[发明专利]液压式超声表面纳米化装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声表面纳米化装置。

背景技术

工程金属材料在各种工程中用途广泛、用量巨大。在服役时,材料的破坏和失效一般始于表面,如磨损、疲劳断裂等，因而提高材料的表面性能可以延长材料的服役寿命。试验研究显示，只要在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面性能的优化提高材料的整体性能。在现阶段，材料表面纳米化有表面涂层或沉积、表面自身纳米化等方法。表面涂层或沉积方法是利用其它纳米粉体制备技术获得具有纳米尺度的颗粒，再将此颗粒固结在材料的表面，形成一个与基体化学成分相同或不同的纳米结构表层。这种方法的主要特征是表层纳米晶大小较均匀，晶粒尺寸可控，但表层与基体之间存在着明显的界面，且材料的外形尺寸较处理前有所增加。表面自身纳米化方法是采用特殊处理方法使金属材料粗晶组织逐渐细化至纳米量级。这种处理方法的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。实现表面纳米化的一种重要方法是表面机械处理法，其主要特点是使外加载荷以不同的方向重复地作用于材料的表面，以使材料表面的晶粒通过不同方向的强烈塑性变形而逐渐细化到纳米量级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，方便实现金属材料表面纳米化的液压式超声表面纳米化装置。

本发明的技术解决方案是：

一种液压式超声表面纳米化装置，其特征是：包括内带活塞的液压缸，液压缸通过油路与油泵连接；活塞下端与压电陶瓷堆接触，压电陶瓷堆下端设置超声压头；所述超声压头包括圆形基座，圆形基座上装多根阵列排列的圆杆，每个圆杆的底部用固定帽固定一个碳化钨合金圆球，碳化钨合金圆球在金属工件表面进行撞击和碾压。

在油路上设置油压表。压电陶瓷堆与功率放大器连接，功率放大器与信号发生器连接。

本发明优点：采用钢筒油压活塞式结构，结构简单、制作简易、成本低廉；通过油泵控制油缸内的油压，继而控制超声压头压迫在材料表面的常压力；通过压电陶瓷堆实现超高频振动，带动超声压头实现超声撞击，超高频振动可以通过信号发生器方便调节，超声撞击实现方式简单、可靠；装置安装方式简单、实用，通过车床的走刀装置固定油缸的位置，工件可由车床实现转动；对金属构件进行表面纳米化处理，消耗能源（用电）较少，不产生任何遗留物，对环境无任何污染。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是超声压头的结构示意图。

具体实施方式

一种液压式超声表面纳米化装置，包括内带活塞5的液压缸6，液压缸通过油路与油泵7连接；活塞下端与压电陶瓷堆2接触，压电陶瓷堆下端设置超声压头1；所述超声压头包括圆形基座9，圆形基座上装多根阵列排列的圆杆10，每个圆杆的底部用固定帽11固定一个碳化钨合金圆球12，碳化钨合金圆球在金属工件8表面进行撞击和碾压。

在油路上设置油压表13。压电陶瓷堆与功率放大器3连接，功率放大器与信号发生器4连接。

工作过程（实现金属材料表面纳米化的方法）：

油缸通过油路和油泵联接，通过油泵注油或放油，可以调节油缸内的油压，由油压表显示，并推动活塞运动。活塞和一压电陶瓷堆连接，而压电陶瓷堆和特别设计的压头联接。基于压电效应，在外加电压作用下，压电陶瓷堆在纵向产生变形（伸缩）。在交变电压下，压电陶瓷堆产生纵向振动。市场销售的商品压电陶瓷堆，响应频率可达20kHz，标称位移（振幅）可达60μm，最大推力20000N。压电陶瓷堆和功率放大器、信号发生器通过电路联接。在对工件进行材料表面纳米化处理时，油缸可放置在机床的走刀装置上，移动走刀装置，使油缸运动到一个适当位置，这时超声探头和工件表面接近接触。固定走刀装置（油缸）位置，然后开启油泵，向油缸注油，按照油压表指数，使油缸内油压处于设定值，这时超声压头将以设定的常力压在工件表面。信号发生器产生的超高频交变电压信号（超声信号），经功率放大器放大后，施加在压电陶瓷堆上，使其产生超声振动，带动超声压头以超声频率撞击工件表面。在超声撞击的同时工件旋转，这时超声压头中的碳化钨圆球除了撞击还碾压工件表面，使工件材料表面的晶粒通过不同方向的强烈塑性变形而逐渐细化到纳米量级，实现材料表面纳米化。