[發(fā)明專利]基于電磁感應加熱和表面急速冷卻的金屬件表面殘余應力優(yōu)化方法及裝置

在審

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• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN112080612A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發(fā)明（設計）人: 孟龍暉;方成剛;張浩;洪榮晶;黃筱調(diào);王華
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學;南京工大數(shù)控科技有限公司
• 主分類號: C21D1/10
• 分類號: C21D1/10;C21D1/74;C21D9/00
• 代理公司: 北京卓嵐智財知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 11624
• 代理人: 蔣真

本發(fā)明公開一種基于電磁感應加熱和急速冷卻的金屬加工件表面殘余應力的優(yōu)化方法及裝置，其屬于機械加工領(lǐng)域。本發(fā)明通過電磁感應加熱的方式，對零件進行緩慢加熱，使得零件內(nèi)部的溫度分布較為均勻，不至于由于溫度梯度過大而造成局部材料的塑性變形，在將零件緩慢加熱到一定的溫度后，通過液氮對零件的外表面進行急速冷卻，使得外層材料受冷急劇收縮，同時受到內(nèi)層材料的阻礙作用而產(chǎn)生拉應力，使得外層材料發(fā)生拉伸塑性變形，從而使得體積變大，將零件持續(xù)冷卻至常溫，最終由于表面材料的變大而受到內(nèi)層材料的壓縮作用，最終使得外表層材料形成殘余壓應力，從而提高零件的疲勞壽命和耐腐蝕等諸多方面的性能。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種基于電磁感應加熱和表面急速冷卻的金屬件表面殘余應力優(yōu)化方 法及裝置，其屬于機械工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

伴隨著工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，其對機械加工件的加工質(zhì)量和加工件的可靠性要求也 越來越高。對于金屬加工件，其表面殘余應力的分布會嚴重影響到零件的疲勞壽命，耐腐蝕性以及抗裂紋等諸多方面的性能，如何能使得金屬加工件表面的殘余應力的分布進行有效優(yōu)化從而使得其諸多方面的性能得到的提高，是制造業(yè)和相關(guān)科研人員一直在努力解決的問題。傳統(tǒng)的方法主要包括加工過程中進行優(yōu)化和后續(xù)優(yōu)化兩個方面，其中加 工過程中的優(yōu)化主要考慮優(yōu)化加工參數(shù)，如改變切削參數(shù)，采用要求嚴格的冷卻劑以及 特定的刀具等，相應的優(yōu)化過程難以同時兼顧加工效率和加工表面質(zhì)量(如粗糙度等)， 不僅如此，過于苛刻的冷卻劑會大大提高相應的制造成本；后續(xù)優(yōu)化主是在前期的制造 完成后為了優(yōu)化相應的應力分布而附加的優(yōu)化工序，主要有噴丸、超聲沖擊、滲氮、滲 碳等，雖然噴丸和超聲沖擊方法可以顯著改善零件表面的殘余應力分布，可以獲得較大 的殘余壓應力，但是相應的處理會對零件表面粗糙度產(chǎn)生嚴重的影響，其往往并不適合 于高精度場合，而滲氮、滲碳處理往往對表面殘余應力的改善效果不明顯，有點時候可 以說是微乎其微，甚至會對環(huán)境產(chǎn)生污染，而目前的超聲振動時效處理可以大大降低零 件內(nèi)部的殘余壓應力，但是其完全無法形成較大的殘余壓應力分布，可以說其優(yōu)化效果 非常有限，只能降低有害的應力，而無法形成有利的應力。

傳統(tǒng)的金屬件在制造加工過程中由于諸多因素的共同作用，往往會在零件表面形成 殘余拉應力，對零件的疲勞壽命和耐腐蝕性都會產(chǎn)生重要的負面影響。

對于已加工金屬件，目前需要一個低成本、高效、無污染且不會對零件的表面精度產(chǎn)生負面影響的優(yōu)化方法，目前的技術(shù)領(lǐng)域中并未見有相應的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明所要解決的問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于電磁感應加熱和表 面急速冷卻的金屬件表面殘余應力優(yōu)化方法及裝置，實現(xiàn)了金屬加工件表面殘余應力的 低成本、高效、無污染且不會對零件的表面精度產(chǎn)生負面影響的優(yōu)化方法

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于電磁感應加熱和表面急速冷卻的金屬件表面殘余應力優(yōu)化方法，其特征在 于：對于金屬件的加熱過程，其包括如下步驟：

步驟S1、根據(jù)不同的金屬工件具體材料和需要達到的優(yōu)化效果，確定不同的電磁感 應加熱最終溫度和冷卻劑；

步驟S2、將零件置入感應線圈中，在加熱前先打開保護氣體；

步驟S3、根據(jù)所設定的加熱最高溫度進行分階段加熱，待金屬工件內(nèi)外均勻達到第 個階段的溫度后，再增大電磁感應器的功率，將金屬工件均勻加熱到第二個階段的溫度；

步驟S4、重復以上步驟S1-步驟S3，最終使得金屬工件的內(nèi)外溫度趨于一致并達到指定的最終的溫度值；

步驟S5、將金屬工件迅速放入流動中的冷卻劑中，將金屬工件急速冷；

步驟S6、待金屬工件完全冷卻后，取出零件，至此，零件表面應力優(yōu)化完畢。

所述步驟S1中電磁感應裝置配備相應的聚能器。從而起到節(jié)約能耗的效果。