[發明專利]一種提高金屬工件疲勞壽命的超聲強化方法及其應用

有效

• 申請號: 201610128715.4
• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN105734233B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 趙輝;張德遠;趙顯華;王愛福;謝祥科;趙志明;劉秀娟
• 申請（專利權）人: 山東華云機電科技有限公司
• 主分類號: C21D7/04
• 分類號: C21D7/04;C21D1/04;B23P9/04
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙)11613
• 代理人: 齊勝杰

技術領域

本發明涉及一種提高金屬工件疲勞壽命的超聲強化方法及其應用，屬于超聲加工技術領域。

背景技術

疲勞壽命，是指材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環數。金屬工件的疲勞損傷發生在受交變應力(或應變)作用的零件和構件中，零件和構件在低于材料屈服極限的交變應力(或應變)的反復作用下，經過一定的循環次數以后，在應力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。

在機械加工過程中，常通過不同的處理方法來提高金屬工件的疲勞壽命，目前提高金屬工件疲勞壽命的方法主要有：1、選用抗疲勞的材料，如合金鋼；2、采用鍛造工藝；3、采用熱處理工藝；4、避免和減緩零件應力集中，采用去毛刺、邊緣倒角、彎角處用圓角過渡是減小應力集中的有效方法；5、預置壓應力；6、注意軋材、鍛材等的纖維方向和主要受力方向應一致，因為在垂直纖維方向承載強度會下降20％左右；7、降荷，降溫、潤滑設計；8、盡可能采用對稱結構，避免帶有偏心的結構，在不對稱處應注意局部彎曲引起的應力；9、注意材料的抗腐蝕性能；10、結構件應盡可能減少開口，特別在受拉表面盡量不開口；11、盡可能地減少或消除零件表面可能發生的初始裂紋。

超聲波強化技術是利用激活能和沖擊能的復合能對金屬零件進行加工，從而獲得鏡面零件及表面改性的一種新型加工技術。超聲波強化技術的實質是將超聲波能轉化為機械能，利用金屬在常溫下冷塑性的特點，對金屬零部件表面進行高頻敲擊，使金屬零部件表面達到更理想的表面粗糙度要求，提高零件表面的顯微硬度，耐磨性及耐腐蝕性。

中國專利文獻CN102002581A公開了一種超聲沖擊消除焊接中殘余應力的方法，該方法主要利用超聲沖擊裝置，該裝置包括超聲波發生器、聲學系統和機架，超聲波發生器和聲學系統設置在機架上，聲學系統具有換能器，通過超聲波發生器將電網上50Hz工頻交流點轉變成超聲頻的20kHz交流電，用以激勵聲學系統的換能器，聲學系統的換能器將電能轉換成相同頻率的機械振動，在400～800℃的溫度下，將上述超聲頻的機械振動傳遞給工件上的焊縫，使焊縫部位表面產生足夠深度的塑變層，在一定程度上提高了焊縫疲勞壽命。

中國專利文獻CN102560078A提供了一種鋼鐵材料表面納米化的方法，采用去除材料的方式將待處理工件表面粗糙化，使表面粗糙度Ra控制在6.0-7.0μm之間；將經表面粗糙化的待處理工件安裝于機床主軸上，采用超聲波表面強化處理裝置對待處理工件沿軸向等速密排處理。表面納米化處理對機車車輪輪緣的綜合作用，增加機車車輪輪緣的表面硬度，降低機床車輪輪緣的粗糙度；增加機車車輪輪緣的磨損抗力；晶粒逐漸變小，形成從基體到表面的梯度結構，具有均勻的殘余壓應力層，提高疲勞壽命。

本申請旨在尋求一種超聲強化方法，利用該超聲強化方法能夠使金屬工件表面產生理想的壓應力，且利用該超聲強化方法能夠控制在金屬工件表面形成的壓應力大小，最終通過在金屬工件表面形成合適的壓應力來提高金屬工件的疲勞壽命。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種提高金屬工件疲勞壽命的超聲強化方法。

本發明還提供一種提高金屬工件疲勞壽命的超聲強化方法的應用。

本發明的技術方案如下：

一種提高金屬工件疲勞壽命的超聲強化方法，將金屬工件裝夾在超聲波加工機床上，利用超聲波加工刀具對金屬工件表面進行超聲加工，超聲加工的參數為：線速度為2-120m/min，進給量為0.08-1.7mm/r，超聲波加工刀具對待加工表面的壓力為50-3000N。

優選的，超聲加工的參數為：線速度為20-60m/min，進給量為0.2-0.5mm/r，超聲波加工刀具對待加工表面的壓力為600-1800N。

優選的，超聲加工的次數為1～3次。

優選的，超聲加工的振幅為5-25μm。

進一步優選的，超聲加工的振幅為6-8μm。

優選的，所述金屬工件包括軸承、航空發動機葉片、機車車輪、車軸和抽油桿。

優選的，利用超聲波加工刀具對軸承進行超聲加工，即利用超聲波加工刀具對軸承的外圈滾道，內圈滾道和滾動體進行超聲加工，超聲加工的參數為：線速度2-100m/min，進給量為0.08-0.8mm/r，超聲波加工刀具對待加工表面的壓力為300-2400N。

進一步優選的，利用超聲波加工刀具對軸承的外圈滾道，內圈滾道和滾動體進行超聲加工，超聲加工的參數為：線速度3.08m/min，進給量為0.08mm/r，超聲波加工刀具對待加工表面的壓力為1500N。