CN101220405A - 一种超声表面滚压加工纳米化方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种超声表面滚压加工纳米化装置和方法，属于金属表面处理技术领域。该装置包括：超声波发生器和执行机构；所述执行机构包括：超声换能器、超声变幅杆和超声工作头；其特征在于，所述超声工作头为可滚动的球体。该方法包括两个步骤：(1)参数选择，机床主轴转速为200～700r/min，工作头轴向进给量为0.02～0.1mm/r，执行机构静压力为50～500N，工作头输出端振幅为5～25微米；(2)往复加工2～15次。采用该装置进行纳米化后，可提高工作头的工作寿命；使得距表层较近区域同一深度的晶粒细化程度更为严重和均匀，并且获得理想的表面光洁度；表面可形成约百微米厚度的非晶纳米晶层。

Description

一种超声表面滚压加工纳米化方法及装置

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种超声表面滚压加工纳米化方法及装置。

背景技术

机械零部件和结构广泛地应用在船舶、压力容器、车辆、桥梁、海洋工程、工程机械、航空航天、电力、冶金等重要领域，然而这些重要机械结构和部件往往会因疲劳、蠕变、腐蚀、脆性断裂、磨损等问题引起过早失效，其中疲劳损伤、磨损和腐蚀问题较为常见。如由于提速，已使机械零部件疲劳问题成为影响铁路行车安全和钢轨使用寿命的重要伤损机制；再如轧钢设备中冷轧辊接触疲劳损伤问题迄今也没有得到妥善解决；而磨损问题在那些存在动态接触磨擦的机械装备中广泛存在并严重地影响它们的使用寿命。因此，研究提高机械零部件抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能的表面加工处理新方法，用于保证机械装备可靠地安全运行，延长其有效服役寿命，防止其过早失效，具有重要的经济和实用价值，有着广阔应用前景。

作为一种表面改性新方法，金属表面自身纳米化概念的提出是利用纳米金属材料的优异性能，在传统工程金属材料表面制备出有纳米晶体结构的表面层，进而提高材料的综合力学性能。该方法在工业应用上无根本性技术障碍，且纳米层与基体组织之间不存在明显界面，因此不会发生剥层或分离。迄今为止，人们提出了多种金属表面自身纳米化方法，已在纯铁、奥氏体不锈钢、16MnR钢、低碳钢和铝合金等金属表面获得了纳米层，其中以机械研磨法和超声冲击的研究较为广泛。然而，由于这两种方法最大的缺点是加工处理后表面质量不够理想，截止目前还很难应用于实际。

在上述背景下，文献“王东坡，宋宁霞，王婷，等人.纳米化处理超声金属表面[J].天津大学学报，2007，40(2)：228-233.”、“Chang-Min Suh，Gil-ho Song，Min-Soo Suh，et al.Fatigue and mechanical characteristicsof nano-structured tool steel by ultrasonic cold forging technology[J].Materials Science and Engineering A，2007，443：101-106.”公开了一种技术方案，超声表面挤压和超声冷锻加工技术将静压力引入加工载荷中，与动载进行配合，可同时获得较厚的表面纳米层和较为理想的表面光洁度。但是，固定工作头的加工方式，即工作头与变幅杆输出端刚性地连为一体，使得加工过程中工作头与机械零件表面处于滑动摩擦方式，由此带来工作头极易磨损、寿命极低的致命缺点。即便工作头采用硬质合金材料加工制作，对使用寿命的改善结果仍然无法达到长时间连续工作的实用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中工作头与机械零件表面处于滑动摩擦方式，由此带来工作头极易磨损、寿命极低的致命缺点；提出了在超声表面滚压(USRP)加工纳米化方法及装置。

一种超声表面滚压加工纳米化装置，包括：超声波发生器和执行机构；上述执行机构包括：超声换能器、超声变幅杆和超声工作头；其特征在于，上述超声工作头为可滚动的球体。

上述超声波发生器采用半数字或全数字化超声波发生器，其作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给冲击枪工作头能量。

上述超声换能器采用磁滞伸缩换能器或压电换能器，其作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。

在执行机构的底部可用弹簧为加工过程提高静压力。

在执行机构的底部可用压缩空气为加工过程提高静压力，压缩空气还能起到冷却装置的作用。

对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬金属材料制造机械零部件，超声工作头的滚动球体应选用球面半径相对较小的工作头，一般在1～5mm的范围内；球体材质可选用硬质合金、包括金属化陶瓷在内的各种陶瓷、金钢石、非晶态合金。

对于铝、铜合金、镁合金等较软金属材料制造的机械零部件，超声工作头的滚动球体应选用球面半径相对较大的工作头，一般在5～15mm的范围内；加工头材质一般应为工具钢或硬质合金。

一种超声表面滚压加工纳米化方法，包括如下步骤：

第一步：参数选择

根据回转体外形，确定机床纵向进给速率及卡具偏转角度；

机床主轴转速设在200～700r/min的范围内，当需要获得较好的表面质量时，选择较低的主轴转速；

执行机构工作头轴向进给量设在0.02～0.1mm/r左右的范围内，当需要获得较好的表面质量时，选择较低的轴向进给量；

执行机构静压力为50～500N，当需要加深表面纳米层深度和晶粒细化程度时，选择较大的静压力；

超声表面加工处理工作头输出端振幅设为5～25微米；

第二步：往复加工

加工往返次数一般为2～15次，当需要加深表面纳米层深度和晶粒细化程度时，增加重复加工往返次数。

使用超声表面滚压纳米化方法应根据待加工材料的材质、表面质量要求以及生产效率等因素来综合选择相应的工艺参数和工作头材质以及尺寸。为了保证经表面滚压纳米化加工后能够获得具有足够尺寸精度的机械零部件，还需要在粗加工时考虑预留一定的挤压余量。此外，应根据加工材料的不同选择对应的润滑液，减少工作头与被加工处理工件之间的摩擦。

超声表面滚压加工方法与超声挤压加工和超声冷锻加工等采用固定加工头的加工技术相比，具有如下优点：

(1)该装置将加工头设计为可滚动的球体，安装在弧形变幅杆输出端，如图1所示。该设计一方面利用滚动摩擦阻力和损耗均远小于滑动摩擦的特点，另一方面由于球体的滚动使得磨损部位不断更换，保证了工作头的表面质量，从而提高其使用寿命。加工实践表明：采用滚动摩擦的USRP加工方法与采用滑动摩擦的超声表面挤压加工或超声冷锻加工技术相比，在大幅度提高静压力和超声振幅的前提下，加工头仍然具有足够的使用寿命。当选用相同加工头材质和加工参数时，滚动工作头可以在保证加工质量的前提下工作50～100个工作日(每个工作日连续工作8小时)；而固定工作头连续工作30分钟，加工头表面就会出现明显磨损，以至后续加工的表面出现划痕。更换加工头既造成经济上的浪费，又影响加工参数的一致性，以致加工精度无法得到保证。在超声波冲击和静压力滚压联合作用下，金属表面所产生剧烈而均匀的塑性变形必然导致其一定深度表层的原始状态晶粒被严重地打碎细化。并且由此获得更深和更小尺度的金属表面纳米层以及更为理想的表面质量，从而进一步改善机械零部件的综合力学性能。

(2)提供一种可以方便、快速、低成本、可持续地在金属机械零部件表面(包括钢、铸铁等黑色金属、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金、镍基合金等有色金属)大规模获得纳米结构层、表面几何形态纳米化并带有高数值表面压缩应力的方法。使用该方法所获得纳米结构层和纳米级的表面质量并带有高数值表面压缩应力，使得机械零件的抗疲劳、抗磨损、抗腐蚀性能大幅度提高，最终低成本地延长其使用寿命，替代一些高成本的表面处理方法(如喷涂、沉积、电镀和离子注入等)以及一些表面质量较差和低效率、可持续性差的表面纳米化处理方法。

(3)超声表面滚压加工采用冲击能量和静载滚压相结合的往复作用方式，其特点是作用力在材料表面呈发散状，能辐射到各个方向的组织，如图3所示。这使得距表层较近区域同一深度的晶粒细化程度较其他强烈塑性变形(SPD)方式更为严重和均匀，并且容易获得理想的表面光洁度水平。以超声表面挤压加工为例，加工后表层纳米晶粒尺寸可细化至20nm左右，表面粗糙度水平可达0.05μm；而超声表面滚压加工表层纳米晶粒尺寸可细化至3～7nm，表面粗糙度水平可达0.03μm。通过对处理表层进行微观结构观察：超声表面滚压加工样品表面附近区域形成了厚度约为200μm的流变组织，而超声挤压加工的影响层仅为100μm左右。

(4)实验结果表明：经超声表面滚压加工后，样品表面可形成约百微米厚度的非晶纳米晶层。与传统材料相比，非晶纳米晶层具有高强度、高硬度、高延展性和韧性以及优异的耐磨和耐蚀性等性能，且超声表面滚压加工所产生的非晶纳米晶层与目前研究广泛的非晶纳米晶涂层(根据制备方法的不同，厚度为几微米到数百微米)相比，与基体没有明显界限，不会产生剥层或分离而更具实用性。

附图说明

图1  采用磁滞伸缩式换能器USRP处理轴类零件工作示意图；图中，1代表被加工工件，2代表滚动加工头，3代表变幅杆，4代表换能器，5代表压缩空气，6代表半数字或全数字化超声波发生器；

图2  采用压电陶瓷式换能器USRP处理R弧零件工作示意图；1代表被加工工件，2代表滚动加工头，3代表变幅杆，4代表换能器，5代表压缩空气，6代表半数字或全数字化超声波发生器；

图3  超声表面滚压纳米化方法工作局部细节示意图；

图4  USRP 40Cr轴0～90μm不同层深TEM明场像及选区电子衍射花样；

图5  USRP 40Cr轴90～200μm不同层深TEM明场像及选区电子衍射花样；

图6  USRP 40Cr轴表面塑性流变层的金相照片；

图7  USRP 45钢R弧工件表层TEM明场像；

图8  USRP 45钢R弧工件表层选区电子衍射花样；

图9  USRP铸铝轴表层TEM明场像；

图10 USRP铸铝轴表层选区电子衍射花样；

具体实施方式

实施例1

直径为60mm的调质态40Cr轴，用超声表面滚压纳米化加工方法对其进行表面处理，主要技术参数如下：

机床主轴转速为255r/min；冲击枪工作头进给量为0.07mm/r；静压力400N；加工15次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬制合金材料，球面半径为5mm；工作头输出端超声振幅为10微米。

实验结果：如图4～6所示，经USRP加工后样品表面形成了近百微米的非晶纳米晶层。最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为3～7nm，与原始晶粒尺寸(大约10μm)相比晶粒细化了约2000倍；处理后样品硬度明显增大，与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度提高约1.7倍；表面粗糙度为Ra为0.03，比处理前表面粗糙度降低100倍左右，表面形成846MPa的残余压缩应力。耐磨对比实验结果表明：与磨光加工样品相比，超声表面滚压纳米化加工处理样品的摩擦系数明显降低，磨损重量只有前者的1/6，磨损率降低100～500倍。

实施例2

45钢R弧工件，如图2所示，用超声表面滚压纳米化加工方法对其进行表面处理，主要技术参数如下：

机床主轴转速为225r/min；冲击枪工作头轴向进给量为0.07mm/r，R弧处纵向进给量0.01mm/r，卡具偏转30°；静压力150N；加工2次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬制合金材料，球面半径为5mm；工作头输出端超声振幅为10微米。

实验结果：最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为7nm，如图7、8所示，；表面粗糙度为Ra为0.11。

实施例3

直径为60mm的ZLD201A铸铝轴，用超声表面滚压纳米化加工方法对其进行表面处理，主要技术参数如下：

机床主轴转速为405r/min；冲击枪工作头进给量为0.25mm/r；静压力50N；加工往返共3次；选用乳化冷却液作为润滑液；工作头选用硬制合金材料，球面半径为5mm；工作头输出端超声振幅为10微米。

实验结果：最外层表面晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸约为7nm，如图9、10所示，表面粗糙度为Ra为0.65。

Claims (8)

1.一种超声表面滚压加工纳米化装置，包括：超声波发生器和执行机构；所述执行机构包括：超声换能器、超声变幅杆和超声工作头；其特征在于，所述超声工作头为可滚动的球体。

2.根据权利要求1所述一种超声表面滚压加工纳米化装置，其特征在于，所述超声波发生器采用半数字或全数字化超声波发生器，其作用是将工频交流电转换为超声频振荡，以供给冲击枪工作头能量。

3.根据权利要求1所述一种超声表面滚压加工纳米化装置，其特征在于，所述超声换能器采用磁滞伸缩换能器或压电换能器，其作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。

4.根据权利要求1所述一种超声表面滚压加工纳米化装置，其特征在于，在执行机构的底部可用弹簧为加工过程提高静压力。

5.根据权利要求1所述一种超声表面滚压加工纳米化装置，其特征在于，在执行机构的底部可用压缩空气为加工过程提高静压力，压缩空气还能起到冷却装置的作用。

6.根据权利要求1所述一种超声表面滚压加工纳米化装置，其特征在于，对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬金属材料制造机械零部件，超声工作头的滚动球体应选用球面半径相对较小的工作头，一般在1～5mm的范围内；球体材质可选用硬质合金、包括金属化陶瓷在内的各种陶瓷、金钢石、非晶态合金。

7.根据权利要求1所述一种超声表面滚压加工纳米化装置，其特征在于，对于铝、铜合金、镁合金等较软金属材料制造的机械零部件，超声工作头的滚动球体应选用球面半径相对较大的工作头，一般在5～15mm的范围内；加工头材质一般应为工具钢或硬质合金。

8.一种利用权利要求1至7任何一项所述装置实现超声表面滚压加工纳米化方法，包括如下步骤：

第一步：参数选择

根据回转体外形，确定机床纵向进给速率及卡具偏转角度；

机床主轴转速设在200～700r/min的范围内，当需要获得较好的表面质量时，选择较低的主轴转速；

执行机构工作头轴向进给量设在0.02～0.1mm/r左右的范围内，当需要获得较好的表面质量时，选择较低的轴向进给量；

执行机构静压力为50～500N，当需要加深表面纳米层深度和晶粒细化程度时，选择较大的静压力；

超声表面加工处理工作头输出端振幅设为5～25微米；

第二步：往复加工

加工往返次数一般为2～15次，当需要加深表面纳米层深度和晶粒细化程度时，增加重复加工往返次数。

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