一種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置和加工方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置和加工方法，裝置由設(shè)有夾持把手的表面滾壓構(gòu)件、加載構(gòu)件及加熱構(gòu)件組成，加載構(gòu)件裝在表面滾壓構(gòu)件尾端，于加載構(gòu)件端面上依次安裝彈簧、壓力傳感器、擋板、換能器、變幅桿，變幅桿經(jīng)導(dǎo)向套安裝一前端裝有滾輪的滾壓頭；表面滾壓構(gòu)件外側(cè)連接一超聲波發(fā)聲器；加熱構(gòu)件設(shè)有溫控器、以及由其連接控制的加熱絲。本發(fā)明的加工方法是利用超聲滾壓技術(shù)和低溫加熱處理相結(jié)合，在利用低溫加熱使材料軟化的基礎(chǔ)上，通過(guò)換能器將超聲頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械振動(dòng),經(jīng)變幅桿放大后，輸出具有一定幅值的振動(dòng)傳遞到滾壓頭上,實(shí)現(xiàn)了滾壓頭在滾壓的過(guò)程中與工件間的高速振動(dòng),從而更好的細(xì)化工件表層材料晶粒，并產(chǎn)生了更大的壓殘余應(yīng)力和高的表面硬度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置和加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于表面加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種表面滾壓強(qiáng)化裝置，具體涉及一種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置和加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為表面強(qiáng)化技術(shù)中的一種，超聲表面滾壓可以有效的降低材料表面的粗糙度，提高材料的表面顯微硬度，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時(shí)也可以改變材料表層的微觀結(jié)構(gòu);從而可以有效的改善材料的耐磨性和抗疲勞性能。但是，僅僅的表面強(qiáng)化處理對(duì)材料表層性能的提高還是比較有限的。目前國(guó)內(nèi)外都比較關(guān)注如何將表面強(qiáng)化處理技術(shù)和其他一些表面改性技術(shù)結(jié)合起來(lái)，例如有超聲沖擊+電火花，表面涂層+滾壓處理，表面滲氮+滾壓處理等;為的是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，使材料表面性能獲得較大幅度的提高，從而有效的改善材料的耐磨性和抗疲勞性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有表面強(qiáng)化技術(shù)中的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置和方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用性強(qiáng)，它通過(guò)低溫輔助加熱和超聲表面滾壓強(qiáng)化的結(jié)合，來(lái)獲得具有更好性能的表面改性層，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題
[0004]本發(fā)明公開(kāi)了一種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置，所采用的技術(shù)方案是，它由設(shè)有夾持把手的表面滾壓構(gòu)件、加載構(gòu)件及加熱構(gòu)件組成，所述加載構(gòu)件裝在表面滾壓構(gòu)件尾端，于加載構(gòu)件端面上依次安裝彈簧、壓力傳感器、擋板、換能器、變幅桿，所述變幅桿經(jīng)導(dǎo)向套安裝一前端裝有滾輪的滾壓頭;所述表面滾壓構(gòu)件外側(cè)連接一超聲波發(fā)聲器;所述的加熱構(gòu)件設(shè)有溫控器、以及由其連接控制的加熱絲。
[0005]本發(fā)明所述的低溫輔助的超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置，其特征還在于，
[0006]所述的滾壓頭上設(shè)有一個(gè)與滾輪軸孔聯(lián)通的潤(rùn)滑孔。
[0007]所述的加熱構(gòu)件為一個(gè)能套裝于加工工件外圓上兩半圓構(gòu)件，夕卜部包覆有由娃酸鋁纖維材料制作的保溫層。
[0008]所述的滾輪為橢圓形滾柱，硬度為HRC68?72，與被加工工件之間為線接觸。
[0009]所述的溫控器具有較好的控制精度，誤差范圍為±5°C。
[0010]本發(fā)明還公開(kāi)了一種使用低溫輔助超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置的加工方法，其特征在于:該加工方法按以下步驟進(jìn)行，
[0011 ]步驟一、安裝固定工件于臥式車(chē)床卡盤(pán)上;將表面滾壓構(gòu)件固定于車(chē)床刀架，并將滾壓頭的滾輪與工件對(duì)中；
[0012]步驟二、將加熱構(gòu)件套裝于被加工工件上，通過(guò)溫控器設(shè)定加熱構(gòu)件的加熱溫度、保溫時(shí)段；
[0013]步驟三、調(diào)整徑向進(jìn)給量，啟動(dòng)換能器、超聲波發(fā)聲器，通過(guò)加載構(gòu)件施加滾壓載荷；
[0014]步驟四、加熱構(gòu)件溫度達(dá)到預(yù)定溫度、且保溫一段時(shí)間后，即可對(duì)工件進(jìn)行表面超聲滾壓強(qiáng)化處理。
[0015]本發(fā)明所述的低溫輔助超聲滾壓表面強(qiáng)化的加工方法，其特征還在于:
[0016]該加工方法的工藝參數(shù)為:換能器滾壓輸出超聲振幅為5?20μπι，軸向進(jìn)給量為
0.05?2!111]1/^6￥，工件的旋轉(zhuǎn)速度為20?150印1]1，低溫輔助加熱構(gòu)件的加熱溫度為50?150°C，溫控制器的誤差為±5°C，滾壓載荷為300Ν?900Ν，超聲波振動(dòng)頻率為20kHz?40kHz。
[0017]本發(fā)明低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置和方法，利用超聲滾壓技術(shù)和低溫加熱處理相結(jié)合，使材料表面產(chǎn)生具有更好性能的改性層。通過(guò)換能器將超聲頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)變幅桿放大后，輸出為具有一定幅值的振動(dòng)，并傳遞到滾壓頭上，實(shí)現(xiàn)了滾壓頭在滾壓的過(guò)程中與工件間的高速振動(dòng)，將能量傳于工件表面的改性層。低溫輔助加熱構(gòu)件可以使被滾壓材料軟化，經(jīng)超聲滾壓后可出現(xiàn)更大的塑性變形，更好的細(xì)化材料表層晶粒，產(chǎn)生更大的壓殘余應(yīng)力和高的表面硬度。對(duì)于易氧化的材料，也可以將空氣中的氧元素引入到材料表面，從而在材料表面形成一層薄的氧化層。使材料表面改性層具有更高的硬度，以及更好的耐磨性和抗疲勞性能。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明低溫輔助的超聲表面滾壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明低溫輔助的超聲表面滾壓裝置滾壓頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為沒(méi)有利用本發(fā)明加熱輔助的超聲滾壓的材料截面SEM圖；
[0021 ]圖4為利用本發(fā)明進(jìn)行低溫輔助超聲表面滾壓的材料截面SEM圖；
[0022]圖5為利用本發(fā)明進(jìn)行低溫輔助超聲表面滾壓的材料表層顯微硬度圖；
[0023]圖6為利用本發(fā)明進(jìn)行低溫輔助超聲表面滾壓的材料表層殘余應(yīng)力圖。
[0024]圖中，1.表面滾壓構(gòu)件，2.加載構(gòu)件，3.加熱構(gòu)件，4.彈簧，5.壓力傳感器，6.擋板，
7.換能器，8.變幅桿，9.導(dǎo)向套，10.滾壓頭，11.滾輪，12.超聲波發(fā)聲器，13.溫控器，14.加熱絲，15.潤(rùn)滑孔，16.保溫層，17.夾持把手。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]—種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置，如圖1和圖2所示，它由設(shè)有夾持把手17的表面滾壓構(gòu)件1、加載構(gòu)件2及加熱構(gòu)件3組成，加載構(gòu)件2裝在表面滾壓構(gòu)件I尾端，于加載構(gòu)件2端面上依次安裝彈簧4、壓力傳感器5、擋板6、換能器7、變幅桿8，變幅桿8經(jīng)導(dǎo)向套9安裝一前端裝有滾輪11的滾壓頭10，滾壓頭10上設(shè)有一個(gè)與滾輪11軸孔聯(lián)通的潤(rùn)滑孔15;表面滾壓構(gòu)件I外側(cè)連接一超聲波發(fā)聲器12。
[0027]本發(fā)明的加熱構(gòu)件3為一個(gè)能套裝于加工工件外圓上兩半圓構(gòu)件，加熱構(gòu)件3設(shè)有溫控器13、以及由其連接控制的加熱絲14。外部包覆有由硅酸鋁纖維材料制作的保溫層16，溫控器13具有較好的控制精度，誤差范圍為±5°C。
[0028]本發(fā)明所述的滾輪11為橢圓形滾柱，硬度為HRC68?72，與被加工工件之間為線接觸。
[0029]本發(fā)明低溫輔助超聲滾壓表面強(qiáng)化的加工方法，按以下步驟進(jìn)行，
[°03°]步驟一、安裝固定工件于臥式車(chē)床卡盤(pán)上;將表面滾壓構(gòu)件I固定于車(chē)床刀架，并將滾壓頭10的滾輪11與工件對(duì)中；
[0031]步驟二、將加熱構(gòu)件3套裝于被加工工件上，通過(guò)溫控器13設(shè)定加熱構(gòu)件3的加熱溫度、保溫時(shí)段；
[0032]步驟三、調(diào)整徑向進(jìn)給量，啟動(dòng)換能器7、超聲波發(fā)聲器12，通過(guò)加載構(gòu)件2施加滾壓載荷；
[0033]步驟四、加熱構(gòu)件3溫度達(dá)到預(yù)定溫度、且保溫一段時(shí)間后，即可對(duì)工件進(jìn)行表面超聲滾壓強(qiáng)化處理。
[0034]本發(fā)明加工方法的工藝參數(shù)為:換能器7滾壓輸出超聲振幅為5?20μπι，軸向進(jìn)給量為0.05?2mm/reV，工件的旋轉(zhuǎn)速度為20?150rpm，低溫輔助加熱構(gòu)件2的加熱溫度為50?150°C，溫控制器的誤差為±5°C，滾壓載荷為300N?900N，超聲波振動(dòng)頻率為20kHz?40kHz ο
[0035]本發(fā)明超聲滾壓的加載構(gòu)件2為超聲振動(dòng)提供負(fù)載，壓力傳感器5用于測(cè)量所加載荷的大小;壓力傳感器5與彈簧4相連，用于傳遞載荷和緩沖振動(dòng);換能器7用于將超聲波發(fā)生器12產(chǎn)生的超聲頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械振動(dòng)，變幅桿8與滾壓頭10相連，超聲振動(dòng)經(jīng)變幅桿8放大后，輸出為滾壓頭10具有一定幅值的振動(dòng);滾壓頭10固定在變幅桿8前端，滾壓頭10上的滾輪11可以實(shí)現(xiàn)徑向轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng);滾壓頭10上設(shè)有一個(gè)與滾輪11軸孔聯(lián)通的潤(rùn)滑孔15，用于添加耐熱的潤(rùn)滑油。
[0036]本發(fā)明加熱構(gòu)件3為一個(gè)能套裝于加工工件外圓上兩半圓構(gòu)件，置于滾壓頭10的前端，安裝于床身導(dǎo)軌上;使用時(shí)套裝在被加工工件上，加工工件與兩半圓構(gòu)件的加熱構(gòu)件3留有一定的間隙，不與材料接觸，由一個(gè)智能的溫控器13控制，對(duì)材料的加熱主要由加熱絲14實(shí)現(xiàn)，周?chē)霉杷徜X纖維材料制作的保溫層16保溫。
[0037]在進(jìn)行低溫輔助超聲滾壓強(qiáng)化時(shí)，先將本發(fā)明超聲表面滾壓裝置的表面滾壓構(gòu)件I通過(guò)其夾持把手17固定于機(jī)床進(jìn)給刀架上，然后將工件裝夾在機(jī)床卡盤(pán)上加緊固定，并將滾輪11和工件對(duì)中；再將裝在機(jī)床上的加熱構(gòu)件3，套在被加工工件上，通過(guò)溫控器13設(shè)定溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后，保溫一段時(shí)間，通過(guò)加載構(gòu)件2對(duì)表面滾壓構(gòu)件I施加滾壓載荷，然后經(jīng)滾壓頭10上的潤(rùn)滑孔15通入潤(rùn)滑油，之后即可進(jìn)行超聲滾壓處理。整個(gè)過(guò)程中工件旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置做軸向運(yùn)動(dòng)。
[0038]實(shí)施例
[0039]以鑄造的T1-6A1_4V合金棒為加工對(duì)象，利用低溫輔助超聲表面滾壓裝置對(duì)材料的表面性能進(jìn)行強(qiáng)化處理。
[0040]T1-6A1_4V棒材經(jīng)低溫輔助超聲表面滾壓處理后，可得到一層較厚的表面改性層，且力學(xué)性能得到了較大改善。具體的參數(shù)如下:工件長(zhǎng)為150mm，半徑為50mm，主軸的轉(zhuǎn)速為56rpm，軸向進(jìn)給量為0.05mm/rev,加熱溫度為100°C，保溫時(shí)間為半小時(shí)，潤(rùn)滑介質(zhì)為耐高溫潤(rùn)滑油，超聲滾壓的載荷為600N，滾壓的方向?yàn)閱蜗?，在同一段材料滾壓了 2次。整個(gè)操作過(guò)程是在臥式機(jī)床上實(shí)現(xiàn)的。
[0041]圖3為沒(méi)有利用加熱輔助的超聲滾壓材料截面的電子掃描顯像圖，圖4為利用了本發(fā)明進(jìn)行低溫輔助超聲表面滾壓材料截面電子掃描顯像圖。通過(guò)比較，由圖4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)低溫輔助超聲表面滾壓的材料具有較好的晶粒細(xì)化效果，較厚的變形層，且材料的變形程度明顯大于前者，這說(shuō)明低溫輔助超聲表面滾壓處理使材料具有較好的表面改性層。
[0042]圖5為采用低溫輔助超聲表面滾壓的材料沿深度方向的顯微硬度梯度圖，可見(jiàn)低溫輔助超聲表面滾壓的材料具有較高的表面顯微硬度和較深的硬化層。由于鈦合金為易氧化材料，在加溫過(guò)程中將空氣中的氧元素引入到材料表面，形成了一層具有較高硬度的薄氧化層，同時(shí)加熱也使鈦合金材料產(chǎn)生了一定的軟化，所以經(jīng)超聲滾壓后產(chǎn)生了較深的改性層。
[0043]圖6為采用低溫輔助超聲表面滾壓的材料沿深度方向的殘余應(yīng)力圖，可見(jiàn)低溫輔助超聲表面滾壓的材料具有較大的殘余應(yīng)力，且影響的深度較大。說(shuō)明低溫輔助超聲表面滾壓在材料表層產(chǎn)生了較大的塑性變形，且變形層的厚度較大。這對(duì)于提高材料的耐磨性和抗疲勞性能有很大的幫助。
[0044]相對(duì)于為常溫的超聲滾壓加工，低溫輔助的超聲滾壓加工后的材料表層具有較好的晶粒細(xì)化效果和較厚的變形層，且在同一溫度和載荷下的兩次超聲滾壓會(huì)增加晶粒細(xì)化的效果和變形層的厚度。
[0045]上述實(shí)施方式只是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，不是用來(lái)限制發(fā)明的實(shí)施與權(quán)利范圍，凡依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利保護(hù)范圍所述的內(nèi)容做出的等效變化和修飾，均應(yīng)包括在本發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低溫輔助超聲表面滾壓強(qiáng)化裝置，其特征在于:它由設(shè)有夾持把手的表面滾壓構(gòu)件(I)、加載構(gòu)件(2)及加熱構(gòu)件(3)組成，所述加載構(gòu)件(2)裝在表面滾壓構(gòu)件(I)尾端，于加載構(gòu)件(2)端面上依次安裝彈簧(4)、壓力傳感器(5)、擋板(6)、換能器(7)、變幅桿(8)，所述變幅桿(8)經(jīng)導(dǎo)向套(9)安裝一前端裝有滾輪(11)的滾壓頭(10);所述表面滾壓構(gòu)件(I)外側(cè)連接一超聲波發(fā)聲器(12);所述的加熱構(gòu)件(3)設(shè)有溫控器(I3)、以及由其連接控制的加熱絲(14)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫輔助的超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述的滾壓頭(10)上設(shè)有一個(gè)與滾輪(11)軸孔聯(lián)通的潤(rùn)滑孔(15)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫輔助的超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述的加熱構(gòu)件(3)為一個(gè)能套裝于加工工件外圓上兩半圓構(gòu)件，外部包覆有由硅酸鋁纖維材料制作的保溫層(16)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫輔助的超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置，其特征在于，所述的滾輪(II)為橢圓形滾柱，硬度為HRC68?72，與被加工工件之間為線接觸。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫輔助的超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置，其特征在于:所述的溫控器(13)具有較好的控制精度，誤差范圍為± 5°C。6.—種使用權(quán)利要求1所述低溫輔助超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置的加工方法，其特征在于:該加工方法按以下步驟進(jìn)行， 步驟一、安裝固定工件于臥式車(chē)床卡盤(pán)上;將表面滾壓構(gòu)件(I)固定于車(chē)床刀架，并將滾壓頭(1)的滾輪(11)與工件對(duì)中； 步驟二、將加熱構(gòu)件(3)套裝于被加工工件上，通過(guò)溫控器(13)設(shè)定加熱構(gòu)件(3)的加熱溫度、保溫時(shí)段； 步驟三、調(diào)整徑向進(jìn)給量，啟動(dòng)換能器(7)、超聲波發(fā)聲器(12)，通過(guò)加載構(gòu)件(2)施加滾壓載荷； 步驟四、加熱構(gòu)件(3)溫度達(dá)到預(yù)定溫度、且保溫一段時(shí)間后，即可對(duì)工件進(jìn)行表面超聲滾壓強(qiáng)化處理。7.根據(jù)使用權(quán)利要求6所述低溫輔助超聲滾壓表面強(qiáng)化裝置的加工方法，其特征在于:該加工方法的工藝參數(shù)為:換能器(7)滾壓輸出超聲振幅為5?20μπι，軸向進(jìn)給量為0.05?2mm/reV，工件的旋轉(zhuǎn)速度為20?150rpm，低溫輔助加熱構(gòu)件(2)的加熱溫度為50?150°C，溫控制器的誤差為±5°C，滾壓載荷為300N?900N，超聲波振動(dòng)頻率為20kHz?40kHz。
【文檔編號(hào)】C21D7/04GK105838863SQ201610352680
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】屈盛官, 李剛, 潘玉祥, 李小強(qiáng)
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)