脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置及方法
阅读说明：本技术 脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置及方法 (Pulse current assisted ultrasonic rolling surface strengthening device and method ) 是由 屈盛官 任朝军 贾思钰 胡雄风 李小强 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置及方法,所述装置包括脉冲电源、导电零件、夹紧机构和超声滚压模块,所述夹紧机构用于夹紧工件,且夹紧机构由车床带动转动,所述导电零件与夹紧机构接触,所述脉冲电源与导电零件连接,用于将脉冲电流施加到工件上,所述超声滚压模块用于对工件表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理。本发明将脉冲电流的电致塑效应、集肤效应和热效应与超声滚压引起的剧烈塑性变形进行复合,使强化表层更厚、表层性能更好,可以提高金属材料的表面强化效果,使得金属材料的表面形貌更好,从而提高金属材料的性能。(The invention discloses a pulse current auxiliary ultrasonic rolling surface strengthening device and a pulse current auxiliary ultrasonic rolling surface strengthening method. The invention compounds the electro-plastic effect, the skin effect and the thermal effect of the pulse current with the violent plastic deformation caused by the ultrasonic rolling, so that the reinforced surface layer is thicker and the surface layer performance is better, the surface reinforcing effect of the metal material can be improved, the surface appearance of the metal material is better, and the performance of the metal material is improved.)
技术领域
本发明涉及一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置及方法，属于金属材料表面处理技术领域。
背景技术
随着航空航天、重型装备、交通运输、化工设备、轻工仪器、医疗器械、舰船工业、海工装备等行业的发展，许多机械设备在恶劣工况下工作，要求零部件具有耐磨损、耐腐蚀和耐疲劳性能等良好的综合性能，使设备安全、可靠地运行。
超声滚压表面强化技术是一种表面改性和表面强化技术，超声滚压刀具以一定压力挤压工件表面，同时刀具以一定频率冲击工件表面，使工件表层产生剧烈塑性变形，使表层晶粒得到细化。超声滚压能够减小表面粗糙度，改善表面形貌，减少缺陷，消除刀痕等，使工件表层硬度提高，在表层内产生残余压缩压力，从而使材料更耐磨、更耐腐蚀和更抗疲劳。该方法对提高材料表层性能有重要作用，广泛应用于材料的表面强化。但是对一些硬度较高或难加工材料，其表层硬度高，塑性低，超声滚压很难使其表层产生充分的塑性变形，也很难得到较好的强化表层，靠单纯调整超声滚压工艺参数的方法提高其表层性能是十分困难的。另外，超声滚压时，前次超声滚压产生的硬化表层会成为下次超声滚压时塑性变形的阻碍，使后续超声滚压作用不能达到材料更深处。
因此，需要对现有超声滚压技术进行改进，使超声滚压作用达到材料更深处，形成更厚、综合性能更好的材料表层。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置，该装置将脉冲电流的电致塑效应、集肤效应和热效应与超声滚压引起的剧烈塑性变形进行复合，从而使强化表层更厚、表层性能更好，提高金属材料的表面强化效果，使得金属材料的表面形貌更好、性能更好。
本发明的另一目的在于提供一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置，包括脉冲电源、导电零件、夹紧机构和超声滚压模块，所述夹紧机构用于夹紧工件，且夹紧机构由车床带动转动，所述导电零件与夹紧机构接触，所述脉冲电源与导电零件连接，用于将脉冲电流施加到工件上，所述超声滚压模块用于对工件表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理。
进一步的，所述夹紧机构包括第一卡盘、第二卡盘和第三卡盘，所述第二卡盘为圆柱柄卡盘，所述第三卡盘为圆锥柄卡盘，所述第一卡盘与车床主轴连接，所述第二卡盘安装在第一卡盘上，所述第三卡盘安装在车床尾座上的锥柄孔之中，第二卡盘和第三卡盘的中心线在同一水平线上，且第二卡盘与第三卡盘之间相对设置，用于夹紧工件。
进一步的，所述导电零件包括第一导电件和第二导电件，所述第一导电件与第二卡盘接触，且第一导电件通过第一导线与脉冲电源的第一输出端连接，所述第二导电件与第三卡盘接触，且第二导电件通过第二导线与脉冲电源的第二输出端连接。
进一步的，所述第一卡盘与第二卡盘之间设有第一绝缘件，所述第三卡盘的圆锥柄上套有第二绝缘件。
进一步的，所述超声滚压模块包括超声滚压刀具、超声控制柜和空气压缩机，所述超声滚压刀具安装在车床刀架上，并分别与超声控制柜、空气压缩机连接。
进一步的，所述超声滚压刀具包括刀具体、气缸、超声换能器、变幅杆、刀头和滚压球体，所述气缸的压缩空气孔通过气管与空气压缩机连接，且气缸与超声换能器连接，所述超声换能器的控制电缆孔通过电缆与超声控制柜连接，且超声换能器与变幅杆连接，所述变幅杆的润滑油孔通过油管与超声控制柜的润滑油输出管连接，所述刀头固定在刀具体上，所述滚压球体安装在刀头上，滚压球体由变幅杆推动，且滚压球体与工件的中心线位于同一水平面上。
进一步的，所述超声滚压刀具上设有第三绝缘件。
进一步的，所述滚压球体为陶瓷材料。
进一步的，所述脉冲电源为直流脉冲氩弧电焊机、交流脉冲氩弧电焊机、直流电焊机或交流电焊机。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化方法，基于上述装置实现，所述方法包括：
通过夹紧机构夹紧工件；
启动车床，通过车床主轴带动夹紧机构使工件转动，选择合适的车床主轴转速；
启动脉冲电源，使脉冲电流施加到工件上，初步选择脉冲电源输出的脉冲电流、脉冲频率和脉冲宽度的大小，利用脉冲电流的电致塑效应、集肤效应和热效应，使工件达到能够更适合进行超声滚压表面强化处理的状态；
启动超声滚压模块的超声控制柜，设定合适的超声频率、振幅大小和润滑油量。设定合适的气压。
在保持脉冲电流的情况下，使超声滚压模块的超声滚压刀具沿工件轴向运动，对工件表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理。
进一步的，所述在保持脉冲电流的情况下，使超声滚压模块的超声滚压刀具沿工件轴向运动，对工件表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理之后，还包括：
调整脉冲电流、脉冲频率和脉冲宽度的大小，保持一定时间后，使超声滚压刀具沿工件轴向运动，对工件表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理。
进一步的，所述脉冲电源输出的脉冲电流的范围为30A～400A，脉冲频率范围为100Hz～5000Hz，脉冲宽度范围为50μm～250μm；所述工件加热的温度范围为25℃～400℃。
进一步的，所述车床主轴的转速范围为10r/min～80r/min。
进一步的，所述超声控制柜输出的超声频率范围为10～40kHz，振幅范围为1～14μm。
进一步的，所述对工件表面进行脉冲电流辅助超声滚压的次数为1～40次。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明通过将脉冲电源与导电零件连接，将脉冲电流施加到夹紧机构夹持的待处理工件上，利用脉冲电流的电致塑效应、集肤效应和热效应，使金属材料表层塑性变形抗力降低，使材料表层处于良好的塑性状态，从而使超声滚压的强化作用可以到达材料更深处。也可以克服在多次超声滚压过程中，上次超声滚压形成的硬化层对后续超声滚压强化作用的阻碍，增强超声滚压强化效果，可以使强化层更厚，使材料表层晶粒细化甚至产生纳米层，使材料表层的耐磨性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能得到提高，综合性能更加优越，强化效果优于单一的超声滚压强化效果。
2、本发明适合对一些硬度高、塑性差的金属材料和加工硬化严重的金属材料进行表面强化处理，可以使其表层产生较厚的强化层。也可以克服、减弱上次强化层对下次强化的阻碍作用，得到性能更好的强化表层，既适用于强化次数较少的情况，又适用于强化次数较多的情况。
3、本发明方法简单易行，适用于轴、杆类零件的表面强化，适用于各种类型金属材料的表面强化处理。本发明装置结构简单，相比专门的表面强化用脉冲电源，其成本低、效果好。
4、本发明通过设定脉冲电源的脉冲电流、脉冲频率、脉冲宽度、工件加热的温度、车床主轴的转速、超声控制柜的超声频率、振幅大小以及对工件表面进行脉冲电流辅助超声滚压处理的次数，在经过脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理后，可以使材料表面粗糙度减小，表面形貌改善，达到镜面效果；可以使材料表面硬度得到提高，比未处理材料硬度增大25％以上，表层内形成大约1000MPa的残余压缩应力。表面强化层更厚，从而提高材料表层的性能，使材料表面更加耐磨、耐腐蚀和抗疲劳，材料的综合性能比单一超声滚压强化效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1的夹紧机构夹紧工件的结构示意图。
图3为本发明实施例1的超声滚压模块的结构框图。
图4为本发明实施例1的超声滚压刀具的结构示意图。
图5为本发明实施例1的脉冲电流辅助超声滚压表面强化方法的流程图。
其中，1-脉冲电源，2-夹紧机构，201-第一卡盘，202-第二卡盘，203-第三卡盘，204-第一绝缘件，205-第二绝缘件，3-车床尾座，4-工件，5-第一导电件，6-第二导电件，7-第一导线，8-第二导线，9-超声滚压刀具，901-气缸，902-超声换能器，903-变幅杆，904-刀头，905-滚压球体，10-超声控制柜，11-空气压缩机，12-第三绝缘件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化装置，该装置在车床上实施，包括脉冲电源1、导电零件、夹紧机构2和超声滚压模块，图中仅示出了车床的车床尾座3，车床的其它部分并未示出。
夹紧机构2用于夹紧工件4，且夹紧机构2由车床带动转动，其中工件4为金属材料，如图1和图2所示，夹紧机构2包括第一卡盘201、第二卡盘202和第三卡盘203，第二卡盘202为圆柱柄卡盘，第三卡盘203为圆锥柄卡盘，第一卡盘201可以为车床本身具有的卡盘，第一卡盘201与车床主轴连接，第二卡盘202安装在第一卡盘201上，第三卡盘203安装在车床尾座3上的锥柄孔之中，第二卡盘202和第三卡盘203的中心线在同一水平线上，且第二卡盘202与第三卡盘203之间相对设置，用于夹紧工件4；在启动车床后，通过车床主轴带动第一卡盘201转动，由第一卡盘201带动第二卡盘202转动，从而带动第三卡盘203和工件4转动。夹紧机构2在工作时，将第一绝缘件204套在第二卡盘202上，然后将套上第一绝缘件204的第二卡盘202安装在第一卡盘201上，使第一卡盘201夹紧；将第二绝缘件205套在第三卡盘203的圆锥柄上，然后将套上第二绝缘件205的第三卡盘203安装在车床尾座3上的锥柄孔之中，使之安装牢固；调节车床尾座3在车床导轨上的位置，并调节第二卡盘202与第三卡盘203之间的距离；将工件4安装在第二卡盘202和第三卡盘203上，并使第二卡盘202和第三卡盘203的卡爪夹紧工件4；将车床尾座3固定在车床导轨上。
导电零件与夹紧机构2接触，脉冲电源1与导电件连接，用于将脉冲电流施加到工件4上；具体地，导电零件包括第一导电件5和第二导电件6，第一导电件5与第二卡盘202紧密接触，且第一导电件5通过第一导线7与脉冲电源1的第一输出端连接，第二导电件6与第三卡盘203紧密接触，且第二导电件6通过第二导线8与脉冲电源1的第二输出端连接，第二卡盘202、第一导电件5、第一导线7、脉冲电源1、第二导线8、第三卡盘203和工件4组成脉冲电流通过的闭合回路，使得脉冲电流可以施加到工件4上，本实施例的第一导电件5和第二导电件6均为碳刷(又称电刷)。
进一步地，脉冲电源1为直流脉冲氩弧焊机(图中仅为示意图，具体以产品实物为准)，选择其脉冲电流(脉冲氩弧焊)功能，根据实际需要，可以设定脉冲电流、脉冲频率和脉冲宽度等参数的大小，利用脉冲电流对工件4进行处理，使工件4达到能够更适合进行超声滚压表面强化处理的状态。
超声滚压模块用于对工件4表面进行脉冲电流辅助超声滚压，如图1和3所示，超声滚压模块包括超声滚压刀具9、超声控制柜10和空气压缩机11，超声滚压刀具9装夹在车床刀架上，并分别与超声控制柜10、空气压缩机11连接，通过超声控制柜10可以设定超声频率、振幅大小和润滑油量。根据需要可以设定空气压缩机11的气体压力。
进一步地，如图1、图3和图4所示，超声滚压刀具9包括刀具体、气缸901、超声换能器902、变幅杆903、刀头904和滚压球体905，气缸901的压缩空气孔9011通过气管与空气压缩机11连接，且气缸901与超声换能器902连接，超声换能器902的控制电缆孔9021通过电缆与超声控制柜10连接，且超声换能器902与变幅杆903连接，用于驱动变幅杆903，变幅杆903的润滑油孔9031通过油管与超声控制柜10的润滑油输出管连接，用于对滚压球体905进行润滑和冷却，刀头904固定在刀具体上，滚压球体905安装在刀头904上，滚压球体905由变幅杆903推动，且滚压球体905与工件4的中心线位于同一水平面上，本实施例的滚压球体905为陶瓷材料，可以是氮化硅陶瓷球体，也可以是氧化锆陶瓷球体。
超声滚压模块在工作时，在超声滚压刀具9上设置第三绝缘件12，第三绝缘件12用于对超声滚压刀具12与车床刀架之间进行绝缘，然后将设置第三绝缘件12的超声滚压刀具9安装在车床刀架上，找正滚压球体905的中心，使滚压球体905与工件4的中心线位于同一水平面上，设定空气压缩机11的气体压力，即气缸901的气体压力，使得气缸901的气体压力达到合适值，使刀头904顶在工件4表面，在超声控制柜10上调整超声频率大小、振幅大小和润滑油流量等到合适值；在启动车床带动工件4转动后，通过车床刀架带动超声滚压刀具9沿工件4轴向移动，对工件4表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理。
本实施例除了设置第一绝缘件204、第一绝缘件204和第三绝缘件12，还可以设置绝缘板或绝缘垫(图中未示出)，绝缘板或绝缘垫设置在车床的左床腿和右床腿的底部，使得左床腿和右床腿分别与地面之间绝缘。
如图1～图5所示，本实施例提供了一种脉冲电流辅助超声滚压表面强化方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：
S1、通过夹紧机构2夹紧工件。
具体地，将工件4安装在夹紧机构2的第二卡盘202和第三卡盘203上，并使第二卡盘202和第三卡盘203的卡爪夹紧工件4。
S2、启动车床，通过车床主轴带动夹紧机构2使工件4转动，选择合适的车床主轴转速。
具体地，通过车床主轴带动第一卡盘201转动，由第一卡盘201带动第二卡盘202转动，从而带动第三卡盘203和工件4转动，选择合适的车床主轴转速，车床主轴转速即为工件4转速，车床主轴的转速范围为10r/min～80r/min。
S3、启动脉冲电源1，使脉冲电流施加到工件4上，初步选择脉冲电源1输出的脉冲电流、脉冲频率和脉冲宽度的大小，利用脉冲电流的电致塑效应、集肤效应和热效应，使工件4达到能够更适合进行超声滚压表面强化处理的状态。
在该步骤S3中，需要在操作人员站在绝缘板或绝缘垫上进行操作，以将操作人员与地面绝缘，并且操作人员需要配戴绝缘手套。脉冲电源输出的脉冲电流的范围为30A～400A，脉冲频率范围为100Hz～5000Hz，脉冲宽度范围为50μm～250μm；工件4加热的温度范围为25℃～400℃。
S4、启动超声滚压模块的超声控制柜10，设定合适的超声频率、振幅大小和润滑油量。
在该步骤S4中，超声控制柜10输出的超声频率范围为10～40kHz，振幅范围为1～14μm。根据需要可以设置空气压缩机11的气体压力，即气缸901的气体压力。
S5、在保持脉冲电流的情况下，使超声滚压模块的超声滚压刀具9沿工件4轴向运动，对工件4表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理。
在步骤S5之后，还可包括：
S6、调整脉冲电流、脉冲频率和脉冲宽度的大小，保持一定时间后，使超声滚压刀具9沿工件轴向运动，对工件4表面进行脉冲电流辅助超声滚压表面强化处理。
S7、工作结束后，停止车床、关闭脉冲电源1以及关闭超声控制柜10电源，停止润滑油，放掉超声滚压刀具9中气缸901的气体，使气体压力为零。
S8、待工件4冷却到合适温度后，取下工件4。
步骤S5和步骤S6中，对工件4表面进行脉冲电流辅助超声滚压的次数为1～40次。
实施例2：
本实施例的主要特点是：使用交流脉冲电焊机、或使用具有输出交流脉冲电流功能的脉冲电焊机、或使用交流电焊机，利用交流电脉冲或交流电流对工件进行处理。其余同实施例1。
实施例3：
本实施例的主要特点是：使用直流脉冲电焊机、或使用具有输出直流脉冲电流功能的脉冲电焊机、或使用直流电焊机，利用直流脉冲电流或直流电流对工件进行处理。其余同实施例1。
实施例4：
本实施例的主要特点是：将超声滚压刀具换成车刀，去掉超声控制柜，对车刀与车床刀架之间进行绝缘，利用车刀对工件进行脉冲电流辅助车削。其余同实施例1。
实施例5：
本实施例的主要特点是：去掉第二卡盘，将第一导电件与第一卡盘紧密接触，该系统成为两卡盘系统。其余同实施例1。
实施例6：
本实施例的主要特点是：去掉第二卡盘，将第一导电件与第一卡盘紧密接触，该系统成为两卡盘系统，使用交流脉冲电焊机、或使用具有输出交流脉冲功能的脉冲电焊机、或使用交流电焊机，利用交流电脉冲或交流电流对工件进行处理。其余同实施例2。
实施例7：
本实施例的主要特点是：去掉第二卡盘，将第一导电件与第一卡盘紧密接触，该系统成为两卡盘系统，使用直流脉冲电焊机、或使用具有输出直流脉冲电流功能的脉冲电焊机、或使用直流电焊机，利用直流脉冲电流或直流电流对工件进行处理。其余同实施例3。
实施例8：
本实施例的主要特点是：去掉第二卡盘，将第一导电件与第一卡盘紧密接触，该系统成为两卡盘系统，将超声滚压刀具换成车刀，去掉超声控制柜，对车刀与车床刀架之间进行绝缘，利用车刀对工件进行脉冲电流辅助车削。其余同实施例4。
实施例9：
本实施例的主要特点是：将超声滚压模块中的气缸换成液压缸，空气压缩机换成液压泵，利用液压力使滚压球体顶住工件。其余同实施例1。
综上所述，本发明通过将脉冲电源与导电零件连接，将脉冲电流施加到夹紧机构夹紧的待处理工件上，利用脉冲电流的电致塑效应、集肤效应和热效应，使金属材料表层塑性变形抗力降低，使材料表层处于良好的塑性状态，使材料更适合进行超声滚压表面强化处理，从而使超声滚压的强化作用可以到达材料更深处。也可以克服在多次超声滚压过程中上次超声滚压形成的硬化层对后续超声滚压强化的阻碍作用，增强超声滚压强化效果。可以使强化层更厚，使材料表层晶粒细化甚至产生纳米层，使材料表层的耐磨性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能得到提高，综合性能更加优越，强化效果优于单一的超声滚压强化效果。
本发明具有以下特点：1)本发明适合对一些硬度高、塑性差的金属材料和加工硬化严重的金属材料进行表面强化处理，可以使其表层产生较厚的强化层。也可以克服、减弱上次强化层对下次强化的阻碍作用，得到性能较好的强化层。既适用于强化次数较少的情况，又适用于强化次数较多的情况；2)本发明处理后的材料表面，硬度得到提高，表面粗糙度减小，表面形貌改善，在材料中形成了残余压缩应力，表面强化层更厚，可以使材料表面更加耐磨、耐腐蚀和抗疲劳，材料的综合性能比单一超声滚压强化效果好；3)本发明方法简单易行，适用于轴、杆类零件的表面强化，适用于各种类型金属材料的表面处理，并且本发明装置结构简单、比起专门的表面强化用脉冲电源，其成本低、效果好。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。