[發(fā)明專利]液壓式超聲表面納米化裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510580474.2
• 申請日: 2015-09-14
• 公開（公告）號: CN105063340B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金江;曹小建;蔣泉;劉云平;丁華建;成軍
• 申請（專利權(quán)）人: 南通大學(xué)
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 南通市永通專利事務(wù)所32100
• 代理人: 葛雷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超聲表面納米化裝置。

背景技術(shù)

工程金屬材料在各種工程中用途廣泛、用量巨大。在服役時,材料的破壞和失效一般始于表面,如磨損、疲勞斷裂等，因而提高材料的表面性能可以延長材料的服役壽命。試驗(yàn)研究顯示，只要在材料表面制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實(shí)現(xiàn)表面納米化，就可以通過表面性能的優(yōu)化提高材料的整體性能。在現(xiàn)階段，材料表面納米化有表面涂層或沉積、表面自身納米化等方法。表面涂層或沉積方法是利用其它納米粉體制備技術(shù)獲得具有納米尺度的顆粒，再將此顆粒固結(jié)在材料的表面，形成一個與基體化學(xué)成分相同或不同的納米結(jié)構(gòu)表層。這種方法的主要特征是表層納米晶大小較均勻，晶粒尺寸可控，但表層與基體之間存在著明顯的界面，且材料的外形尺寸較處理前有所增加。表面自身納米化方法是采用特殊處理方法使金屬材料粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級。這種處理方法的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大，納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒有明顯的界面，處理前后材料的外形尺寸基本不變。實(shí)現(xiàn)表面納米化的一種重要方法是表面機(jī)械處理法，其主要特點(diǎn)是使外加載荷以不同的方向重復(fù)地作用于材料的表面，以使材料表面的晶粒通過不同方向的強(qiáng)烈塑性變形而逐漸細(xì)化到納米量級。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，方便實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化的液壓式超聲表面納米化裝置。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種液壓式超聲表面納米化裝置，其特征是：包括內(nèi)帶活塞的液壓缸，液壓缸通過油路與油泵連接；活塞下端與壓電陶瓷堆接觸，壓電陶瓷堆下端設(shè)置超聲壓頭；所述超聲壓頭包括圓形基座，圓形基座上裝多根陣列排列的圓桿，每個圓桿的底部用固定帽固定一個碳化鎢合金圓球，碳化鎢合金圓球在金屬工件表面進(jìn)行撞擊和碾壓。

在油路上設(shè)置油壓表。壓電陶瓷堆與功率放大器連接，功率放大器與信號發(fā)生器連接。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：采用鋼筒油壓活塞式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、制作簡易、成本低廉；通過油泵控制油缸內(nèi)的油壓，繼而控制超聲壓頭壓迫在材料表面的常壓力；通過壓電陶瓷堆實(shí)現(xiàn)超高頻振動，帶動超聲壓頭實(shí)現(xiàn)超聲撞擊，超高頻振動可以通過信號發(fā)生器方便調(diào)節(jié)，超聲撞擊實(shí)現(xiàn)方式簡單、可靠；裝置安裝方式簡單、實(shí)用，通過車床的走刀裝置固定油缸的位置，工件可由車床實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動；對金屬構(gòu)件進(jìn)行表面納米化處理，消耗能源（用電）較少，不產(chǎn)生任何遺留物，對環(huán)境無任何污染。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是超聲壓頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

一種液壓式超聲表面納米化裝置，包括內(nèi)帶活塞5的液壓缸6，液壓缸通過油路與油泵7連接；活塞下端與壓電陶瓷堆2接觸，壓電陶瓷堆下端設(shè)置超聲壓頭1；所述超聲壓頭包括圓形基座9，圓形基座上裝多根陣列排列的圓桿10，每個圓桿的底部用固定帽11固定一個碳化鎢合金圓球12，碳化鎢合金圓球在金屬工件8表面進(jìn)行撞擊和碾壓。

在油路上設(shè)置油壓表13。壓電陶瓷堆與功率放大器3連接，功率放大器與信號發(fā)生器4連接。

工作過程（實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化的方法）：

油缸通過油路和油泵聯(lián)接，通過油泵注油或放油，可以調(diào)節(jié)油缸內(nèi)的油壓，由油壓表顯示，并推動活塞運(yùn)動。活塞和一壓電陶瓷堆連接，而壓電陶瓷堆和特別設(shè)計(jì)的壓頭聯(lián)接。基于壓電效應(yīng)，在外加電壓作用下，壓電陶瓷堆在縱向產(chǎn)生變形（伸縮）。在交變電壓下，壓電陶瓷堆產(chǎn)生縱向振動。市場銷售的商品壓電陶瓷堆，響應(yīng)頻率可達(dá)20kHz，標(biāo)稱位移（振幅）可達(dá)60μm，最大推力20000N。壓電陶瓷堆和功率放大器、信號發(fā)生器通過電路聯(lián)接。在對工件進(jìn)行材料表面納米化處理時，油缸可放置在機(jī)床的走刀裝置上，移動走刀裝置，使油缸運(yùn)動到一個適當(dāng)位置，這時超聲探頭和工件表面接近接觸。固定走刀裝置（油缸）位置，然后開啟油泵，向油缸注油，按照油壓表指數(shù)，使油缸內(nèi)油壓處于設(shè)定值，這時超聲壓頭將以設(shè)定的常力壓在工件表面。信號發(fā)生器產(chǎn)生的超高頻交變電壓信號（超聲信號），經(jīng)功率放大器放大后，施加在壓電陶瓷堆上，使其產(chǎn)生超聲振動，帶動超聲壓頭以超聲頻率撞擊工件表面。在超聲撞擊的同時工件旋轉(zhuǎn)，這時超聲壓頭中的碳化鎢圓球除了撞擊還碾壓工件表面，使工件材料表面的晶粒通過不同方向的強(qiáng)烈塑性變形而逐漸細(xì)化到納米量級，實(shí)現(xiàn)材料表面納米化。