[发明专利]一种超声表面线型滚压加工设备及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械部件的表面处理设备，同时还涉及该设备的使用方法。

背景技术

机械零部件和结构广泛地应用在压力容器、车辆、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 andmechanical characteristics of nano-structured tool steel byultrasonic cold forging technology[J].Materials Science andEngineering 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。且加工头与试件点接触的加工方式容易使表面加工不均匀，只能靠降低轴向进给或增加往复加工次数来弥补，加工效率很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是，针对现有技术中工作头与轴类机械零件表面处于滑动摩擦点接触方式，由此带来工作头极易磨损、寿命极低、表面加工相对不均匀、效率较低的致命缺点，提出了一种超声表面线型滚压加工设备，改变了原工作头与工件表面的点接触为滚动线接触，从而可以方便、快速、低成本、可持续地在金属轴类机械零部件表面(包括钢、铸铁等黑色金属、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、镍基合金等有色金属)大规模获得纳米结构层、表面几何形态纳米化并带有高数值表面压缩应力。

本发明所要解决的技术问题之二是，提供上述设备的使用方法。使用该方法使得轴类机械零件的抗疲劳、抗磨损、抗腐蚀性能大幅度提高，最终低成本地延长其使用寿命，替代一些高成本的表面处理方法(如喷涂、沉积、电镀和离子注入等)以及一些表面质量较差和低效率、可持续性差的表面纳米化处理方法。

本发明的技术方案如下：

一种超声表面线型滚压加工设备，包括超声波发生器和执行机构，执行机构包括半波长超声变幅杆、半波长超声换能器和超声工作头，半波长超声换能器固定在半波长超声变幅杆的后端并置于壳体内，超声波发生器置于半波长超声换能器附近的适当位置，超声工作头为一旋转体，超声工作头可滚动地连接在半波长超声变幅杆输出端。半波长变幅杆的作用是放大半波长超声换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声加工的需要。

所述的旋转体为圆柱体、椭球体或球体。

上述的半波长超声换能器为半波长磁滞伸缩换能器或半波长压电换能器。半波长磁滞伸缩换能器或半波长压电换能器的作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。