[發明專利]一種基于電液伺服控制的零件表面定量納米化設備

無效

• 申請號: 201110244408.X
• 申請日: 2011-08-20
• 公開（公告）號: CN102329937A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 李禮
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍裝甲兵工程學院
• 主分類號: C21D7/06
• 分類號: C21D7/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明屬于金屬表面強化領域。?

二、背景技術

在服役環境下，零件的失效多始于表面。零件的疲勞、腐蝕、磨損對零件材料的表面結構和性能很敏感。因此就可以通過表面組織和性能的優化提高零件的整體性能和服役行為。隨著納米結構和納米技術的不斷發展，納米材料獨特的結構和優異的性能為新一代高性能材料的設計、開發提供了材料和設計基礎。1999年我國的盧柯院士首先提出了表面納米化的概念，即在材料表面形成具有納米結構的表面層，通過表面組織和性能的優化使金屬材料表面得到強化，提高材料的整體力學性能和服役行為從而實現納米材料和納米技術在工程實際中的應用。根據表面納米化層的形成機制，金屬材料表面納米化可分為三種類型：?

(1)表面涂層或沉積納米化?其基本原理是將制備好的納米顆粒或納米顆粒與涂覆材料的復合層固化在材料的表面。這種表面納米結構層層內晶粒大小比較均勻，表層與基體之間存在明顯界面，零件的外形尺寸有所增加。?

(2)表面自身納米化?這種方法主要采用非平衡處理方法增加多晶體金屬表面的自由能，從而使材料表面的粗晶組織逐漸細化至納米量級。材料的整體化學成分和零件的外形尺寸基本保持不變，納米結構表層和基體之間沒有明顯界面。目前，由非平衡法實現表面自身納米化主要有兩種方法：非平衡熱力學法和表面機械加工法。?

(3)混合表面納米化?這種表面納米化方法首先使材料表面自身納米化，然后利用化學熱處理技術使材料表層形成與基體成分不同的固溶體或化合物。?

表面自身納米化采用常規的表面處理技術或對常規的技術進行改造即可實現，不存在技術上的困難。表面層的組織結構沿厚度方向呈梯度變化沒有明顯界面，不需要考慮與基體結合力的問題，在使用過程中不會發生剝落和分離。這種表面納米化技術，既克服了目前三維大尺寸納米晶體材料制備的技術困難，又將納米材料的優異性能應用到了傳統工程材料的表面改性技術中。這種方法既適合材料的整體又適合于材料的局部改性。因此該技術制備的結構材料具有很高的開發應用潛力和工業應用價值。?

理論上，能夠使材料表面產生多方向強烈塑性變形的表面機械處理技術，都具有實現表面自身納米化的潛力。目前已報道的技術主要有：噴丸、滾壓、錘擊、機械研磨法、超聲沖擊、超音速噴丸、超音速微粒轟擊等。由于表面機械處理方法在工業應用上不存在明顯的技術障礙，目前表面自身納米化的研究主要集中在這種方法。本發明所采用的納米化方法也是一種機械處理方法，通過超聲沖擊使零件表層材料細化至納米量級。?

現有的表面機械處理技術雖然能夠實現材料表面的自身納米化，但是由于其工藝參數眾多，而且往往缺乏對處理工藝參數的有效控制，因此缺少一種有效的方法能夠定量控制納米化的程度。對于噴丸和超音速微粒轟擊等技術來說，由于依靠大量的全覆蓋重復打擊來實現比較均勻的處理效果(例如殘余應力、晶粒尺寸、加工硬化等)，因此可重復性和可控制性較差。一般不適用于僅需在零件的部分表面實現表面納米化甚至需要優化和控制納米化程度的情況。?

影響超聲沖擊處理效果的工藝參數主要有超聲振動的頻率(一般為10kHz-30kHz)、輸出振幅、工具頭直徑和靜壓力等。對于某一特定的超聲沖擊裝置來說，超聲振動的頻率、輸出振幅、工具頭直徑往往是保持不變的。靜壓力使工具頭與待加工零件表面保持接觸并使得超聲振動達到諧振狀態以實現最佳處理效果，因而是對超聲沖擊的效果起到重要影響的關鍵工藝參數。現有的施加靜壓力的方法均是通過彈簧來實現的，靜壓力的大小可以通過百分表來監測，因此具有成本低等優點。但是，由于彈簧的響應頻率相對較低，因此在遇到待加工零件表面尺寸突變時不能及時響應；百分表只能起到監測作用，不能結合實際載荷情況對彈簧力實現反饋控制，也不能記錄數據。?

三、發明內容

本發明的目的是解決現有的超聲沖擊等表面機械處理技術的納米化效果可控性不好和重復性較差的問題。由超聲沖擊設備和電液伺服控制設備兩大部分組成，通過液壓缸施加超聲沖擊的靜壓力即液壓加載力，通過電液伺服控制裝置對超聲沖擊過程中液壓加載力的實時反饋和精確控制，實現對納米化程度的定量控制；超聲沖擊設備安裝在車床或銑床上使用，實現納米化區域的定量控制。?

1、系統構成?

該裝置由超聲波發生器1、換能器2、變幅桿3、工具頭4、夾具5、內套筒6、外套筒7、液壓缸8、油管9、壓力傳感器10、上位機11、帶ECU的下位機12、電液伺服閥13、液壓站14等組成。其中1-6組成了超聲沖擊裝置；7-14組成了對液壓加載力實現實時伺服精確控制的電液伺服控制裝置。?