CN109777947A - 一种基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法和制备装置，所述装置包括超声冲击枪、超声冲击枪控制柜、超声冲击枪专用夹具、不锈钢工件专用夹具、大理石龙门架、XY轴整体运动平台、Z轴运动平台、三轴运动控制器、压力显示器，其中：超声冲击枪安装在位于Z轴运动平台上的超声冲击枪专用夹具上；不锈钢工件安装在位于XY轴运动平台上的不锈钢专用夹具上；Z轴运动台固定在大理石龙门架上；超声冲击枪控制柜与超声冲击枪相连；三轴运动控制器分别与XY轴整体运动平台和Z轴运动平台连接；不锈钢工件专用夹具带有压力传感器，压力显示器与压力传感器相连。该装置结构简单，加工精度高，加工可控性好，成本低，对环境无污染。

Description

一种基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法和制备装置

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法和制备装置。

背景技术

功能表面微结构是指具有特定功能的微小表面拓扑形状，如凹槽、微透镜阵列等，其具有超疏水、陷光、减阻减摩、降噪等功能特性，因此，具有重要的实际应用价值。当前，通过制备功能表面微结构来提高不锈钢的摩擦磨损性能的研究工作得到了国内外学者和工业界的广泛关注。

不锈钢由于具有良好的耐蚀性能在工程领域得到了广泛的应用。但由于不锈钢耐磨性较差，极大地制约着其应用性能。为了提高不锈钢的耐磨性能，许多学者在不锈钢表面进行了各种处理和强化研究。但是传统表面改性工艺会影响不锈钢的耐蚀性，而先进工艺成本较高，且硬的耐磨层缺乏足够的韧性，在冲击条件下容易与基体剥离，限制了其作为整体材料的应用。

近年来采用表面仿生织构来增加功能表面耐磨性是一项重要的技术应用。高性能的表面织构可以实现良好的减摩、抗粘附并提高耐磨性，因此，在不锈钢表面制备仿生织构可有效提高不锈钢工作表面的耐磨性，拓宽其实际工业应用领域。

然而，如何在不锈钢表面制备耐磨性高的高性能表面织构是一项关键之处。目前，制备表面织构的方式主要有机械加工、能量束法、化学刻蚀等，其中激光微加工法以其应用材料范围广、高精度、高效、对环境无影响等优势而被广泛应用。然而，在制备具有微纳米尺度的表面仿生织构时，激光加工仍存在如下不足之处：激光加工中存在的翻边和毛刺导致其精密加工精度不高，难以精确控制织构的几何形态；高能激光辐照引起金属表面损伤和金相组织变化，影响织构的物理和机械性能；用于制备微纳尺度仿生织构的激光器成本较高。相比于激光加工，超精密机械加工方法如金刚石切削加工技术具有加工结构复杂、加工精度高、亚表面损伤低、加工成本低等优势，已被证实为制备仿生表面织构的一种高效、高精度加工手段。特别地，为了降低由于铁-碳之间热扩散导致的金刚石刀具磨损，目前国内外学者普遍采用高频椭圆振动金刚石切削方法来制备不锈钢表面织构。然而，这种基于椭圆振动的金刚石切削方法需要在超精密加工机床上结合特定的椭圆振动设备来开展，对加工设备和加工工艺提出了极高要求。因此，需要寻找一种低成本地实现不锈钢表面高精度微结构加工的高效制备技术。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法和制备装置。该装置结构简单，加工精度高、成本低，使用该方法加工可控性好，工件表面质量高，对环境无污染，可在材料微结构加工技术等领域广泛推广。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置，包括超声冲击枪、超声冲击枪控制柜、超声冲击枪专用夹具、不锈钢工件专用夹具、大理石龙门架、XY轴整体运动平台、Z轴运动平台、三轴运动控制器、压力显示器，其中：

所述超声冲击枪安装在超声冲击枪专用夹具上；

所述超声冲击枪专用夹具安装在Z轴运动平台上；

所述不锈钢专用夹具安装在位于XY轴整体运动平台上；

所述超声冲击枪的冲击头轴线与不锈钢专用夹具上安装的不锈钢工件平面垂直；

所述Z轴运动台固定在大理石龙门架上；

所述大理石龙门架和XY轴整体运动平台固定在水平减振台面上；

所述超声冲击枪控制柜与超声冲击枪相连；

所述三轴运动控制器分别与XY轴整体运动平台和Z轴运动平台连接；

所述不锈钢工件专用夹具带有压力传感器，压力显示器与压力传感器相连。

一种利用上述装置进行不锈钢表面微织构加工的方法，包括如下步骤：

步骤1：利用上位机完成三轴运动控制器所需加工参数的设置；

步骤2：将不锈钢工件装夹在不锈钢工件专用夹具上，使不锈钢工件待加工表面平行于水平面；

步骤3：开启Z轴运动平台，使超声冲击枪的超声冲击头接触不锈钢工件来进行对刀，对刀结束，使Z轴运动平台停止；

步骤4：开启超声冲击枪控制柜开关，使超声冲击枪工作；

步骤5：先开启Z轴运动平台，实现Z方向设置好的进给量；然后开启XY轴整体运动平台，利用XY轴联动实现预设的轨迹要求；超声冲击枪的冲击头以万赫兹量级频率和微米量级振幅冲击不锈钢工件表面，通过永久塑性变形结合精密进给运动最终完成不锈钢工件表面微织构加工。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、对环境友好，加工质量高。本发明采用无材料去除的塑性变形加工方法，避免切屑和粉尘的产生。并且，相比于切削加工，对不锈钢样件的加工主要是依靠冲击头瞬时局部的冲击作用，故样件表面的宏观作用力较小，所加工的不锈钢样件变形更小，毛刺、压溃等加工缺陷明显减少，表面平整度高。同时，超声冲击改变了表层原有的应力场，在被处理表面可以产生有益的压应力。此外，在高能量冲击下金属表面温度极速升高又迅速冷却，使作用区表层金属组织发生变化，使冲击部位得以强化。在超声冲击表面处理的基础上，通过增加冲击头的振幅，可以在被处理材料表面产生永久的塑性变形来产生点状织构。

2、加工精度高，可控性好。本发明采用带压力传感器的不锈钢专用夹具，可以避免直接接触样件表面对刀产生的误差。同时，本发明采用高精度运动平台可通过运动控制器可加工路径、进给速度、进给量等参数进行精密调整，进而产生点、直线或曲线沟槽等复杂形状织构，从而实现高精度功能表面微结构的加工制备。并且，可通过超声冲击枪控制柜电流设置改变超声冲击枪的振动幅值。另外，装置配备有不同尺寸的球形冲击头，可以通过更换不同直径的冲击头来改变加工宽度，从而适用于不同孔格尺寸的不锈钢样件以及不同的加工需求。

3、装置结构简单，精度高，成本低。相比于其他技术制备不锈钢表面织构需要配备高精度机床来完成加工，本发明装置结构简单，易于拆装，并且操作方便，设置相应的参数便可完成超声冲击精密加工，可以认为本发明是一种低成本实现不锈钢表面高精度微结构加工的高效制备技术。

附图说明

图1为本发明基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置的结构示意图；

图2为超声冲击枪的结构示意图；

图3为不锈钢专用夹具示意图；

图4为本发明利用基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置进行加工过程的原理示意图；

图中：1为超声冲击枪；2为超声冲击枪控制柜；3为超声冲击枪专用夹具；4为不锈钢样件专用夹具；5为大理石龙门架；6为XY轴整体运动平台；7为Z轴运动平台；8为三轴运动控制器；9为压力显示器；10为超声冲击枪枪体；11为超声冲击动力输入端；12为螺纹孔；13为切削液流入口；14为切削液回油口；15为超声冲击头；16为夹具基体；17为压片；18为压紧螺钉；19为压力传感器；20为不锈钢工件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1~3所示，本发明提供的基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置包括超声冲击枪1、超声冲击枪控制柜2、超声冲击枪专用夹具3、不锈钢工件专用夹具4、大理石龙门架5、XY轴整体运动平台6、Z轴运动平台7、三轴运动控制器8、压力显示器9。其中：

所述超声冲击枪1螺纹连接在位于Z轴运动平台7上的超声冲击枪专用夹具3上。

所述不锈钢工件20安装在位于XY轴整体运动平台6上的不锈钢专用夹具4上，保证超声冲击枪4的超声冲击头15的轴线与不锈钢工件20平面垂直。

所述Z轴运动平台7螺纹连接在大理石龙门架5上。

所述大理石龙门架5和XY轴整体运动平台6分别通过其底座上的螺栓孔，由紧固螺栓固定在水平减振台面上，以保证加工过程装置的稳定性。

所述超声冲击枪控制柜2分别与超声冲击枪1的超声冲击动力输入端11、切削液流入口13和切削液回油口14相连，为超声冲击枪1提供超声波动力和加工时所需的切削液。

所述三轴运动控制器8分别与XY轴整体运动平台6和Z轴运动平台7连接，且XY两轴可以联动，以实现加工轨迹和运动参数的精密规划。

所述不锈钢工件专用夹具4带有压力传感器19，可作为对刀检测使用。

所述压力显示器9与压力传感器19相连，可显示对刀过程的压力。

如图3所示，所述不锈钢工件专用夹具4由夹具基体16、压片17、压紧螺钉18和压力传感器19组成，其中：

所述夹具基体16上设置有用于放置和固定不锈钢工件20的台阶面和用于放置压力传感器19的凹槽；

所述压片17经压紧螺钉18与夹具基体16的螺纹旋紧，可将不锈钢工件20压紧并使不锈钢工件20待加工表面平行于水平面；

所述压力传感器19与压力显示器9连接，用于显示对刀过程的压力。

如图4所示，超声冲击枪1的超声冲击头15以27000赫兹频率和微米量级振幅A冲击不锈钢工件20表面，通过永久塑性变形结合精密进给运动来实现不锈钢工件20表面微织构制备。其中加工深度△为Z轴运动平台7的进给量Z与超声冲击头15振幅A之和。V为水平方向的速度即XY轴合成速度，设定为匀速。

一种利用上述装置进行基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工的方法，具体实施步骤如下：

步骤1：利用上位机完成三轴运动控制器8所需加工参数的设置。对上位机加工参数的设置包括XYZ三轴的速度、进给量等运动参数的设置：Z轴运动平台7在未接触不锈钢工件20时以低于600 mm/min 的速度快速运动，在调整对刀及后续加工过程中，以低于60 μm/min微量进给，进给量低于10 μm；XY轴整体运动6平台以低于6 mm/min 速度微量进给。上位机设置还包括：根据不锈钢工件20所需不同几何构形微结构的要求，对运动轨迹的精密规划。

步骤2：将不锈钢工件20装夹在不锈钢工件专用夹具4上，旋转压紧螺钉18使压片17压紧不锈钢工件20并使不锈钢工件20待加工表面平行于水平面。

步骤3：开启Z轴运动平台7，使超声冲击枪1的超声冲击头15接触装夹在不锈钢工件专用夹具4的不锈钢工件20来进行对刀。对刀结束，使Z轴运动平台7停止。超声冲击头15接触不锈钢工件20过程中，调整Z轴进给量，不锈钢工件专用夹具上4的压力传感器19数值刚好维持不变，表明此时超声冲击头15刚好接触到不锈钢工件20表面。

步骤4：开启超声冲击枪控制柜2的超声波发生器开关和油泵开关，使超声冲击枪1工作。可通过超声冲击枪控制柜2将超声冲击枪1工作时的振动频率设定为27000赫兹，振动幅值在十微米范围内可调。

步骤5：开启Z轴运动平台7，实现Z方向设置好的进给量。另外再开启XY轴整体运动平台6，利用联动实现预设的轨迹要求。利用超声冲击枪1高频振动对不锈钢工件20进行塑性变形加工，最终完成不锈钢表面微织构制备。超声冲击枪1的超声冲击头15的轴线始终垂直于加工轨迹，且可根据加工需求更换不同直径的超声冲击头15；超声冲击头15高频振动对不锈钢工件20进行塑性变形加工，材料只发生弹性变形和塑性变形，表面织构是通过材料塑性流动的方式形成，在加工过程中没有材料去除；XY轴整体运动平台6和Z轴运动平台7的重复定位精度为1μm。

Claims (10)

1.一种基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置，其特征在于所述装置包括超声冲击枪、超声冲击枪控制柜、超声冲击枪专用夹具、不锈钢工件专用夹具、大理石龙门架、XY轴整体运动平台、Z轴运动平台、三轴运动控制器、压力显示器，其中：

所述超声冲击枪安装在超声冲击枪专用夹具上；

所述超声冲击枪专用夹具安装在Z轴运动平台上；

所述不锈钢专用夹具安装在位于XY轴整体运动平台上；

所述超声冲击枪的冲击头轴线与安装在不锈钢专用夹具上的不锈钢工件平面垂直；

所述Z轴运动台固定在大理石龙门架上；

所述大理石龙门架和XY轴整体运动平台固定在水平减振台面上；

所述超声冲击枪控制柜与超声冲击枪相连；

所述三轴运动控制器分别与XY轴整体运动平台和Z轴运动平台连接；

所述不锈钢工件专用夹具带有压力传感器，压力显示器与压力传感器相连。

2.根据权利要求1所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置，其特征在于所述超声冲击枪螺纹连接在超声冲击枪专用夹具上。

3.根据权利要求1所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置，其特征在于所述Z轴运动平台螺纹连接在大理石龙门架上。

4.根据权利要求1所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置，其特征在于所述大理石龙门架和XY轴整体运动平台分别通过其底座上的螺栓孔，由紧固螺栓固定在水平减振台面上。

5.根据权利要求1所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构制备装置，其特征在于所述超声冲击枪控制柜分别与超声冲击枪的超声冲击动力输入端、切削液流入口和切削液回油口相连。

6.一种利用权利要求1-5任一权利要求所述装置进行基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤1：利用上位机完成三轴运动控制器所需加工参数的设置；

步骤2：将不锈钢工件装夹在不锈钢工件专用夹具上，使不锈钢工件待加工表面平行于水平面；

步骤3：开启Z轴运动平台，使超声冲击枪的超声冲击头接触不锈钢工件来进行对刀，对刀结束，使Z轴运动平台停止；

步骤4：开启超声冲击枪控制柜开关，使超声冲击枪工作；

步骤5：先开启Z轴运动平台，实现Z方向设置好的进给量；然后开启XY轴整体运动平台，利用XY轴联动实现预设的轨迹要求；超声冲击枪的冲击头以万赫兹量级频率和微米量级振幅冲击不锈钢工件表面，通过永久塑性变形结合精密进给运动最终完成不锈钢工件表面微织构加工。

7.根据权利要求6所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法，其特征在于所述步骤1中，加工参数的设置包括：

（1）Z轴运动平台在未接触不锈钢工件时以低于600mm/min的速度快速运动，在调整对刀及后续加工过程中，以低于60μm/min 微量进给，进给量低于10μm；

（2）XY轴整体运动平台以低于6mm/min 速度微量进给；

（3）根据不锈钢工件所需不同几何构形微结构的要求，对运动轨迹的精密规划。

8.根据权利要求6所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法，其特征在于所述步骤3中，在超声冲击枪的超声冲击头接触不锈钢工件过程中，调整Z轴进给量，不锈钢工件专用夹具上的压力传感器数值刚好维持不变，表明此时超声冲击头刚好接触到不锈钢工件表面。

9.根据权利要求6所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法，其特征在于所述步骤4中，超声冲击枪工作时的振动频率设定为27000赫兹，振动幅值在十微米范围内可调。

10.根据权利要求6所述的基于超声冲击的不锈钢表面微织构加工方法，其特征在于所述步骤5中，超声冲击枪的超声冲击头的轴线始终垂直于加工轨迹，且可根据加工需求更换不同直径的冲击头；XY轴整体运动平台和Z轴运动平台的重复定位精度为1μm。