[發(fā)明專利]對(duì)金屬工件施加多種物理場(chǎng)并輔助超聲滾壓的表面強(qiáng)化裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110048747.4
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN112877522B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李宇罡;王浩偉;陳東;耿繼偉;夏存娟;汪明亮;李險(xiǎn)峰;吳一;馬乃恒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué);安徽相邦復(fù)合材料有限公司
• 主分類號(hào): B23P9/02
• 分類號(hào): B23P9/02;C21D7/04;C21D1/04;C21D11/00;C21D1/10;C22F1/00
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31227
• 代理人: 劉宗磊

本發(fā)明提供了一種對(duì)金屬工件施加多種物理場(chǎng)并輔助超聲滾壓的表面強(qiáng)化裝置及方法，將金屬工件夾持在兩個(gè)主軸箱的旋轉(zhuǎn)輸出軸之間，通過對(duì)金屬工件施加彈性應(yīng)力場(chǎng)、熱場(chǎng)、超聲滾壓后，噴射深冷介質(zhì)至金屬工件表面以施加深冷場(chǎng)，使金屬材料的表面殘余壓應(yīng)力水平和峰值殘余壓應(yīng)力水平更高，殘余壓應(yīng)力影響層更深，進(jìn)而提高金屬材料的疲勞性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬表面機(jī)械強(qiáng)化領(lǐng)域，具體地說，涉及的是一種對(duì)金屬工件施加多種物理場(chǎng)并輔助超聲滾壓的表面強(qiáng)化裝置及方法。

背景技術(shù)

對(duì)金屬材料疲勞性能產(chǎn)生最重要影響的因素之一是殘余應(yīng)力。其中，殘余壓應(yīng)力可以部分甚至全部抵消拉伸外載，閉合微裂紋，抑制疲勞裂紋源形成，延緩疲勞裂紋擴(kuò)展，從而提高金屬構(gòu)件疲勞性能。超聲滾壓是一種先進(jìn)的機(jī)械表面強(qiáng)化方法，可在金屬構(gòu)件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，提高其疲勞性能。超聲滾壓產(chǎn)生的表層殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的重要指標(biāo)包括表面殘余壓應(yīng)力水平、峰值殘余壓應(yīng)力水平和殘余壓應(yīng)力影響層深度。

現(xiàn)有超聲滾壓強(qiáng)化方法存在一定的局限性，所產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力和峰值殘余壓應(yīng)力水平偏低，殘余壓應(yīng)力影響層較淺，無法最大限度提升金屬材料的疲勞性能，因而需要尋求更完善的超聲滾壓表面強(qiáng)化方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種對(duì)金屬工件施加多種物理場(chǎng)并輔助超聲滾壓的表面強(qiáng)化裝置及方法，所述金屬工件為圓柱狀工件，所述表面強(qiáng)化裝置包括：

雙主軸同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，所述雙主軸同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括對(duì)稱布置的兩個(gè)主軸箱，以及位于兩個(gè)主軸箱之間的同步運(yùn)動(dòng)基座，兩個(gè)主軸箱的輸出軸通過同步皮帶與同一根可伸縮同步軸相連，在兩根輸出軸相對(duì)一端均配置有夾緊裝置；

超聲滾壓系統(tǒng)，安裝在所述同步運(yùn)動(dòng)基座上并位于金屬工件的一側(cè)，同步運(yùn)動(dòng)基座用于帶動(dòng)超聲滾壓系統(tǒng)沿金屬工件軸向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所述超聲滾壓系統(tǒng)包括有一可徑向靠近 /遠(yuǎn)離所述金屬工件的超聲滾壓頭；

彈性應(yīng)力場(chǎng)加載裝置，包括橫移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及固定在兩個(gè)夾緊裝置上的環(huán)狀?yuàn)A具，兩個(gè)所述環(huán)狀?yuàn)A具相對(duì)的一端設(shè)有安裝孔，金屬工件軸向的兩端固定在兩個(gè)環(huán)狀?yuàn)A具的安裝孔內(nèi)，橫移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)第一主軸箱做遠(yuǎn)離第二主軸箱的水平橫移，對(duì)所述金屬工件按設(shè)定的應(yīng)力水平做拉拔處理，進(jìn)而對(duì)金屬工件施加彈性應(yīng)力場(chǎng)；

熱場(chǎng)加載裝置，所述熱場(chǎng)加載裝置設(shè)有位于超聲滾壓頭兩側(cè)的對(duì)金屬工件中間部位加熱的加熱器，加熱器與反饋調(diào)節(jié)控制器相連，所述反饋調(diào)節(jié)控制器用于實(shí)時(shí)控制所述加熱器的加熱功率使加熱部位升溫后維持在指定溫度。

深冷場(chǎng)加載裝置，所述深冷場(chǎng)加載裝置設(shè)置有上下兩組對(duì)稱設(shè)置的噴頭，每組噴頭用于向金屬工件徑向噴射深冷介質(zhì)，所述深冷介質(zhì)為超臨界二氧化碳、液氮或液氦中的一種。

進(jìn)一步的，在第一主軸箱上固定有一用于驅(qū)動(dòng)所述可伸縮同步軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸伺服電機(jī)；

第三基座安裝在第二主軸箱上。

進(jìn)一步的，橫移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置有一套水平驅(qū)動(dòng)裝置與第一主軸箱相連，所述水平驅(qū)動(dòng)裝置包括有液壓驅(qū)動(dòng)裝置和活塞桿，其中，液壓驅(qū)動(dòng)裝置上安裝有油壓閥，液壓驅(qū)動(dòng)裝置通過活塞桿與主軸箱相連；

兩個(gè)主軸箱均安裝在床身的滑軌上。

進(jìn)一步的，兩組噴頭安裝在支架的一端，所述支架的另一端固定在第三基座上，每組噴頭均包含有多個(gè)噴嘴，同一噴頭上的多個(gè)噴嘴沿金屬工件的軸線分布；

所述第三基座上設(shè)置有若干呈矩陣式分布的螺紋孔，所述支架的另一端在所述第三基座上的位置可調(diào)。

進(jìn)一步的，所述超聲滾壓頭沿所述金屬工件徑向方向靠近/遠(yuǎn)離所述金屬工件。

進(jìn)一步的，夾緊裝置為爪盤，

環(huán)狀?yuàn)A具為截面呈“T”型的套筒，前端設(shè)置有所述安裝孔，后端設(shè)置有固定在所述爪盤中心孔內(nèi)的凸臺(tái)。