專利名稱：一種超聲表面滾壓加工納米化方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬表面處理技術領域，涉及一種超聲表面滾壓加工納米化 方法及裝置。
背景技術：
機械零部件和結構廣泛地應用在船舶、壓力容器、車輛、橋梁、海洋工 程、工程機械、航空航天、電力、冶金等重要領域，然而這些重要機械結構 和部件往往會因疲勞、蠕變、腐蝕、脆性斷裂、磨損等問題引起過早失效， 其中疲勞損傷、磨損和腐蝕問題較為常見。如由于提速，已使機械零部件疲勞問題成為影響鐵路行車安全和鋼軌使用壽命的重要傷損機制；再如軋鋼設 備中冷軋輥接觸疲勞損傷問題迄今也沒有得到妥善解決；而磨損問題在那些 存在動態接觸磨擦的機械裝備中廣泛存在并嚴重地影響它們的使用壽命。因 此，研究提高機械零部件抗疲勞、磨損和耐腐蝕性能的表面加工處理新方法， 用于保證機械裝備可靠地安全運行，延長其有效服役壽命，防止其過早失效， 具有重要的經濟和實用價值，有著廣闊應用前景。作為一種表面改性新方法，金屬表面自身納米化概念的提出是利用納米 金屬材料的優異性能，在傳統工程金屬材料表面制備出有納米晶體結構的表 面層，進而提高材料的綜合力學性能。該方法在工業應用上無根本性技術障 礙，且納米層與基體組織之間不存在明顯界面，因此不會發生剝層或分離。 迄今為止，人們提出了多種金屬表面自身納米化方法，已在純鐵、奧氏體不銹鋼、16MnR鋼、低碳鋼和銷合金等金屬表面獲得了納米層，其中以機械研磨法和超聲沖擊的研究較為廣泛。然而，由于這兩種方法最大的缺點是加工處 理后表面質量不夠理想，截止目前還很難應用于實際。在上述背景下，文獻"王東坡，宋寧霞，王婷，等人.納米化處理超聲金屬表面[J].天津大學學報，2007， 40 (2): 228-233.，，、 "Chang-Min Suh， Gi卜hoSong， Min-Soo Suh， et al. Fatigue and mechanical characteristicsof nano-structured tool steel by ultrasonic cold for'ging technology [J]. Materials Science and Engineering A, 2007, 443:101-106."公開 了一種技術方案，超聲表面擠壓和超聲冷鍛加工技術將靜壓力引入加工載荷 中，與動載進行配合，可同時獲得較厚的表面納米層和較為理想的表面光潔 度。但是，固定工作頭的加工方式，即工作頭與變幅桿輸出端剛性地連為一 體，使得加工過程中工作頭與機械零件表面處于滑動摩擦方式，由此帶來工 作頭極易磨損、壽命極低的致命缺點。即便工作頭釆用硬質合金材料加工制 作，對使用壽命的改善結果仍然無法達到長時間連續工作的實用要求。發明內容本發明的目的在于克服現有技術中工作頭與機械零件表面處于滑動摩擦方式，由此帶來工作頭極易磨損、壽命極低的致命缺點；提出了在超聲表面滾壓(USRP)加工納米化方法及裝置。一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，包括超聲波發生器和執行機構； 上述執行機構包括超聲換能器、超聲變幅桿和超聲工作頭；其特征在于，上述超聲工作頭為可滾動的球體。上述超聲波發生器釆用半數字或全數字化超聲波發生器，其作用是將工 頻交流電轉換為超聲頻振蕩，以供給沖擊槍工作頭能量。上述超聲換能器釆用磁滯伸縮換能器或壓電換能器，其作用是將高頻電 振蕩信號轉換成機械振動。在執行機構的底部可用彈簧為加工過程提高靜壓力。在執行機構的底部可用壓縮空氣為加工過程提高靜壓力，壓縮空氣還能 起到冷卻裝置的作用。對于鋼材或鈦合金以及鑄鐵、鎳基高溫合金等較硬金屬材料制造機械零 部件，超聲工作頭的滾動球體應選用球面半徑相對較小的工作頭， 一般在1~5mm的范圍內；球體材質可選用硬質合金、包括金屬化陶瓷在內的各種陶瓷、金鋼石、非晶態合金。對于鋁、銅合金、鎂合金等較軟金屬材料制造的機械零部件，超聲工作頭的滾動球體應選用球面半徑相對較大的工作頭， 一般在5 ~ 15mm的范圍內； 加工頭材質一般應為工具鋼或硬質合金。一種超聲表面滾壓加工納米化方法，包括如下步驟第一步參數選擇根據回轉體外形，確定機床縱向進給速率及卡具偏轉角度；機床主軸轉速設在200 ~ 700r/min的范圍內，當需要獲得較好的表面質 量時，選擇較低的主軸轉速；執行機構工作頭軸向進給量設在0.02-0. lmm/r左右的范圍內，當需要 獲得較好的表面質量時，選擇較低的軸向進給量；執行機構靜壓力為50 - 500N,當需要加深表面納米層深度和晶粒細化程度時，選擇較大的靜壓力；超聲表面加工處理工作頭輸出端振幅設為5 ~ 25微米； 第二步往復加工加工往返次數一般為2~15次，當需要加深表面納米層深度和晶粒細化 程度時，增加重復加工往返次數。使用超聲表面滾壓納米化方法應根據待加工材料的材質、表面質量要求 以及生產效率等因素來綜合選擇相應的工藝參數和工作頭材質以及尺寸。為 了保證經表面滾壓納米化加工后能夠獲得具有足夠尺寸精度的機械零部件， 還需要在粗加工時考慮預留一定的擠壓余量。此外，應根據加工材料的不同 選擇對應的潤滑液，減少工作頭與被加工處理工件之間的摩擦。超聲表面滾壓加工方法與超聲擠壓加工和超聲冷鍛加工等釆用固定加工 頭的加工技術相比，具有如下優點(1) 該裝置將加工頭設計為可滾動的球體，安裝在弧形變幅桿輸出端， 如圖1所示。該設計一方面利用滾動摩擦阻力和損耗均遠小于滑動摩擦的特 點，另一方面由于球體的滾動使得磨損部位不斷更換，保證了工作頭的表面質量，從而提高其使用壽命。加工實踐表明釆用滾動摩擦的USRP加工方法 與釆用滑動摩擦的超聲表面擠壓加工或超聲冷鍛加工技術相比，在大幅度提 高靜壓力和超聲振幅的前提下，加工頭仍然具有足夠的使用壽命。當選用相 同加工頭材質和加工參數時，滾動工作頭可以在保證加工質量的前提下工作 50~100個工作日(每個工作日連續工作8小時)；而固定工作頭連續工作30 分鐘，加工頭表面就會出現明顯磨損，以至后續加工的表面出現劃痕。更換 加工頭既造成經濟上的浪費，又影響加工參數的一致性，以致加工精度無法 得到保證。在超聲波沖擊和靜壓力滾壓聯合作用下，金屬表面所產生劇烈而 均勻的塑性變形必然導致其一定深度表層的原始狀態晶粒被嚴重地打碎細 化。并且由此獲得更深和更小尺度的金屬表面納米層以及更為理想的表面質 量，從而進一步改善機械零部件的綜合力學性能。(2) 提供一種可以方便、快速、低成本、可持續地在金屬機械零部件表 面(包括鋼、鑄鐵等黑色金屬、鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金、鎳基合 金等有色金屬)大規模獲得納米結構層、表面幾何形態納米化并帶有高數值 表面壓縮應力的方法。使用該方法所獲得納米結構層和納米級的表面質量并 帶有高數值表面壓縮應力，使得機械零件的抗疲勞、抗磨損、抗腐蝕性能大 幅度提高，最終低成本地延長其使用壽命，替代一些高成本的表面處理方法(如噴涂、沉積、電鍍和離子注入等)以及一些表面質量較差和低效率、可 持續性差的表面納米化處理方法。(3) 超聲表面滾壓加工釆用沖擊能量和靜載滾壓相結合的往復作用方 式，其特點是作用力在材料表面呈發散狀，能輻射到各個方向的組織，如圖3 所示。這使得距表層較近區域同一深度的晶粒細化程度較其他強烈塑性變形 (SPD)方式更為嚴重和均勻，并且容易獲得理想的表面光潔度水平。以超聲表 面擠壓加工為例，加工后表層納米晶粒尺寸可細化至20nm左右，表面粗糙度 水平可達0. 05Mm;而超聲表面滾壓加工表層納米晶粒尺寸可細化至3 ~ 7nm，表面粗糙度水平可達0. 03帥。通過對處理表層進行微觀結構觀察超聲表面 滾壓加工樣品表面附近區域形成了厚度約為200卿的流變組織，而超聲擠壓 加工的影響層僅為IOO陶左右。(4)實驗結果表明經超聲表面滾壓加工后，樣品表面可形成約百微米 厚度的非晶納米晶層。與傳統材料相比，非晶納米晶層具有高強度、高硬度、 高延展性和軔性以及優異的耐磨和耐蝕性等性能，且超聲表面滾壓加工所產 生的非晶納米晶層與目前研究廣泛的非晶納米晶涂層(根據制備方法的不同， 厚度為幾微米到數百微米)相比，與基體沒有明顯界限，不會產生剝層或分離 而更具實用性。
圖l釆用磁滯伸縮式換能器USRP處理軸類零件工作示意圖；圖中，1 代表被加工工件，2代表滾動加工頭，3代表變幅桿，4代表換能器，5代表 壓縮空氣，6代表半數字或全數字化超聲波發生器；圖2釆用壓電陶瓷式換能器USRP處理R弧零件工作示意圖；l代表被 加工工件，2代表滾動加工頭，3代表變幅桿，4代表換能器，5代表壓縮空 氣，6代表半數字或全數字化超聲波發生器；圖3超聲表面滾壓納米化方法工作局部細節示意圖；圖4 USRP 40Cr軸0 90卿不同層深TEM明場像及選區電子衍射花樣；圖5 USRP 4OCr軸90 ~ 2OOMm不同層深TEM明場像及選區電子衍射花樣；圖6 USRP 40Cr軸表面塑性流變層的金相照片；圖7 USRP 45鋼R弧工件表層TEM明場像；圖8 USRP 45鋼R弧工件表層選區電子衍射花樣；圖9 USRP鑄鋁軸表層TEM明場像；圖10 USRP鑄鋁軸表層選區電子衍射花樣；具體實施方式
實施例1直徑為60mm的調質態40Cr軸，用超聲表面滾壓納米化加工方法對其進 行表面處理，主要技術參數如下機床主軸轉速為255r/ min;沖擊槍工作頭進給量為0. 07mm/r;靜壓力 400N;加工15次；選用乳化冷卻液作為潤滑液；工作頭選用硬制合金材料， 球面半徑為5mm;工作頭輸出端超聲振幅為10微米。實驗結果如圖4-6所示，經USRP加工后樣品表面形成了近百微米的 非晶納米晶層。最外層表面晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約為3~7mn,與原 始晶粒尺寸(大約lO)im)相比晶粒細化了約2000倍；處理后樣品硬度明顯 增大，與顯微組織未發生變化的心部相比，表面硬度提高約1.7倍；表面粗 糙度為Ra為0. 03，比處理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成846MPa 的殘余壓縮應力。耐磨對比實驗結果表明與磨光加工樣品相比，超聲表面 滾壓納米化加工處理樣品的摩擦系數明顯降低，磨損重量只有前者的1/6，磨 損率降低100 ~ 500倍。實施例245鋼R弧工件，如圖2所示，用超聲表面滾壓納米化加工方法對其進行 表面處理，主要技術參數如下機床主軸轉速為225r/min;沖擊槍工作頭軸向進給量為0. 07mm/r, R弧 處縱向進給量O. 01,/r，卡具偏轉30° ;靜壓力150N;加工2次；選用乳化 冷卻液作為潤滑液；工作頭選用硬制合金材料，球面半徑為5mm;工作頭輸出 端超聲振幅為10微米。實驗結果最外層表面晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約為7mn,如圖7、 8所示，；表面粗糙度為Ra為0.11。實施例3直徑為60mm的ZLD201A鑄鋁軸，用超聲表面滾壓納米化加工方法對其進 行表面處理，主要技術參數如下機床主軸轉速為405r/ min;沖擊槍工作頭進給量為0. "mm/r;靜壓力 50N;加工往返共3次；選用乳化冷卻液作為潤滑液；工作頭選用硬制合金材 料，球面半徑為5mm;工作頭輸出端超聲振幅為10微米。實驗結果最外層表面晶粒呈等軸狀，平均晶粒尺寸約為711111，如圖9、 IO所示，表面粗糙度為Ra為0.65。
權利要求
1、一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，包括超聲波發生器和執行機構；所述執行機構包括超聲換能器、超聲變幅桿和超聲工作頭；其特征在于，所述超聲工作頭為可滾動的球體。
2、 根據權利要求1所述一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，其特征在于, 所述超聲波發生器釆用半數字或全數字化超聲波發生器，其作用是將工頻交 流電轉換為超聲頻振蕩，以供給沖擊槍工作頭能量。
3、 根據權利要求1所述一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，其特征在于, 所述超聲換能器采用磁滯伸縮換能器或壓電換能器，其作用是將高頻電振蕩 信號轉換成機械振動。
4、 根據權利要求1所述一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，其特征在于， 在執行機構的底部可用彈簧為加工過程提高靜壓力。
5、 根據權利要求1所述一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，其特征在于， 在執行機構的底部可用壓縮空氣為加工過程提髙靜壓力，壓縮空氣還能起到 冷卻裝置的作用。
6、 根據權利要求1所述一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，其特征在于，對于鋼材或鈦合金以及鑄鐵、鎳基高溫合金等較硬金屬材料制造機械零部件, 超聲工作頭的滾動球體應選用球面半徑相對較小的工作頭， 一般在1~5隨的范圍內；球體材質可選用硬質合金、包括金屬化陶瓷在內的各種陶瓷、金鋼 石、非晶態合金。
7、 根據權利要求1所述一種超聲表面滾壓加工納米化裝置，其特征在于, 對于鋁、銅合金、鎂合金等較軟金屬材料制造的機械零部件，超聲工作頭的 滾動球體應選用球面半徑相對較大的工作頭， 一般在5~l5mm的范圍內；加 工頭材質一般應為工具鋼或硬質合金。
8、 一種利用權利要求1至7任何一項所述裝置實現超聲表面滾壓加工納 米化方法，包括如下步驟第一步參數選擇根據回轉體外形，確定機床縱向進給速率及卡具偏轉角度；機床主軸轉速設在200 ~ 700r/min的范圍內，當需要獲得較好的表面質 量時，選擇較低的主軸轉速；執行機構工作頭軸向進給量設在0. 02 ~ 0. lmm/r左右的范圍內，當需要 獲得較好的表面質量時，選擇較低的軸向進給量；執行機構靜壓力為50 - 500N,當需要加深表面納米層深度和晶粒細化程 度時，選擇較大的靜壓力；超聲表面加工處理工作頭輸出端振幅設為5 ~ 25微米； 第二步往復加工加工往返次數一般為2~15次，當需要加深表面納米層深度和晶粒細化 程度時，增加重復加工往返次數。
全文摘要
一種超聲表面滾壓加工納米化裝置和方法，屬于金屬表面處理技術領域。該裝置包括超聲波發生器和執行機構；所述執行機構包括超聲換能器、超聲變幅桿和超聲工作頭；其特征在于，所述超聲工作頭為可滾動的球體。該方法包括兩個步驟(1)參數選擇，機床主軸轉速為200～700r/min，工作頭軸向進給量為0.02～0.1mm/r，執行機構靜壓力為50～500N，工作頭輸出端振幅為5～25微米；(2)往復加工2～15次。采用該裝置進行納米化后，可提高工作頭的工作壽命；使得距表層較近區域同一深度的晶粒細化程度更為嚴重和均勻，并且獲得理想的表面光潔度；表面可形成約百微米厚度的非晶納米晶層。
文檔編號C21D7/00GK101220405SQ20071006139
公開日2008年7月16日 申請日期2007年10月10日 優先權日2007年10月10日
發明者剛 劉, 吳良晨, 宋寧霞, 尹丹青, 婷 王, 王東坡, 鄧彩艷, 龔寶明 申請人:天津大學