阅读说明：本技术 一种感应加热辅助表面超声滚压装置与方法 (Induction heating auxiliary surface ultrasonic rolling device and method ) 是由 肖志瑜 柳中强 高超峰 吴文杰 陈进 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种感应加热辅助表面超声滚压装置与方法；包括车床卡盘、活顶尖和车床刀座；表面超声滚压装置还包括一感应线圈、活动臂、感应电源和红外测温枪；活动臂的一端用于安装感应线圈,另一端固定在车床刀座上；所述表面超声滚压装置也固定在车床刀座上。打开感应加热电源,同时开启车床,零件转动,使得处在感应线圈工作区域的零件被加热至较高温度。整个过程的温度采用红外测温枪进行测量。当试样被加热至所需温度,对零件进行表面超声滚压加工,感应加热使得零件变形抗力降低,表面超声滚压加工效果更佳。本发明结构简单、使用方便且经济环保；可用于加工硬度较高且表面质量差的轴类零件。(The invention discloses an induction heating auxiliary surface ultrasonic rolling device and method; comprises a lathe chuck, a live center and a lathe tool apron; the surface ultrasonic rolling device also comprises an induction coil, a movable arm, an induction power supply and an infrared temperature measuring gun; one end of the movable arm is used for installing an induction coil, and the other end of the movable arm is fixed on a lathe tool apron; the surface ultrasonic rolling device is also fixed on a lathe tool apron. And turning on an induction heating power supply, and simultaneously turning on the lathe, so that the part in the working area of the induction coil is heated to a higher temperature. The temperature of the whole process is measured by an infrared temperature measuring gun. When the sample is heated to the required temperature, the ultrasonic rolling processing is carried out on the surface of the part, the deformation resistance of the part is reduced by induction heating, and the ultrasonic rolling processing effect on the surface is better. The invention has simple structure, convenient use, economy and environmental protection; the method can be used for processing shaft parts with higher hardness and poor surface quality.)

一种感应加热辅助表面超声滚压装置与方法

技术领域

本发明涉及金属表面加工领域，尤其涉及一种感应加热辅助表面超声滚压装置与方法。

背景技术

表面超声滚压(ultrasonic surface rolling process，USRP)是一种新型表面改性加工技术，它将超声振动与传统的表面深滚压技术相结合，其原理为：在外力作用下使材料表面发生剧烈塑性变形，使材料表面发生纳米化，在提高硬度的同时还在零件表层引入较高的残余压应力，还能够大大降低表面粗糙度，从而提高材料的力学性能，改善零件的腐蚀性能，摩擦磨损性能和疲劳性能。

然而，随着科学技术的发展，在某些特殊的工况下(高温环境，腐蚀介质和高应力等)，常规的表面超声滚压加工强化技术已经不能完全满足零件服役所需性能的要求。目前提高零件温度的方式主要包括：红外辐射加热、高频直流电加热、高能脉冲加热和激光辅助加热。目前存在的复合滚压加工装置存在以下几个方面的问题：零件加热温度有限，不能有效消除滚压产生的加工硬化；装置结构复杂，改造升级困难，成本高；装置操作难度大，工艺复杂，且具有一定危险性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种感应加热辅助表面超声滚压装置与方法。本发明在现有的常温超声滚压加工的基础上，通过外加热源的方法提高零件温度，降低加工过程中零件表面的加工硬化，提升零件表面滚压加工效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种感应加热辅助表面超声滚压装置，包括用于夹持轴类零件2的车床卡盘1、用于顶紧轴类零件2的活顶尖7，以及位于车床一侧的车床刀座6；所述车床卡盘1和活顶尖7的轴心在同一条轴线上；

表面超声滚压装置4还包括一感应线圈3、活动臂5、感应电源8和红外测温枪9；

所述活动臂5的一端用于安装感应线圈3，另一端固定在车床刀座6上；所述表面超声滚压装置4也固定在车床刀座6上；

所述感应线圈3通过导线连接感应电源8；红外测温枪9的输出端由信号线连接感应电源8；

所述感应线圈3和表面超声滚压装置4的滚压头，分别位于轴类零件2的相对侧；轴类零件2的周面被部分覆盖在感应线圈3内；感应线圈3与轴类零件2不接触；通过感应线圈3形成的电磁场对轴类零件2加热。

所述红外测温枪9的温度采集区域，位于轴类零件2被感应线圈3所覆盖的区域；

当车床刀座6运动时，表面超声滚压装置4和感应线圈3沿轴类零件2的轴向方向同步运动；

红外测温枪9将轴类零件2采集区域的温度数据传递给感应电源8，感应电源8根据温度反馈模块的预设温度，通过感应线圈3的电磁场感应加热方式，对轴类零件2加工区域的温度进行控制，进而使轴类零件2位于加工区域的温度恒定。

所述红外测温枪9也可设置于车床刀座6上；当车床刀座6运动时，表面超声滚压装置4、红外测温枪9和感应线圈3沿轴类零件2的轴向方向同步运动；此时红外测温枪9的温度采集点，始终处于轴类零件2被感应线圈3所覆盖的区域。

所述温度进行控制是指，当红外测温枪9测得轴类零件2采集区域温度高于感应电源8预设温度时，感应线圈3停止加热；当低于预设温度时，感应线圈3继续加热。

所述活动臂5由四根通过销轴或者螺杆相互铰接的连杆11构成的U形活动臂。

所述表面超声滚压装置4的滚压头(采用耐高温)的直径为8～16mm的碳化钨陶瓷球或者氧化锆陶瓷球。

所述感应线圈3呈U形或者半圆弧形。

一种通过高频直流加热辅助滚压加工短轴零件的方法，其包括如下步骤：

(1)待加工轴类零件2(钛合金)一端夹持在车床卡盘1上，另外一端加工出A类中心孔5-10mm，采用锥度为120°活顶尖7顶住，防止加工过程轴类零件2晃动；

(2)完成步骤1后，通过调整活动臂5连接杆的方向，使感应线圈3工作区的轴线与待加轴类零件2的轴线处于同一水平线，使感应线圈3和表面超声滚压装置4的滚压头，分别位于轴类零件2的相对侧，并且轴类零件2的周面被部分覆盖在感应线圈3内，作业时感应线圈3与轴类零件2不接触；

(3)完成步骤2后，打开感应电源8，同时开启车床，轴类零件2转动，对待加工轴类零件2的加热区域进行感应加热；通过调整感应电源8的功率来控制轴类零件2的温度，零件温度控制在100-800℃之间；

(4)当红外测温枪9测得轴类零件2采集区域的温度达到感应电源8预设温度值，即待加工轴类零件2所需温度时，开启表面超声滚压装置4，对轴类零件2进行表面超声滚压加工作业；由于表面超声滚压装置4和活动臂5均固定于车床刀座6上，因此二者的移动方向和移动速度均相同，使滚压过程中待加工轴类零件2的滚压区域，始终位于感应线圈3的加热区域。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明装置通用性好，可在现有机床上增设感应线圈、活动臂、感应电源和红外测温枪9等部件即可；而且其结构简单，改造成本低，无危险性，适用于工业生产，并且该装置操作简单，操作工人不需经过特殊培训便可熟练操作该装置。

本发明感应线圈、表面超声滚压装置，以及红外测温枪，均固定在车床刀座上，当车床刀座运动时，表面超声滚压装置、红外测温枪和感应线圈沿轴类零件的轴向方向同步运动；此时红外测温枪的温度采集点，始终处于轴类零件被感应线圈电磁场所覆盖的加热区域内。

本发明装置具有通用性，待加工轴类零件长度不受限制，可通过采用不同尺寸半圆形感应线圈来加热直径不小于8mm的零件。

本发明中采用感应线圈电磁场方式对零件进行加热，升温速度快，可通过调节感应电源功率来获得不同的加工温度，且温度范围广，适用于加热各种金属轴类零件。

本发明中采用红外测温枪进行温度测量，并通过感应电源自带温度反馈模块来保证零件在表面滚压加工过程中保持恒温，该方法温度测量精准，温度反馈迅速。

本发明装置可在特定温度下进行表面超声滚压加工，可用于后序定量分析滚压压力、滚压振幅、滚压道次和滚压温度等参数对表面强化的影响。可根据实际工况的需要调整待加工零件温度和滚压参数，从而达到最优的表面质量和使用性能。

本发明装置能够用于加工各种金属轴类零件，特别适用硬度高，常温下塑性变形困难和加工硬化严重的金属材料。相对于普通滚压，本发明装置加工后表面强化效果明显，零件使役性能进一步提高。

附图说明

图1为本发明感应加热辅助表面超声滚压装置结构示意图。

图2为图1中活动臂与感应线圈的装配结构示意图。

图3为感应线圈与轴类零件位置关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1-3所示。本发明公开了一种感应加热辅助表面超声滚压装置，包括用于夹持轴类零件2的车床卡盘1、用于顶紧轴类零件2的活顶尖7，以及位于车床一侧的车床刀座6；所述车床卡盘1和活顶尖7的轴心在同一条轴线上；

表面超声滚压装置4还包括一感应线圈3、活动臂5、感应电源8和红外测温枪9；

所述活动臂5的一端用于安装感应线圈3，另一端固定在车床刀座6上；所述表面超声滚压装置4也固定在车床刀座6上；

所述感应线圈3通过导线连接感应电源8；红外测温枪9的输出端由信号线连接感应电源8；

所述感应线圈3和表面超声滚压装置4的滚压头，分别位于轴类零件2的相对侧；轴类零件2的周面被部分覆盖在感应线圈3内；感应线圈3与轴类零件2不接触；

所述红外测温枪9的温度采集区域，位于轴类零件2被感应线圈3所覆盖的区域；当车床刀座6运动时，表面超声滚压装置4和感应线圈3沿轴类零件2的轴向方向同步运动；

红外测温枪9将轴类零件2采集区域的温度数据传递给感应电源8，感应电源8根据温度反馈模块的预设温度，通过感应线圈3的感应加热方式，对轴类零件2加工区域的温度进行控制，进而使轴类零件2位于加工区域的温度恒定。

所述红外测温枪9也可设置于车床刀座6上；当车床刀座6运动时，表面超声滚压装置4、红外测温枪9和感应线圈3沿轴类零件2的轴向方向同步运动；此时红外测温枪9的温度采集点，始终处于轴类零件2被感应线圈3所覆盖的区域。

所述温度进行控制是指，当红外测温枪9测得轴类零件2采集区域温度高于感应电源8预设温度时，感应线圈3停止加热；当低于预设温度时，感应线圈3继续加热。

所述活动臂5由四根通过销轴或者螺杆相互铰接的连杆11构成的U形活动臂。所述感应线圈3呈U形或者半圆弧形。

感应线圈3与连杆11通过螺杆转动连接，调整感应线圈3的位置，使感应线圈3水平方向的轴线与待加工轴类零件的轴线处于同一水平线，同时轴类零件一侧处于U形或者半圆弧形感应线圈的感应加热区域，另外一侧处于自由空间。

所述表面超声滚压装置4的滚压头(采用耐高温)的直径为8～16mm的碳化钨陶瓷球或者氧化锆陶瓷球等。

一种通过高频直流加热辅助滚压加工短轴零件的方法，通过本发明上述装置实现，其包括如下步骤：

(1)待加工轴类零件2(钛合金)一端夹持在车床卡盘1上，另外一端加工出A类中心孔5-10mm，采用锥度为120°活顶尖7顶住，防止加工过程轴类零件2晃动；

(2)完成步骤1后，通过调整活动臂5连接杆的方向，使感应线圈3工作区的轴线与待加轴类零件2的轴线处于同一水平线，使感应线圈3和表面超声滚压装置4的滚压头，分别位于轴类零件2的相对侧，并且轴类零件2的周面被部分覆盖在感应线圈3内，作业时感应线圈3与轴类零件2不接触；

(3)完成步骤2后，打开感应电源8，同时开启车床，轴类零件2，对待加工轴类零件2的加热区域进行感应加热；通过调整感应电源8的功率来控制轴类零件2的温度，零件温度控制在100-800℃之间；

(4)当红外测温枪9测得轴类零件2采集区域的温度达到感应电源8预设温度值，即待加工轴类零件2所需温度时，开启表面超声滚压装置4，设置滚压力与滚压振幅，对轴类零件2进行表面超声滚压加工作业；由于表面超声滚压装置4和活动臂5均固定于车床刀座6上，因此二者的移动方向和移动速度均相同，使滚压过程中待加工轴类零件2的滚压区域，始终位于感应线圈3的加热区域，保证了加工后的滚压效果。

本发明中所用的感应线圈为铜线圈，采用水冷却。该感应线圈工作区域与零件外轮廓形状类似，使得零件感应加热更加均匀，较其他感应加热线圈加热效果更好，使零件达到较高温度，实现零件的热滚压加工。

采用的感应电源种类不限(可采用通用市售产品)主要取决于待加工材料的特性和零件想达到的预期效果。感应加热电源具有温度反馈模块，保证零件加工过程中保持恒温，加工过程中采用红外测温枪进行温度测量。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。