架、喷丸防护罩、第一脉冲电流发生装置、第二脉冲电流发生装置、脉冲电磁线圈、线圈调整架、超声湿喷丸装置、超声波发生装置；利用脉冲电流热、电致塑性效应，减小材料表面残余拉应力，利用脉冲磁场，对金属试样内部产生交变磁致伸缩，使金属内部发生弥散分布性的微区塑性变形，减少金属内部残余拉应力，预加脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸，强化效果更好，实现更为理想的喷丸加工效果。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面强化加工技术，特别是涉及一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置及方法。
背景技术
随着冶金行业技术的发展，许多高性能合金被研发出来，但金属零件的腐蚀、磨损等失效形式往往从表面发生，仅仅提高材料的整体性能不论从研发难度，还是经济性方面考虑，都与亟待的需求存在矛盾。喷丸加工作为表面强化加工技术之一，能在纳米级程度上对金属表层晶粒进行细化，从而产生强化改性层，大大提高金属表面硬度、耐腐蚀性和耐摩擦磨损等性能。另外，喷丸在金属表面产生密布的微小凹坑增大了材料表面的接触面积，也为在金属表面涂覆强化层与基体的结合提供了有力条件。
然而，钛合金、高温合金和不锈钢等金属，存在表面难以硬化加工的问题，导致喷丸加工产生的冲击应力渗透效果弱，其原因主要在于强度高，抵抗外来形变的能力强；在微观结构上体现为晶粒间间距紧密，塑性流动性差，晶格间抗畸变能力强等，单一喷丸加工针对难以硬化加工的金属存在的局限性，随合金材料发展而愈发突出。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，构思了一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置及方法，利用脉冲电流的热塑性效应、电致塑性效应，减小材料表面残余拉应力，在脉冲电流有限作用下，进一步利用脉冲磁场对金属试样内部产生交变的磁致伸缩，使金属内部发生弥散分布性的微区塑性变形，并产生残余拉应力松弛现象，两种工艺相耦合辅助喷丸加工，提升喷丸效果以及金属的各项性能。
实现本发明采用的技术方案之一是：预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置，其特征是，它包括：试样夹具2、安装操作台3、绝缘缓冲层4、喷丸加工底座5、喷丸设备固定架6、喷丸防护罩7、第一脉冲电流发生装置8、第二脉冲电流发生装置9、脉冲电磁线圈10、线圈调整架11、超声湿喷丸装置12、超声波发生装置14，在所述喷丸设备固定架6 的底部设置喷丸加工底座5，在所述喷丸加工底座5的顶部设置绝缘缓冲层4，在所述绝缘缓冲层4的顶部设置喷丸防护罩7，在所述喷丸防护罩7顶部设置开口，在所述绝缘缓冲层4 的顶部设置安装操作台3，在所述安装操作台3的顶部设置试样夹具2，所述的安装操作台3 和试样夹具2设置在喷丸防护罩7内部，所述的第二脉冲电流发生装置9与试样夹具2电连接，在所述的喷丸防护罩7外部设置脉冲电磁线圈10，在所述的喷丸设备固定架6外部设置线圈调整架11，所述的脉冲电磁线圈10与线圈调整架11可拆卸连接，所述的脉冲电磁线圈 10与第一脉冲电流发生装置8电连接，在所述的喷丸设备固定架6顶部设置超声湿喷丸装置 12，所述超声湿喷丸装置12与喷丸设备固定架6固连，所述超声湿喷丸装置12的喷射头部设置在喷丸防护罩7内，所述的超声湿喷丸装置12与超声波发生装置14电连接。
实现本发明采用的技术方案之二是：预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)用400～1000目砂纸打磨试样1，然后清洗、吹干所述试样1，将清洗吹干后的所述试样 1装夹在试样夹具2上；
2)启动第二脉冲电流发生装置9，调节所述第二脉冲电流发生装置9的脉冲参数，将脉冲电流施加到所述试样1上；
3)启动第一脉冲电流发生装置8，调节所述第一脉冲电流发生装置8的脉冲参数，将所述第一脉冲电流发生装置8产生的脉冲交流电在脉冲电磁线圈10中产生脉冲磁场，施加到所述试样1上；
4)所述的超声湿喷丸装置12内添加喷丸，在所述步骤3)中的第一脉冲电流发生装置8启动15～20分钟后，启动超声波发生装置14，所述的超声湿喷丸装置12对所述试样1进行喷丸加工；
5)在所述步骤4)中，所述的超声湿喷丸装置12对所述试样1进行喷丸加工3～5分钟后，依次关闭所述的超声波发生装置14、第二脉冲电流发生装置9和第一脉冲电流发生装置8，将所述试样1从试样夹具2上取下，用清水冲洗后，涂抹无水乙醇并吹干，最后利用X射线衍射法测量所述试样1表面残余应力，并观测喷丸后所述试样1表面形貌。
优选地，在所述的步骤2)中，调节所述第二脉冲电流发生装置9的脉冲参数为脉冲电流波形为正弦衰减波，峰值电流密度为4.5～9.0KA/mm2,单脉冲总时间为2000μs，单峰宽度为180μs。
优选地，在所述的步骤3)中，调节所述第一脉冲电流发生装置8的脉冲参数，将所述的试样1第一脉冲电流发生装置8产生的脉冲交流电在脉冲电磁线圈10中产生脉冲磁场，所述的脉冲磁场参数为：磁感应强度为2.5T，脉冲频率为5Hz，脉冲次数为100次。
优选地，在所述的步骤4)中，所述超声波发生装置14的超声频率为400KHz。
优选地，在所述的步骤4)中，在所述的超声湿喷丸装置12添加喷丸，所述的喷丸为高强度二氧化锆陶瓷丸和水，丸粒直径为20～50μm。
优选地，在所述的步骤4)中，所述喷丸加工的喷丸强度为0.15mmA，覆盖率为200％。
优选地，所述的试样1的材质为TC4钛合金。
本发明一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置及方法的有益效果体现在：
1、一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置及方法，利用脉冲电流和脉冲磁场均具有降低金属材料残余应力的作用，预加耦合脉冲电流和脉冲电磁辅助喷丸加工钛合金相比单一喷丸和脉冲电流辅助喷丸，TC4钛合金试样表面残余压应力均有所提高，材料表面形貌也有所改善，而良好的喷丸强化表面形貌也提高了材料的耐摩擦磨损性能，为后期在加工后材料表面涂覆其它强化材料提供了有益的结合条件；
2、一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置及方法，利用脉冲电流降低残余应力，利用脉冲磁场对金属试样内部产生交变的磁致伸缩，使金属内部发生弥散分布性的微区塑性变形和而产生残余拉应力松弛现象，进一步减少金属内部的残余拉应力，预加脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸，实现相比常见的单一喷丸和脉冲电流耦合喷丸加工更为理想的喷丸加工效果，材料的塑性变形更大，强化效果更好。
附图说明
图1是实施例1一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置的加工示意图；
图2是未经处理试样截面微观结构图；
图3是试样经单一喷丸后，试样截面微观结构图；
图4是试样经脉冲电流辅助喷丸后，试样截面微观结构图；
图5是试样经预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸后，试样截面微观结构图；
图6是试样的晶粒原位错分布图；
图7是施加脉冲磁场后，试样的晶粒分布图；
图8是施加脉冲电场后，试样的晶粒分布图；
图9是预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸状态图；
图10是预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸后，试样的晶粒分布图；
图中：
1.试样，2.试样夹具，3.安装操作台，4.绝缘缓冲层，5.喷丸加工底座，6.喷丸设备固定架，7.喷丸防护罩，8.第一脉冲电流发生装置，9.第二脉冲电流发生装置，10.脉冲电磁线圈，11. 线圈调整架，12.超声湿喷丸装置，13.喷丸介质，14.超声波发生装置。
具体实施方式
以下结合附图1-附图10和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置，它包括：试样夹具 2、安装操作台3、绝缘缓冲层4、喷丸加工底座5、喷丸设备固定架6、喷丸防护罩7、第一脉冲电流发生装置8、第二脉冲电流发生装置9、脉冲电磁线圈10、线圈调整架11、超声湿喷丸装置12、超声波发生装置14，在所述喷丸设备固定架6的底部设置喷丸加工底座5，在所述喷丸加工底座5的顶部设置绝缘缓冲层4，在所述绝缘缓冲层4的顶部设置喷丸防护罩7，在所述喷丸防护罩7顶部设置开口，在所述绝缘缓冲层4的顶部设置安装操作台3，在所述安装操作台3的顶部设置试样夹具2，所述的安装操作台3和试样夹具2设置在喷丸防护罩7 内部，所述的第二脉冲电流发生装置9与试样夹具2电连接，在所述的喷丸防护罩7外部设置脉冲电磁线圈10，在所述的喷丸设备固定架6外部设置线圈调整架11，所述的脉冲电磁线圈10与线圈调整架11可拆卸连接，所述的脉冲电磁线圈10与第一脉冲电流发生装置8电连接，在所述的喷丸设备固定架6顶部设置超声湿喷丸装置12，所述超声湿喷丸装置12与喷丸设备固定架6固连，所述超声湿喷丸装置12的喷射头部设置在喷丸防护罩7内，所述的超声湿喷丸装置12与超声波发生装置14电连接。
实施例1：预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，它包括以下步骤：
1)用400～1000目砂纸打磨试样1，然后清洗、吹干所述试样1，将清洗吹干后的所述试样 1装夹在试样夹具2上，所述试样1为TC4钛合金；
2)启动第二脉冲电流发生装置9，调节所述第二脉冲电流发生装置9的脉冲参数，电流波形为正弦衰减波，峰值电流密度为4.5-9KA/mm2,单脉冲总时间为2000μs，单峰宽度为180μs，将脉冲电流施加到所述试样1上；
3)启动第一脉冲电流发生装置8，调节所述第一脉冲电流发生装置8的脉冲参数，所述脉冲磁场参数设置为：磁感应强度为2.5T，脉冲频率为5Hz，脉冲次数为100次，将所述第一脉冲电流发生装置8产生的脉冲交流电在脉冲电磁线圈10中产生脉冲磁场，施加到所述试样1 上；
4)所述的超声湿喷丸装置12内添加喷丸，在所述步骤3)中的第一脉冲电流发生装置8启动15～20分钟后，启动超声波发生装置14，所述的超声湿喷丸装置12对所述试样1进行喷丸加工；
5)在所述步骤4)中，所述的超声湿喷丸装置12对所述试样1进行喷丸加工3～5分钟后，依次关闭所述的超声波发生装置14、第二脉冲电流发生装置9和第一脉冲电流发生装置8，将所述试样1从试样夹具2上取下，用清水冲洗后，涂抹无水乙醇并吹干，最后利用X射线衍射法测量所述试样1表面残余应力，并观测喷丸后所述试样1表面形貌。
附图2为未处理试样截面微观结构图，附图3为单一喷丸试样截面微观结构，附图4为脉冲电流辅助喷丸试样截面微观结构，附图5为预加脉冲电流和脉冲磁场耦合辅助喷丸试样截面微观结构。对加工完成后的试样1截面，用300-1500目的砂纸打磨成镜面效果后，用金刚石抛光机抛光，在扫描电子显微镜(SEM)下观察试样截面的微观结构变化。可以发现，未处理试样内部存在大量气孔，在经历过单一喷丸加工后，试样表层气孔明显减少，近表层的晶粒从粗大变得明显细化，形成了由细化晶粒组成的强化层结构；脉冲电流辅助喷丸试样的近表层晶粒得到了进一步细化，次表层晶粒分布也从原来的杂乱无序变得呈平行试样表面分布，这表明脉冲电流能够提高喷丸加工的强化效果，使喷丸的冲击力传递到材料较深层次；预加脉冲电流和脉冲磁场耦合辅助喷丸试样截面微观结构中晶粒得到明显的细化，肉眼已经无法观察到部分还在存在脉冲电流辅助喷丸试样近层中的粗大晶粒，这说明预加脉冲电流和脉冲磁场耦合辅助喷丸相比单一脉冲电流辅助对喷丸的强化效果更为明显，形成的强化层厚度也有所提高。
分析预加脉冲电流和脉冲磁场对表面难加工硬化金属的强化原理，如附图6所示，晶粒和位错变化原理，金属的塑性变形来自于弹丸压入产生的切应力，造成的表面塑性延伸和赫芝压应力与亚表面应力的结合。对于表面难加工金属，喷丸加工对金属材料表面粗糙度的减少效果并不明显，并且喷丸在试样表面产生密布微小凹坑形状的强化层力学性能也与表面粗糙度有关。如附图7所示，在脉冲磁场作用下，位错发生增殖现象导致位错密度上升，产生的位错脱钉效应使位错运动阻力减小；如附图8所示，在电脉冲作用下，产生漂移电子的定向运动，所产生的拖拽力促使位错向晶界迁移，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；如附图9-10所示，在脉冲电流和脉冲电磁辅助喷丸共同作用下，晶粒分布发生改变，晶格畸变度增大，材料表层细化，形成明显的强化晶粒分布结构，能在更大程度上减小难加工金属材料内部的残余应力，增加材料表层的塑性，以便加深喷丸加工对金属更深层次的强化效果。
预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法工作原理：在试样上施加脉冲电流，利用其热塑性和电致塑性效应，以减少试样表面残余拉应力，提高喷丸加工效果，但考虑到脉冲电流降低残余应力的能力有限，于是在试样周围增加布置了脉冲电磁场，利用脉冲磁场对金属试样内部产生交变的磁致伸缩，使金属内部发生弥散分布性的微区塑性变形和而产生残余拉应力松弛现象，进一步减少金属内部的残余拉应力，预加脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸，实现相比常见的单一喷丸和脉冲电流耦合喷丸加工更为理想的喷丸加工效果，材料的塑性变形更大，强化效果更好，使用超声湿喷丸以及陶瓷丸介质解决了加工中的冷却和润滑问题，以及金属丸介质受到电磁场影响的问题。
以上所述仅是本发明的优选方式，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，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置，其特征是，它包括：试样夹具(2)、安装操作台(3)、绝缘缓冲层(4)、喷丸加工底座(5)、喷丸设备固定架(6)、喷丸防护罩(7)、第一脉冲电流发生装置(8)、第二脉冲电流发生装置(9)、脉冲电磁线圈(10)、线圈调整架(11)、超声湿喷丸装置(12)、超声波发生装置(14)，在所述喷丸设备固定架(6)的底部设置喷丸加工底座(5)，在所述喷丸加工底座(5)的顶部设置绝缘缓冲层(4)，在所述绝缘缓冲层(4)的顶部设置喷丸防护罩(7)，在所述喷丸防护罩(7)顶部设置开口，在所述绝缘缓冲层(4)的顶部设置安装操作台(3)，在所述安装操作台(3)的顶部设置试样夹具(2)，所述的安装操作台(3)和试样夹具(2)设置在喷丸防护罩(7)内部，所述的第二脉冲电流发生装置(9)与试样夹具(2)电连接，在所述的喷丸防护罩(7)外部设置脉冲电磁线圈(10)，在所述的喷丸设备固定架(6)外部设置线圈调整架(11)，所述的脉冲电磁线圈(10)与线圈调整架(11)可拆卸连接，所述的脉冲电磁线圈(10)与第一脉冲电流发生装置(8)电连接，在所述的喷丸设备固定架(6)顶部设置超声湿喷丸装置(12)，所述超声湿喷丸装置(12)与喷丸设备固定架(6)固连，所述超声湿喷丸装置(12)的喷射头部设置在喷丸防护罩(7)内，所述的超声湿喷丸装置(12)与超声波发生装置(14)电连接。
2.根据权利要求1所述预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工的装置，采用该装置进行预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)用400～1000目砂纸打磨试样(1)，然后清洗、吹干所述试样(1)，将清洗吹干后的所述试样(1)装夹在试样夹具(2)上；
2)启动第二脉冲电流发生装置(9)，调节所述第二脉冲电流发生装置(9)的脉冲参数，将脉冲电流施加到所述试样(1)上；
3)启动第一脉冲电流发生装置(8)，调节所述第一脉冲电流发生装置(8)的脉冲参数，将所述第一脉冲电流发生装置(8)产生的脉冲交流电在脉冲电磁线圈(10)中产生脉冲磁场，施加到所述试样(1)上；
4)所述的超声湿喷丸装置(12)添加喷丸，喷丸介质为高强度二氧化锆陶瓷丸和水，丸粒直径为20～50μm，在所述步骤3)中的第一脉冲电流发生装置(8)启动15～20分钟后，启动超声波发生装置(14)，所述超声湿喷丸的超声频率为400KHz，所述的超声湿喷丸装置(12)对所述试样(1)进行喷丸加工，喷丸强度为0.15mmA，覆盖率为200％；
5)在所述步骤4)中，所述的超声湿喷丸装置(12)对所述试样(1)进行喷丸加工3～5分钟后，依次关闭所述的超声波发生装置(14)、第二脉冲电流发生装置(9)和第一脉冲电流发生装置(8)，将所述试样(1)从试样夹具(2)上取下，用清水冲洗后，涂抹无水乙醇并吹干，最后利用X射线衍射法测量所述试样(1)表面残余应力并观测喷丸后所述试样(1)表面形貌。
3.根据权利要求2所述的预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，在所述的步骤2)中，调节所述第二脉冲电流发生装置(9)的脉冲参数为脉冲电流波形为正弦衰减波，峰值电流密度为4.5～9.0KA/mm2,单脉冲总时间为2000μs，单峰宽度为180μs。
4.根据权利要求2所述的预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，在所述的步骤3)中，调节所述第一脉冲电流发生装置(8)的脉冲参数，将所述的试样(1)第一脉冲电流发生装置(8)产生的脉冲交流电在脉冲电磁线圈(10)中产生脉冲磁场，所述的脉冲磁场参数为：磁感应强度为2.5T，脉冲频率为5Hz，脉冲次数为100次。
5.根据权利要求2所述的预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，在所述的步骤4)中，所述超声波发生装置(14)的超声频率为400KHz。
6.根据权利要求2所述的预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，在所述的步骤4)中，在所述的超声湿喷丸装置(12)添加喷丸，所述的喷丸为高强度二氧化锆陶瓷丸和水，丸粒直径为20～50μm。
7.根据权利要求2所述的预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，在所述的步骤4)中，所述喷丸加工的喷丸强度为0.15mmA，覆盖率为200％。
8.根据权利要求2所述的预加耦合脉冲电流和脉冲磁场辅助喷丸加工方法，其特征是，所述的试样(1)的材质为TC4钛合金。
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