CN203754763U - 超声冲击与电火花复合加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开超声冲击与电火花复合加工装置，包括静压力施加装置、超声波发生器、电火花电源、超声冲击枪、冲击部件，静压力施加装置与超声冲击枪相连，超声波发生器与超声冲击枪相连，在超声冲击枪的前端设置冲击部件，电火花电源分别与冲击部件和工件相连，复合加工时，冲击过程与电火花放电过程高速交替进行。本实用新型实施过程中，超声冲击过程使工件表面产生塑性变形，随之进行的电火花放电使工件和冲击部件局部产生瞬时高温，达到短时熔融状态，使基体表面与工作介质或冲击部件中元素发生反应，得到与基体紧密冶金结合的表面膜，并具有沿深度方向呈梯度变化的残余压应力和晶粒细化效果，该方法所需设备结构简单，耗电低，污染小。

Description

超声冲击与电火花复合加工装置

技术领域

本实用新型涉及材料加工技术领域，更加具体地说，涉及超声冲击处理与电火花处理复合加工装置。

背景技术

超声冲击处理最初应用于提高焊接接头的疲劳性能。由于其可以在工件表面及次表面引入残余压应力，改善焊接接头焊趾部位应力集中，使受冲击表面及次表面呈梯度晶粒细化乃至表面纳米化，国内外学者对其给予了大量关注。将超声冲击处理应用于材料的表面加工，同样可以引入残余压应力及表面纳米化，从而提高材料表面的强度、硬度、耐磨以及耐蚀等性能。电火花表面改性技术是利用工件和电极之间的电火花放电，在工件表面形成一层所要求性能的处理层，来实现对工件表面进行强化、改性的技术。基于电加工方式的电火花放电表面强化技术是表面强化技术的重要组成部分，具有设备简单、操作容易、成本低等优点，可广泛用于模具、刀具及机械零件的表面强化和磨损部位的修复，具有很大的应用空间。相关的专利有超声振动喷汽式电火花复合加工工艺及专用设备（CN 101264535A）、超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置及其方法（CN101284341A）和超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺（CN 101967536A）等。目前常见的超声辅助电火花加工方法是在工具电极或工件上辅助超声振动，使二者间的放电间隙做超声变化，从而使电火花表面合金化生成的表面强化层厚度分布均匀，性能得到进一步改善。以上方法所得到的强化表面由于经历热循环，不可避免地会存在残余拉应力。残余拉应力会导致表面裂纹并降低其疲劳性能。现有技术的研究往往分别集中在两种加工方式各自的运行方法和加工效果，鲜有关于两者结合使用的报道。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供超声冲击处理与电火花复合加工装置，以超声冲击处理和电火花放电表面强化向耦合，以使工件表面化合物膜层与基体金属实现紧密的冶金结合，同时在整个被处理区域具有沿深度方向呈梯度的残余压应力和晶粒细化效果，同时方法操作简便、适应性强、重复性好。

本实用新型的技术目的通过下述技术方案予以实现：

超声冲击与电火花复合加工装置，包括静压力施加装置、超声波发生器、电火花电源、超声冲击枪、冲击部件、超声冲击枪壳，其中：

所述静压力施加装置与超声冲击枪壳相连，并为超声冲击枪提供静压力；

所述超声波发生器与超声冲击枪相连，并为超声冲击枪提供超声波动力；

在所述超声冲击枪的前端设置冲击部件，所述电火花电源分别与冲击部件和工件相连，以使在冲击部件和工件之间形成电火花放电；

在上述复合加工装置中，将超声冲击枪整体固定置于超声冲击枪壳中，在所述超声冲击枪壳的前端固定设置超声冲击枪前端卡套，所述冲击部件设置在超声冲击枪前端卡套中，并与超声冲击枪前端卡套之间留有间隙；在超声冲击枪前端卡套的侧面上设置工作介质入口。

在上述复合加工装置中，所述冲击部件为尺寸合适的冲击球，或者冲击针。

在上述复合加工装置中，所述工作介质为压缩空气，或者工作液，例如现有技术中线切割使用的工作液。

利用上述超声冲击与电火花复合加工装置进行加工的方法，按照下述步骤进行：步骤1，将工件安装于工作台面，连接电火花电源的一极，位于超声冲击枪前端的冲击部件连接电火花电源另一极；步骤2，开启工作介质的输入开关，以使冲击部件和工件处于所需的工作介质环境中；步骤3，开启静压力施加装置使超声冲击枪移动，直至冲击部件和工件接触，并保持静压力不变；步骤4，开启超声波发生器，以使冲击部件在工件和超声冲击枪前端之间振动；步骤5，待冲击部件的冲击速度均匀后，开启电火花电源，以使冲击部件和工件之间产生电火花；步骤6，冲击部件和工件之间产生相对运动，以使冲击部件对工件表面进行超声冲击和电火花的复合加工。

本实用新型利用超声冲击技术与电火花技术复合使工件表面快速陶瓷化或合金化的方法。利用超声波发生器输出的超声频电信号转换为超声机械振动，经放大后输出端（变幅杆末端）输出振动幅值，并传至冲击部件，冲击部件在输出端与工件间高速振动，将能量传于工件。将超声冲击与电火花技术复合后，复合处理过程如下见图2所示：超声冲击球冲击工件时，冲击球与工件接触，形成电路短路，工件发生塑性变形；冲击球从工件弹起时，电路开路，因为此时两电极间间距极小，工作介质（即通过在超声冲击枪前端卡套侧面设置的工作介质入口引入的工作气或工作液）瞬间被击穿，电火花形成。电火花持续过程中，工作介质被电离，大量的正离子和电子分别轰击电路两级（即工件和冲击部件），赋予两极大量能量，促使其与电离后的介质三者之间发生元素传递及反应；之后冲击部件再次与工件接触，对工件及其表面生成的反应物再进行冲击……如此过程反复进行，在工件表面化合物膜层与基体金属实现致密的冶金结合，同时在整个被处理区域具有沿深度方向呈梯度的晶粒细化效果和残余压应力。

在上述加工过程中，选择将超声冲击枪和冲击部件予以固定，工件进行运动；或者将工件进行固定，超声冲击枪和冲击部件进行运动。如附图3所示，a为单一方向加工模式，即在加工过程中冲击部件在工件上始终按照同一方向进行相对运动，如附图所示为工件固定，冲击部件在工件表面自左向右移动；b为来回加工模式，即在加工过程中冲击部件在工件上的相邻两条运动轨迹的方向相反，如附图所示为工件固定，冲击部件在工件表面来回移动，第一条为自左向右，第二条为自右向左，以此类推，v表示超声冲击与电火花复合加工模式中冲击部件的运动速度（即复合加工速度），d为超声冲击与电火花复合加工模式中冲击部件在工件表面运动轨迹的间隔（即相邻两条复合加工带的距离），箭头表示冲击部件的运动方向（即复合加工方向）。

在上述加工过程中，选择超声冲击枪的输出振幅设定范围为1～40μm，优选5—20μm；超声冲击枪或者工件的移动速度设定范围为40～200mm/min，优选100—150mm/min；冲击部件在工件表面运动轨迹的间隔设定范围为0.1～0.8mm，优选0.3—0.6mm；超声冲击枪对工件的静压力设定范围为0～400N；优选100—200N；电火花电源输出电源的设定范围为5～30A，优选10—20A。

本实用新型的技术方案基于超声冲击与电火花复合加工方法，选取参数恰当，可实现100%金属表面陶瓷化或合金化，并在表面及次表面产生残余压应力和晶粒细化现象。表面陶瓷层和合金层厚度根据具体材料及工艺参数而定。超声冲击与电火花复合加工方法设备简单，在现有的车床、铣床及加工中心基础上进行改造即可，其设计合理，制造成本低。

附图说明

图1为本实用新型超声冲击与电火花复合加工装置结构示意图，其中1为静压力施加装置；2为超声波发生器；3为电火花电源；4为超声冲击枪壳；5为超声冲击枪；6为工作液（气）入口；7为冲击部件；8为工件；9为超声冲击枪前端卡套；10为超声冲击枪前端端头。

图2为本实用新型超声冲击与电火花复合加工过程的原理示意图，其中1为冲击部件，2为电火花，3为工件。

图3为本实用新型超声冲击与电火花复合加工模式的示意图，其中a为单一方向加工模式，b为来回加工模式，v表示超声冲击与电火花复合加工模式中冲击部件的运动速度（即复合加工速度），d为超声冲击与电火花复合加工模式中冲击部件在工件表面运动轨迹的间隔（即相邻两条复合加工带的距离），箭头表示冲击部件的运动方向（即复合加工方向）。

图4为无电火花的超声冲击加工强化样品表面形貌图（SEM图）。

图5为利用本实用新型超声冲击与电火花复合加工强化样品表面形貌图（SEM图）。

图6为利用本实用新型超声冲击与电火花复合加工强化样品截面形貌图（SEM图）。

图7为超声冲击与电火花复合加工表面强化层、超声冲击强化层及未处理母材的X射线衍射图谱，其中圆圈为Ti；五角星为TiN。

图8为超声冲击与电火花复合加工表面强化层、超声冲击强化层及未处理母材表面沿深度的残余应力曲线，其中正方形代表超声冲击与电火花复合加工；圆形代表超声冲击处理；三角形代表未处理的母材。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作以详细描述。以TC4表面超声冲击与电火花复合强化为研究对象，利用超声冲击与电火花放电过程的交替进行，对表面进行强化。TC4合金元素含量如下表所示：

成分

Al

V

Fe

O

N

Ti

含量(质量%)

6.30

4.18

0.20

0.19

0.013

其它

如附图1所示，本实用新型的超声冲击与电火花复合加工装置，1为静压力施加装置；2为超声波发生器；3为电火花电源；4为超声冲击枪壳；5为超声冲击枪；6为工作液（气）入口；7为冲击部件；8为工件；9为超声冲击枪前端卡套；10为超声冲击枪前端端头。

所述静压力施加装置与超声冲击枪相连，并为超声冲击枪提供静压力；所述超声波发生器与超声冲击枪相连，并为超声冲击枪提供超声波动力；在所述超声冲击枪的前端设置冲击部件，所述电火花电源分别与冲击部件和工件相连，以使在冲击部件和工件之间形成电火花放电；选择将超声冲击枪整体固定置于超声冲击枪壳中，在所述超声冲击枪壳的前端固定设置超声冲击枪前端卡套，所述冲击部件设置在超声冲击枪前端卡套中，并与超声冲击枪前端卡套之间留有间隙；在超声冲击枪前端卡套的侧面上设置工作介质入口；所述冲击部件为尺寸合适的冲击球，或者冲击针；所述工作介质为压缩空气，或者工作液，例如现有技术中线切割使用的工作液，工作介质通入超声冲击枪前端卡套中后，可由冲击部件和超声冲击枪前端卡套之间的间隙流出。

在上述复合加工装置中，选择将超声冲击枪整体固定置于超声冲击枪壳中时，所述静压力施加装置与超声冲击枪壳相连，并为超声冲击枪提供静压力。

在进行复合加工时，选择将工件予以固定，将超声冲击枪和冲击部件进行运动，例如将整个超声冲击设备安装在车床、铣床上，为整个超声冲击设备提供运动轨迹和静压力。在进行复合加工时，选择使用的超声冲击设备（即超声波发生器、超声冲击枪壳、超声冲击枪和冲击部件、超声冲击枪前端卡套、超声冲击枪前端端头）为天津天东恒科技发展有限公司生产的超声冲击机（型号：UIT-125），关于整体超声冲击设备的结构，参考相关专利021000344、021000336、200610014768X，使用的冲击针参考2013100458871。

实施例1

TC4板材表面经超声冲击与电火花复合加工方法制得陶瓷膜层是按照以下步骤进行的：工件为TC4钛合金，尺寸为200mm×40mm×3mm。冲击球采用Cr15钢球，直径为15mm。实验机床为山东滕州诺信生产的标准北一X5040铣床，将超声冲击枪安装于主轴上，即由铣床为复合加工装置提供运动，工件予以固定。电火花电源采用直流电源，工件接电源正极，冲击球接电源负极。强化参数为超声冲击枪输出振幅15μm，超声冲击枪移动速度185mm/min，超声冲击与电火花复合加工模式中冲击部件在工件表面运动轨迹的间隔（即相邻两条复合加工带的距离）0.6mm，静压力100N，电火花电流15A，工作气为压缩空气。

实施例2

TC4板材采用7075-T6铝合金为冲击球，经超声冲击与电火花复合加工方法制得金属间化合物膜层是按照以下步骤进行的：实验材料选用TC4钛合金，尺寸为200mm×40mm×3mm。冲击球采用7075-T6铝合金球，直径为15mm。实验机床为山东滕州诺信生产的标准北一X5040铣床，将超声冲击枪安装于主轴上。电火花电源采用直流电源，工件接电源正极，冲击球接电源负极。强化参数为超声冲击枪输出振幅15μm，超声冲击枪移动速度185mm/min，超声冲击与电火花复合加工模式中冲击部件在工件表面运动轨迹的间隔（即相邻两条复合加工带的距离）0.6mm，静压力100N，电火花电流15A，工作液为线切割工作液。

将上述实施例强化后的试样切割成10mm×10mm×3mm.用场发射扫描电镜（FEI,Nanosem430，SEM/EDS）、X射线能谱仪（RigakuD/max2500V/PC）、X射线衍射仪对表面强化层进行表面和截面形貌、成分、组织结构分析；用MHV-2000显微硬度计（上海沪工材料试验机厂）测定表面强化层的显微硬度；用X射线衍射仪测定试样沿深度方向残余应力。

无电火花的超声冲击加工强化样品表面形貌图如附图4所示，测量样品表面强化层表面形貌如附图5所示，与未复合电火花的超声冲击处理相比，经超声冲击与电火花复合加工后，微观表面较为平整，由冲击产生的飞边减少，裂纹也更少。

利用本实用新型超声冲击与电火花复合加工强化样品截面形貌图如附图6所示，由图中可以看出，样品表面形成一层5μm左右的强化层。基体靠近强化层的部分也出现了塑性流变和晶粒细化，并自表面强化层向基体呈梯度弱化。

测量样品的表面X射线衍射图谱如图7所示。从图中可以看出，经超声冲击处理后，峰强较母材明显宽化，说明超声冲击有细化晶粒的效果。经超声冲击也电火花复合加工后，出现TiN的峰，且TiN的峰强已超过Ti。说明样品表面已经形成比例可观的TiN陶瓷膜层。

在MHV-2000显微硬度计上，用0.98N的载荷加载15s，分别测定母材和强化层的表面显微硬度，结果为316和1004，说明复合加工可以显著提高表面的显微硬度。测量样品沿深度的残余应力如图8所示。由图中可以看出未经超声冲击处理的试件，残余应力基本没有变化。经超声冲击处理的试件，在表面得到残余压应力，最大压应力值出现在试件表面，值为735MPa，残余压应力深度为498μm。经超声冲击与电火花复合加工的试件，在表面可得到残余压应力，压应力最大值出现在被处理表面，值为717MPa，残余压应力深度为482μm，与超声冲击处理后的结果相似。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.超声冲击与电火花复合加工装置，其特征在于，包括静压力施加装置、超声波发生器、电火花电源、超声冲击枪、冲击部件、超声冲击枪壳，其中：

所述静压力施加装置与超声冲击枪壳相连；所述超声波发生器与超声冲击枪相连；在所述超声冲击枪的前端设置冲击部件，所述电火花电源分别与冲击部件和工件相连；将超声冲击枪整体固定置于超声冲击枪壳中，在所述超声冲击枪壳的前端固定设置超声冲击枪前端卡套，所述冲击部件设置在超声冲击枪前端卡套中，并与超声冲击枪前端卡套之间留有间隙；在超声冲击枪前端卡套的侧面上设置工作介质入口。

2.根据权利要求1所述的超声冲击与电火花复合加工装置，其特征在于，所述冲击部件为冲击球或者冲击针。