CN105838863A - 一种低温辅助超声表面滚压强化装置和加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温辅助超声表面滚压强化装置和加工方法，装置由设有夹持把手的表面滚压构件、加载构件及加热构件组成，加载构件装在表面滚压构件尾端，于加载构件端面上依次安装弹簧、压力传感器、挡板、换能器、变幅杆，变幅杆经导向套安装一前端装有滚轮的滚压头；表面滚压构件外侧连接一超声波发声器；加热构件设有温控器、以及由其连接控制的加热丝。本发明的加工方法是利用超声滚压技术和低温加热处理相结合，在利用低温加热使材料软化的基础上，通过换能器将超声频电信号转换为超声机械振动,经变幅杆放大后，输出具有一定幅值的振动传递到滚压头上,实现了滚压头在滚压的过程中与工件间的高速振动,从而更好的细化工件表层材料晶粒，并产生了更大的压残余应力和高的表面硬度。
Description
技术领域
本发明属于表面加工技术领域，涉及一种表面滚压强化装置，具体涉及一种低温辅助超声表面滚压强化装置和加工方法。
背景技术
作为表面强化技术中的一种，超声表面滚压可以有效的降低材料表面的粗糙度，提高材料的表面显微硬度，产生残余压应力，同时也可以改变材料表层的微观结构；从而可以有效的改善材料的耐磨性和抗疲劳性能。但是，仅仅的表面强化处理对材料表层性能的提高还是比较有限的。目前国内外都比较关注如何将表面强化处理技术和其他一些表面改性技术结合起来，例如有超声冲击+电火花，表面涂层+滚压处理，表面渗氮+滚压处理等；为的是在现有基础上，使材料表面性能获得较大幅度的提高，从而有效的改善材料的耐磨性和抗疲劳性能。
发明内容
针对现有表面强化技术中的问题和不足，本发明的目的在于提供一种低温辅助超声表面滚压强化装置和方法，该装置结构简单，操作方便，适用性强，它通过低温辅助加热和超声表面滚压强化的结合，来获得具有更好性能的表面改性层，解决了现有技术存在的上述问题
本发明公开了一种低温辅助超声表面滚压强化装置，所采用的技术方案是，它由设有夹持把手的表面滚压构件、加载构件及加热构件组成，所述加载构件装在表面滚压构件尾端，于加载构件端面上依次安装弹簧、压力传感器、挡板、换能器、变幅杆，所述变幅杆经导向套安装一前端装有滚轮的滚压头；所述表面滚压构件外侧连接一超声波发声器；所述的加热构件设有温控器、以及由其连接控制的加热丝。
本发明所述的低温辅助的超声滚压表面强化装置，其特征还在于，
所述的滚压头上设有一个与滚轮轴孔联通的润滑孔。
所述的加热构件为一个能套装于加工工件外圆上两半圆构件，外部包覆有由硅酸铝纤维材料制作的保温层。
所述的滚轮为椭圆形滚柱，硬度为HRC 68～72，与被加工工件之间为线接触。
所述的温控器具有较好的控制精度，误差范围为±5℃。
本发明还公开了一种使用低温辅助超声滚压表面强化装置的加工方法，其特征在于：该加工方法按以下步骤进行，
步骤一、安装固定工件于卧式车床卡盘上；将表面滚压构件固定于车床刀架，并将滚压头的滚轮与工件对中；
步骤二、将加热构件套装于被加工工件上，通过温控器设定加热构件的加热温度、保温时段；
步骤三、调整径向进给量，启动换能器、超声波发声器，通过加载构件施加滚压载荷；
步骤四、加热构件温度达到预定温度、且保温一段时间后，即可对工件进行表面超声滚压强化处理。
本发明所述的低温辅助超声滚压表面强化的加工方法，其特征还在于：
该加工方法的工艺参数为：换能器滚压输出超声振幅为5～20μm，轴向进给量为0.05～2mm/rev，工件的旋转速度为20～150rpm，低温辅助加热构件的加热温度为50～150℃，温控制器的误差为±5℃，滚压载荷为300N～900N，超声波振动频率为20kHz～40kHz。
本发明低温辅助超声表面滚压强化装置和方法，利用超声滚压技术和低温加热处理相结合，使材料表面产生具有更好性能的改性层。通过换能器将超声频电信号转换为超声机械振动,经变幅杆放大后，输出为具有一定幅值的振动,并传递到滚压头上,实现了滚压头在滚压的过程中与工件间的高速振动,将能量传于工件表面的改性层。低温辅助加热构件可以使被滚压材料软化，经超声滚压后可出现更大的塑性变形，更好的细化材料表层晶粒，产生更大的压残余应力和高的表面硬度。对于易氧化的材料，也可以将空气中的氧元素引入到材料表面，从而在材料表面形成一层薄的氧化层。使材料表面改性层具有更高的硬度，以及更好的耐磨性和抗疲劳性能。
附图说明
图1为本发明低温辅助的超声表面滚压装置结构示意图；
图2为本发明低温辅助的超声表面滚压装置滚压头结构示意图；
图3为没有利用本发明加热辅助的超声滚压的材料截面SEM图；
图4为利用本发明进行低温辅助超声表面滚压的材料截面SEM图；
图5为利用本发明进行低温辅助超声表面滚压的材料表层显微硬度图；
图6为利用本发明进行低温辅助超声表面滚压的材料表层残余应力图。
图中，1.表面滚压构件，2.加载构件，3.加热构件，4.弹簧，5.压力传感器，6.挡板，7.换能器，8.变幅杆，9.导向套，10.滚压头，11.滚轮，12.超声波发声器，13.温控器，14.加热丝，15.润滑孔，16.保温层，17.夹持把手。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种低温辅助超声表面滚压强化装置，如图1和图2所示，它由设有夹持把手17的表面滚压构件1、加载构件2及加热构件3组成，加载构件2装在表面滚压构件1尾端，于加载构件2端面上依次安装弹簧4、压力传感器5、挡板6、换能器7、变幅杆8，变幅杆8经导向套9安装一前端装有滚轮11的滚压头10，滚压头10上设有一个与滚轮11轴孔联通的润滑孔15；表面滚压构件1外侧连接一超声波发声器12。
本发明的加热构件3为一个能套装于加工工件外圆上两半圆构件，加热构件3设有温控器13、以及由其连接控制的加热丝14。外部包覆有由硅酸铝纤维材料制作的保温层16，温控器13具有较好的控制精度，误差范围为±5℃。
本发明所述的滚轮11为椭圆形滚柱，硬度为HRC 68～72，与被加工工件之间为线接触。
本发明低温辅助超声滚压表面强化的加工方法，按以下步骤进行，
步骤一、安装固定工件于卧式车床卡盘上；将表面滚压构件1固定于车床刀架，并将滚压头10的滚轮11与工件对中；
步骤二、将加热构件3套装于被加工工件上，通过温控器13设定加热构件3的加热温度、保温时段；
步骤三、调整径向进给量，启动换能器7、超声波发声器12，通过加载构件2施加滚压载荷；
步骤四、加热构件3温度达到预定温度、且保温一段时间后，即可对工件进行表面超声滚压强化处理。
本发明加工方法的工艺参数为：换能器7滚压输出超声振幅为5～20μm，轴向进给量为0.05～2mm/rev，工件的旋转速度为20～150rpm，低温辅助加热构件2的加热温度为50～150℃，温控制器的误差为±5℃，滚压载荷为300N～900N，超声波振动频率为20kHz～40kHz。
本发明超声滚压的加载构件2为超声振动提供负载，压力传感器5用于测量所加载荷的大小；压力传感器5与弹簧4相连，用于传递载荷和缓冲振动；换能器7用于将超声波发生器12产生的超声频电信号转换为超声机械振动，变幅杆8与滚压头10相连，超声振动经变幅杆8放大后，输出为滚压头10具有一定幅值的振动；滚压头10固定在变幅杆8前端，滚压头10上的滚轮11可以实现径向转动和轴向滑动的运动；滚压头10上设有一个与滚轮11轴孔联通的润滑孔15，用于添加耐热的润滑油。
本发明加热构件3为一个能套装于加工工件外圆上两半圆构件，置于滚压头10的前端，安装于床身导轨上；使用时套装在被加工工件上，加工工件与两半圆构件的加热构件3留有一定的间隙，不与材料接触，由一个智能的温控器13控制，对材料的加热主要由加热丝14实现，周围用硅酸铝纤维材料制作的保温层16保温。
在进行低温辅助超声滚压强化时，先将本发明超声表面滚压装置的表面滚压构件1通过其夹持把手17固定于机床进给刀架上，然后将工件装夹在机床卡盘上加紧固定，并将滚轮11和工件对中；再将装在机床上的加热构件3，套在被加工工件上，通过温控器13设定温度，当达到设定温度后，保温一段时间，通过加载构件2对表面滚压构件1施加滚压载荷，然后经滚压头10上的润滑孔15通入润滑油，之后即可进行超声滚压处理。整个过程中工件旋转，本发明低温辅助超声表面滚压强化装置做轴向运动。
实施例
以铸造的Ti-6Al-4V合金棒为加工对象，利用低温辅助超声表面滚压装置对材料的表面性能进行强化处理。
Ti-6Al-4V棒材经低温辅助超声表面滚压处理后，可得到一层较厚的表面改性层，且力学性能得到了较大改善。具体的参数如下：工件长为150mm，半径为50mm，主轴的转速为56rpm，轴向进给量为0.05mm/rev,加热温度为100℃，保温时间为半小时，润滑介质为耐高温润滑油，超声滚压的载荷为600N，滚压的方向为单向，在同一段材料滚压了2次。整个操作过程是在卧式机床上实现的。
图3为没有利用加热辅助的超声滚压材料截面的电子扫描显像图，图4为利用了本发明进行低温辅助超声表面滚压材料截面电子扫描显像图。通过比较，由图4可见，经过低温辅助超声表面滚压的材料具有较好的晶粒细化效果，较厚的变形层，且材料的变形程度明显大于前者，这说明低温辅助超声表面滚压处理使材料具有较好的表面改性层。
图5为采用低温辅助超声表面滚压的材料沿深度方向的显微硬度梯度图，可见低温辅助超声表面滚压的材料具有较高的表面显微硬度和较深的硬化层。由于钛合金为易氧化材料，在加温过程中将空气中的氧元素引入到材料表面，形成了一层具有较高硬度的薄氧化层，同时加热也使钛合金材料产生了一定的软化，所以经超声滚压后产生了较深的改性层。
图6为采用低温辅助超声表面滚压的材料沿深度方向的残余应力图，可见低温辅助超声表面滚压的材料具有较大的残余应力，且影响的深度较大。说明低温辅助超声表面滚压在材料表层产生了较大的塑性变形，且变形层的厚度较大。这对于提高材料的耐磨性和抗疲劳性能有很大的帮助。
相对于为常温的超声滚压加工，低温辅助的超声滚压加工后的材料表层具有较好的晶粒细化效果和较厚的变形层，且在同一温度和载荷下的两次超声滚压会增加晶粒细化的效果和变形层的厚度。
上述实施方式只是本发明的一个实例，不是用来限制发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。
Claims (7)
1.一种低温辅助超声表面滚压强化装置，其特征在于：它由设有夹持把手的表面滚压构件(1)、加载构件(2)及加热构件(3)组成，所述加载构件(2)装在表面滚压构件(1)尾端，于加载构件(2)端面上依次安装弹簧(4)、压力传感器(5)、挡板(6)、换能器(7)、变幅杆(8)，所述变幅杆(8)经导向套(9)安装一前端装有滚轮(11)的滚压头(10)；所述表面滚压构件(1)外侧连接一超声波发声器(12)；所述的加热构件(3)设有温控器(13)、以及由其连接控制的加热丝(14)。
2.根据权利要求1所述的低温辅助的超声滚压表面强化装置，其特征在于，所述的滚压头(10)上设有一个与滚轮(11)轴孔联通的润滑孔(15)。
3.根据权利要求1所述的低温辅助的超声滚压表面强化装置，其特征在于，所述的加热构件(3)为一个能套装于加工工件外圆上两半圆构件，外部包覆有由硅酸铝纤维材料制作的保温层(16)。
4.根据权利要求1所述的低温辅助的超声滚压表面强化装置，其特征在于，所述的滚轮(11)为椭圆形滚柱，硬度为HRC68～72，与被加工工件之间为线接触。
5.根据权利要求1所述的低温辅助的超声滚压表面强化装置，其特征在于：所述的温控器(13)具有较好的控制精度，误差范围为±5℃。
6.一种使用权利要求1所述低温辅助超声滚压表面强化装置的加工方法，其特征在于：该加工方法按以下步骤进行，
步骤一、安装固定工件于卧式车床卡盘上；将表面滚压构件(1)固定于车床刀架，并将滚压头(10)的滚轮(11)与工件对中；
步骤二、将加热构件(3)套装于被加工工件上，通过温控器(13)设定加热构件(3)的加热温度、保温时段；
步骤三、调整径向进给量，启动换能器(7)、超声波发声器(12)，通过加载构件(2)施加滚压载荷；
步骤四、加热构件(3)温度达到预定温度、且保温一段时间后，即可对工件进行表面超声滚压强化处理。
7.根据使用权利要求6所述低温辅助超声滚压表面强化装置的加工方法，其特征在于：该加工方法的工艺参数为：换能器(7)滚压输出超声振幅为5～20μm，轴向进给量为0.05～2mm/rev，工件的旋转速度为20～150rpm，低温辅助加热构件(2)的加热温度为50～150℃，温控制器的误差为±5℃，滚压载荷为300N～900N，超声波振动频率为20kHz～40kHz。
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