[发明专利]一种超声表面滚压加工纳米化方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种超声表面滚压加工纳米化方法及装置。

背景技术

机械零部件和结构广泛地应用在船舶、压力容器、车辆、桥梁、海洋工程、工程机械、航空航天、电力、冶金等重要领域，然而这些重要机械结构和部件往往会因疲劳、蠕变、腐蚀、脆性断裂、磨损等问题引起过早失效，其中疲劳损伤、磨损和腐蚀问题较为常见。如由于提速，已使机械零部件疲劳问题成为影响铁路行车安全和钢轨使用寿命的重要伤损机制；再如轧钢设备中冷轧辊接触疲劳损伤问题迄今也没有得到妥善解决；而磨损问题在那些存在动态接触磨擦的机械装备中广泛存在并严重地影响它们的使用寿命。因此，研究提高机械零部件抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能的表面加工处理新方法，用于保证机械装备可靠地安全运行，延长其有效服役寿命，防止其过早失效，具有重要的经济和实用价值，有着广阔应用前景。

作为一种表面改性新方法，金属表面自身纳米化概念的提出是利用纳米金属材料的优异性能，在传统工程金属材料表面制备出有纳米晶体结构的表面层，进而提高材料的综合力学性能。该方法在工业应用上无根本性技术障碍，且纳米层与基体组织之间不存在明显界面，因此不会发生剥层或分离。迄今为止，人们提出了多种金属表面自身纳米化方法，已在纯铁、奥氏体不锈钢、16MnR钢、低碳钢和铝合金等金属表面获得了纳米层，其中以机械研磨法和超声冲击的研究较为广泛。然而，由于这两种方法最大的缺点是加工处理后表面质量不够理想，截止目前还很难应用于实际。

在上述背景下，文献“王东坡，宋宁霞，王婷，等人.纳米化处理超声金属表面[J].天津大学学报，2007，40(2)：228-233.”、“Chang-Min Suh，Gil-ho Song，Min-Soo Suh，et al.Fatigue and mechanical characteristicsof nano-structured tool steel by ultrasonic cold forging technology[J].Materials Science and Engineering A，2007，443：101-106.”公开了一种技术方案，超声表面挤压和超声冷锻加工技术将静压力引入加工载荷中，与动载进行配合，可同时获得较厚的表面纳米层和较为理想的表面光洁度。但是，固定工作头的加工方式，即工作头与变幅杆输出端刚性地连为一体，使得加工过程中工作头与机械零件表面处于滑动摩擦方式，由此带来工作头极易磨损、寿命极低的致命缺点。即便工作头采用硬质合金材料加工制作，对使用寿命的改善结果仍然无法达到长时间连续工作的实用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中工作头与机械零件表面处于滑动摩擦方式，由此带来工作头极易磨损、寿命极低的致命缺点；提出了在超声表面滚压(USRP)加工纳米化方法及装置。

一种超声表面滚压加工纳米化装置，包括：超声波发生器和执行机构；上述执行机构包括：超声换能器、超声变幅杆和超声工作头；其特征在于，上述超声工作头为可滚动的球体。

上述超声波发生器采用半数字或全数字化超声波发生器，其作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给冲击枪工作头能量。

上述超声换能器采用磁滞伸缩换能器或压电换能器，其作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。

在执行机构的底部可用弹簧为加工过程提高静压力。

在执行机构的底部可用压缩空气为加工过程提高静压力，压缩空气还能起到冷却装置的作用。

对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬金属材料制造机械零部件，超声工作头的滚动球体应选用球面半径相对较小的工作头，一般在1～5mm的范围内；球体材质可选用硬质合金、包括金属化陶瓷在内的各种陶瓷、金钢石、非晶态合金。

对于铝、铜合金、镁合金等较软金属材料制造的机械零部件，超声工作头的滚动球体应选用球面半径相对较大的工作头，一般在5～15mm的范围内；加工头材质一般应为工具钢或硬质合金。

一种超声表面滚压加工纳米化方法，包括如下步骤：

第一步：参数选择

根据回转体外形，确定机床纵向进给速率及卡具偏转角度；

机床主轴转速设在200～700r/min的范围内，当需要获得较好的表面质量时，选择较低的主轴转速；

执行机构工作头轴向进给量设在0.02～0.1mm/r左右的范围内，当需要获得较好的表面质量时，选择较低的轴向进给量；