阅读说明：本技术 一种高承载轴类零件预扭超声滚压复合强化方法 (Pre-twisting ultrasonic rolling composite strengthening method for high-bearing shaft parts ) 是由 梁志强 陈锐 陈一帆 栾晓圣 马悦 杜宇超 王西彬 李宏伟 刘心藜 王思涛 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高承载轴类零件预扭超声滚压复合强化方法,将高承载轴类零件安装在扭转试验机上,采用多次加载卸载的方式使零件产生扭转变形,接着将预扭完成的高承载轴类零件固定在机床主轴上,利用超声滚压装置对预扭完的零件表面进行超声滚压。经过预扭超声滚压复合强化的高承载轴类零件具有更高的疲劳寿命。该复合强化方法操作简单,可以显著提高高承载轴类零件的疲劳寿命,具有很高的实用价值。(The invention provides a pre-twisting ultrasonic rolling composite strengthening method for high-bearing shaft parts, which is characterized in that the high-bearing shaft parts are arranged on a torsion testing machine, the parts are subjected to torsional deformation in a multi-time loading and unloading mode, then the pre-twisted high-bearing shaft parts are fixed on a main shaft of a machine tool, and the surfaces of the pre-twisted parts are subjected to ultrasonic rolling by an ultrasonic rolling device. The high-bearing-capacity shaft part subjected to pre-twisting ultrasonic rolling composite reinforcement has longer fatigue life. The composite strengthening method is simple to operate, can obviously prolong the fatigue life of the high-bearing shaft parts, and has high practical value.)

一种高承载轴类零件预扭超声滚压复合强化方法

技术领域

本发明涉及金属零件表层机械加工领域，具体涉及一种高承载轴类零件预扭超声滚压复合强化的方法。

背景技术

高承载轴类零件作为车辆、船舶及其他机动设备的核心部件，常常受到大应力、大应变和循环冲击载荷的作用，易造成高承载轴类零件的扭转疲劳断裂。因此，提高高承载轴类零件的工作性能及疲劳寿命是提高机动设备性能的关键因素。

预扭强化可以显著提高高承载轴类零件的预扭方向的承载能力，减小高承载轴类零件在工作中的蠕变变形，提升工作中的可承载应力水平，而超声滚压加工是将超声冲击和静载滚压相结合的一种表面强化方法，通过在被加工零件表面方向引入超声频的机械振动，结合滚压头与被加工零件之间的静压力，促使零件表层发生塑性变形，减少零件表面粗糙度，实现金属零件表层机械加工强化。

然而随着高端机动设备地发展，对高承载轴类零件的抗疲劳性能提出了更高的要求，单独的预扭强化或超声滚压强化方法已经很难满足高承载轴类零件复杂环境下的抗疲劳性能的要求，迫切需要一种效果更好的轴类零件强化方法。

发明内容

本发明的目的就是致力于解决上面的问题，提出了一种高承载轴类零件预扭超声滚压复合强化方法，即将待强化轴类零件先通过预扭试验机进行预扭强化，再进行超声滚压强化。

实现本发明的技术方案如下：

一种预扭超声滚压复合强化方法，包括如下步骤：

步骤S1、预扭强化

将高承载轴类零件安装在扭转试验机上，开启扭转试验机开关，伺服电机转动，通过皮带传动带动主轴转动，使高承载轴类零件产生扭转变形。

步骤S2、超声滚压强化

使用左右顶针将预扭完成的高承载轴类零件固定在机床主轴上，打开超声波发生器开关，超声滚压装置对零件表面进行超声滚压。

进一步地，所述扭转强化，采用多次连续加载、卸载的方法，其过程为：第一次预扭角度为θ₁，卸载后弹性角度为θ₂，则残余变形角度为θ₃＝θ₁-θ₂；第二次预扭角度为θ₄，卸载后弹性角度为θ₅，残余变形角度为θ₆＝θ₄-θ₅，第三次预扭角度为θ₇，卸载后弹性角度为θ₈，残余变形角度为θ₉＝θ₇-θ₈。

进一步地，通过疲劳寿命试验测试高承载轴类零件的疲劳寿命。

进一步地，所述疲劳寿命试验是在扭转疲劳试验平台上进行的，即对同一工艺参数下的高承载轴类零件试样设计3组不同的最大切应力τ_max值，即1400MPa、1320MPa、1200MPa，根据τ_max值由大到小的顺序进行疲劳试验。

进一步地，为保证对疲劳试样试验过程中应力应变曲线描述的准确性，设置采样频率为加载频率的100倍，即在每个扭转加载周期采样100个应力、应变数据。

对表面未强化的高承载轴类零件、表面超声滚压强化的高承载轴类零件以及表面预扭超声滚压复合强化的高承载轴类零件，分别进行疲劳寿命试验。根据三组疲劳寿命试验结果显示，预扭超声滚压复合强化方法相较于未强化和超声滚压强化的试样，其疲劳寿命均有大幅度提高，特别是在1200MPa下，预扭超声滚压复合强化方法相较于超声滚压强化方法，疲劳寿命提高了将近三倍。

有益效果

本发明提供一种高承载轴类零件预扭超声滚压复合强化方法，将高承载轴类零件先在预扭试验平台上进行预扭强化，然后利用超声滚压装置对预扭完的零件表面进行超声滚压强化。经扭转疲劳试验结果表明，预扭超声滚压复合强化方法可以显著提高轴类零件的疲劳寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本例中所需要的附图作简要地介绍。

图1为高承载轴类零件预扭示意图；

图2为高承载轴类零件超声滚压示意图；

图3为高承载轴类零件预扭超声滚压效果图；

1-机床主体，2-拖板箱，3-机床主轴，4-皮带传动装置，5-三爪卡盘，6-高承载轴类零件，7-锁死立柱，8-左右顶针，9-滚压头，10-变幅杆，11-换能器，12-超声波发生器

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种预扭超声滚压强化方法，包括如下步骤：

步骤S1、预扭强化

如图1所示，将高承载轴类零件6安装在扭转试验机上，由左右三爪卡盘5固定，开启扭转试验机开关，伺服电机2转动，通过皮带传动装置4带动主轴3转动，使高承载轴类零件产生扭转变形。

步骤S2、超声滚压强化

如图2所示，使用左右顶针将预扭完成的高承载轴类零件固定在机床主轴上，由左右顶尖8固定，打开超声波发生器12开关，换能器11将电能转化成机械振动后，由变幅杆10放大振动，带动滚压头9对高承载轴类零件表面进行超声滚压。

进一步地，所述扭转强化，采用多次连续加载、卸载的方法，其过程为：第一次预扭角度为θ₁，卸载后弹性角度为θ₂，则残余变形角度为θ₃＝θ₁-θ₂；第二次预扭角度为θ₄，卸载后弹性角度为θ₅，残余变形角度为θ₆＝θ₄-θ₅，第三次预扭角度为θ₇，卸载后弹性角度为θ₈，残余变形角度为θ₉＝θ₇-θ₈。

进一步地，通过疲劳寿命试验测试高承载轴类零件的疲劳寿命。

进一步地，所述疲劳寿命试验是在扭转疲劳试验平台上进行的，即对同一工艺参数下的高承载轴类零件试样设计3组不同的最大切应力τ_max值，即1400MPa、1320MPa、1200MPa，根据τ_max值由大到小的顺序进行疲劳试验。

进一步地，为保证对疲劳试样试验过程中应力应变曲线描述的准确性，设置采样频率为加载频率的100倍，即在每个扭转加载周期采样100个应力、应变数据。

对表面未强化的高承载轴类零件、表面超声滚压强化的高承载轴类零件以及表面预扭超声滚压复合强化的高承载轴类零件，分别进行疲劳寿命试验。根据三组疲劳试验结果显示，如图3所示，预扭超声滚压复合强化方法相较于未强化和超声滚压强化的试样，其疲劳寿命均有大幅度提高，特别是在1200MPa下，预扭超声滚压复合强化方法相较于超声滚压强化方法，疲劳寿命提高了将近三倍。

综上所述，本发明提供一种高承载轴类零件预扭滚压复合强化方法，该方法操作简单，可以显著提高高承载轴类零件的抗疲劳性能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。