CN109738314A - 一种超声表面滚压试验机及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声表面滚压试验机及试验方法，试验机包括：力值监测***，该力值监测***有力传感器；车削***，包括车削底座、回转机构和轴向进给机构，车削底座底部安装有下承压座与力传感器顶面接触，轴向进给机构固定在车削底座上，回转机构安装在轴向进给机构上，回转机构用于装夹被测试件；升降装置；超声振动***，包括超声控制器和超声振动装置，超声振动装置安装在升降装置上；信号采集及处理***，与力值监测***、车削***、升降装置、超声振动装置相连。本发明设备结构简单，测试精度高，操作简单方便，使用维护成本低廉，对于定量研究超声表面滚压过程具有很高的实用价值和重要的实际意义。

Description

一种超声表面滚压试验机及试验方法

技术领域

本发明涉及金属构件滚压过程的定量力学研究领域，具体涉及到一种超声表面滚压试验机及试验方法。

背景技术

与静态变形过程相比，金属构件的形变抗力在超声振动辅助变形过程中可以显著降低，从而有效减小金属构件加工设备的吨位和功率，降低加工能耗，大量节约加工和制造成本。作为金属材料表面强化新技术，超声表面滚压兼具表面滚压、超声冲击、表面机械研磨等多种工艺优点，可在构件表面产生高水平、大深度的残余压应力场和加工硬化场，闭合微裂纹，细化晶粒组织，提高表面硬度和光洁度，从而显著提升构件的疲劳、腐蚀、摩擦磨损及腐蚀疲劳等多种力学性能。但是目前，难以开展针对超声表面滚压过程的定量力学研究，其主要原因是缺少合适的力学实验装置。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种超声表面滚压试验机，利用超声振动发生器提供高频可控的振动，振动方向与被测试件静态压缩方向一致，工作部分球形滚压头可自由旋转，被测试件在微型车削***带动下可在高速旋转的同时实现轴向往复运动，从而实现超声振动载荷与静态压缩载荷叠加的超声表面滚压测试，该设备结构简单，测试精度高，操作简单方便，使用维护成本低廉。具体方案如下：

一种超声表面滚压试验机，包括：

基座；

力值监测***，该力值监测***设有一安装在基座上的力传感器；

车削***，包括车削底座、回转机构和轴向进给机构，车削底座底部安装有下承压座与力传感器顶面接触，轴向进给机构固定在车削底座上，所述回转机构安装在轴向进给机构上，回转机构用于装夹被测试件；

升降装置，安装在基座上；

超声振动***，包括超声控制器和超声振动装置，超声振动装置安装在升降装置上，所述超声振动装置包括超声振动发生器以及超声变幅杆，超声变幅杆装接于超声振动发生器上，超声变幅杆底端部装接有球形滚压头；

信号采集及处理***，与力值监测***、车削***、升降装置、超声振动装置相连。

进一步的，所述被测试件为圆柱体，圆柱面表面粗糙度不大于Ra1.6μm，圆柱体全长范围内圆柱度公差不大于0.01mm。

进一步的，所述力传感器的性能参数为：测力范围-10KN～10KN，测力精度优于0.025N，可同时监测六个力分量，采样频率高于200KHz；

所述超声振动发生器的性能参数为：振动频率15～45KHz，振幅范围0～22μm。

进一步的，轴向进给机构包括转动丝杠和螺母，回转机构固定在螺母上；

回转机构包括电机和卡盘。

进一步的，升降装置为螺旋丝杠副机构，包括：

电动马达，安装在基座内；

丝杠，竖直安装在基座上并与电动马达配合；

横梁，横梁设置有螺纹孔并与丝杠配合连接，超声振动装置安装在该横梁上。

进一步的，所述电动马达的扭矩为1Nm～500Nm；

所述丝杠直径为10～35mm；

所述横梁上、下移动的位置精度优于0.1μm，位置重复精度优于0.1μm。

进一步的，车削底座通过下承压座固定在基座上；

所述横梁、超声振动发生器、超声变幅杆及球形滚压头、被测试件、下承压座及力传感器组成的整体在横梁全行程内的同轴度优于1:0.001；

车削底座下端面及下承压座的上端面平面度不大于0.0002mm/mm，两面间平行度不大于0.0002mm/mm，车削底座、回转机构主轴和轴向进给机构主轴间的平行度均为不大于0.0002mm/mm。

进一步的，所述力值监测***还包括电荷放大器和数据采集卡，该电荷放大器信号连接力传感器，数据采集卡信号连接电荷放大器。

一种采用上述超声表面滚压试验机的试验方法，包括如下步骤：

S1、将被测试件装夹在回转机构上；

S2、通过力值监测***监测被测试件上的力值；

S3、启动升降装置，升降装置带动超声振动装置匀速下移，使超声变幅杆端部的球形滚压头慢慢下降并压在被测试件表面；

S4、启动微型车削***的回转机构，带动被测试件旋转；

S5、启动超声振动***，在被测试件上叠加超声振动与静态压缩；

S6、启动微型车削***的轴向进给机构，使被测试件在高速旋转的同时做轴向往复运动，实现被测试件的超声表面滚压；

S7、通过力值监测***获得被测试件超声表面滚压过程中的力数据。

进一步的，在步骤S3中，球形滚压头施加在被测试件表面的压力为300N。

本发明提供的超声表面滚压试验机，利用超声振动发生器提供高频可控的振动，振动方向与被测试件静态压缩方向一致，工作部分球形滚压头可自由旋转，被测试件在微型车削***带动下可在高速旋转的同时实现轴向往复运动，从而实现超声振动载荷与静态压缩载荷叠加的压缩测试，该设备结构简单，测试精度高，操作简单方便，使用维护成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种超声表面滚压试验机的示意图；

图2为一种超声表面滚压试验机进行压痕试验的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种超声表面滚压试验机，包括：

基座1；

力值监测***，该力值监测***设有一安装在基座1上的力传感器6；

车削***，包括车削底座5、回转机构14和轴向进给机构15，车削底座底部安装有下承压座5与力传感器6顶面接触，轴向进给机构15固定在车削底座上，所述回转机构14安装在轴向进给机构15上，回转机构14用于装夹被测试件8；

升降装置，安装在基座1上；

超声振动***，包括超声控制器13和超声振动装置，超声振动装置安装在升降装置上，所述超声振动装置包括超声振动发生器3以及超声变幅杆4，超声变幅杆4装接于超声振动发生器3上，超声变幅杆4底端部装接有球形滚压头；

信号采集及处理***，与力值监测***、车削***、升降装置、超声振动装置相连。

优选的，信号采集及处理***可以为搭载相应处理软件的计算机11，通过信号线12与力值监测***(力传感器6)、车削***、升降装置、超声振动***(超声控制器13)相连。

具体可选的，轴向进给机构15包括转动丝杠和螺母(参照图中的内部结构组合15a)，回转机构14固定在螺母上；回转机构14包括电机和卡盘。其中，在利用回转机构14装夹被测试件8时，被测试件8的一端被装夹在卡盘上，另一端抵接在顶件上。丝杠转动带动螺母轴向移动，进而带动回转机构14整体轴向移动；运动至行程末端后，电机反转带动丝杠反转，带动回转机构14整体轴向反向移动。周而复始，使得被测试件在微型车削***带动下在高速旋转的同时做轴向往复运动。

所述被测试件8为圆柱体，机械加工后必须经过精磨处理，圆柱面表面粗糙度不大于Ra1.6μm，圆柱体全长范围内圆柱度公差不大于0.01mm。进一步优选的，圆柱面表面粗糙度Ra1.6μm，圆柱体全长范围内圆柱度公差为0.01mm。

所述力传感器6的性能参数为：测力范围-10KN～10KN，测力精度优于0.025N，可同时监测六个力分量，采样频率高于200KHz。进一步优选的力传感器6性能参数为：测力范围-5KN～5KN，测力精度优于0.0125N，可同时监测六个力分量，采样频率高于200KHz。

超声振动发生器3的性能参数为：振动频率15～45KHz，振幅范围0～22μm。进一步优选的超声振动发生器3性能参数为：振动频率20～40KHz，振幅范围0～20μm。

在一可选的实施例中，升降装置为螺旋丝杠副机构，包括电动马达9、丝杠10和横梁2。电动马达9安装在基座1内，通过皮带轮与丝杠10配合以带动丝杠10转动，丝杠10竖直安装在基座1上，横梁2设置有螺纹孔并与丝杠10配合连接，超声振动装置安装在该横梁2上。

所述电动马达9的扭矩为1Nm～500Nm；所述丝杠10直径为10～35mm；横梁2上、下移动的位置精度优于0.1μm，位置重复精度优于0.1μm。进一步优选的，电动马达9的扭矩为100Nm；丝杠10直径为30mm；横梁2上、下移动的位置精度达到0.05μm，位置重复精度达到0.05μm。

在一可选的实施例中，车削底座通过下承压座5固定在基座1上；所述横梁2、超声振动发生器3、超声变幅杆4及球形滚压头、被测试件8、下承压座5及力传感器6组成的整体在横梁2全行程内的同轴度优于1:0.001，最好优于1:0.0005；车削底座下端面及下承压座5的上端面平面度不大于0.0002mm/mm，两面间平行度不大于0.0002mm/mm，车削底座、回转机构14主轴和轴向进给机构15主轴间的平行度均不大于0.0002mm/mm。

进一步优选的，所述力值监测***还包括电荷放大器和数据采集卡，该电荷放大器信号连接力传感器6，数据采集卡信号连接电荷放大器。电荷放大器用于对采集到的信号进行放大，然后输出到数据采集卡信号。

同时本发明还提供了一种采用上述的超声表面滚压试验机的试验方法，结合图1和图2所示，包括如下步骤：

S1、将被测试件8装夹在回转机构14上并固定。

S2、通过力值监测***监测被测试件8上的力值。

S3、启动升降装置，升降装置带动超声振动装置匀速下移，使超声变幅杆4端部的球形滚压头慢慢下降并压在被测试件8表面，在被测试件8表面施加300N的压力。

S4、启动微型车削***的回转机构14，带动被测试件8旋转。

S5、启动超声振动***，在被测试件8上叠加超声振动与静态压缩。

S6、启动微型车削***的轴向进给机构15，使被测试件8在高速旋转的同时做轴向往复运动，实现被测试件8的超声表面滚压。

S7、通过力值监测***获得被测试件8超声表面滚压过程中的力数据。

综上所述，本发明提供的一种超声表面滚压试验机，设备结构简单，测试精度高，操作简单方便，使用维护成本低廉，对于定量研究超声表面滚压过程具有很高的实用价值和重要的实际意义。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超声表面滚压试验机，其特征在于，包括：

基座(1)；

力值监测***，该力值监测***设有一安装在基座(1)上的力传感器(6)；

车削***，包括车削底座(7)、回转机构(14)和轴向进给机构(15)，车削底座(7)底部安装有下承压座(5)与力传感器(6)顶面接触，轴向进给机构(15)固定在车削底座上，所述回转机构(14)安装在轴向进给机构(15)上，回转机构(14)用于装夹被测试件(8)；

升降装置，安装在基座(1)上；

超声振动***，包括超声控制器(13)和超声振动装置，超声振动装置安装在升降装置上，所述超声振动装置包括超声振动发生器(3)以及超声变幅杆(4)，超声变幅杆(4)装接于超声振动发生器(3)上，超声变幅杆(4)底端部装接有球形滚压头；

信号采集及处理***，与力值监测***、车削***、升降装置、超声振动装置相连。

2.如权利要求1所述的超声表面滚压试验机，其特征在于，所述被测试件(8)为圆柱体，圆柱面表面粗糙度不大于Ra1.6μm，圆柱体全长范围内圆柱度公差不大于0.01mm。

3.如权利要求1所述的超声表面滚压试验机，其特征在于，所述力传感器(6)的性能参数为：测力范围-10KN～10KN，测力精度优于0.025N，可同时监测六个力分量，采样频率高于200KHz；

所述超声振动发生器(3)的性能参数为：振动频率15～45KHz，振幅范围0～22μm。

4.如权利要求1所述的超声表面滚压试验机，其特征在于，轴向进给机构(15)包括转动丝杠和螺母，回转机构(14)固定在螺母上；

回转机构(14)包括电机和卡盘。

5.如权利要求1所述的超声表面滚压试验机，其特征在于，升降装置为螺旋丝杠副机构，包括：

电动马达(9)，安装在基座(1)内；

丝杠(10)，竖直安装在基座(1)上并与电动马达(9)配合；

横梁(2)，横梁(2)设置有螺纹孔并与丝杠(10)配合连接，超声振动装置安装在该横梁(2)上。

6.如权利要求5所述的超声表面滚压试验机，其特征在于，所述电动马达(9)的扭矩为1Nm～500Nm；

所述丝杠(10)直径为10～35mm；

所述横梁(2)上、下移动的位置精度优于0.1μm，位置重复精度优于0.1μm。

7.如权利要求6所述的超声表面滚压试验机，其特征在于，车削底座通过下承压座(5)固定在基座(1)上；

所述横梁(2)、超声振动发生器(3)、超声变幅杆(4)及球形滚压头、被测试件(8)、下承压座(5)及力传感器(6)组成的整体在横梁(2)全行程内的同轴度优于1:0.001；

车削底座下端面及下承压座(5)的上端面平面度不大于0.0002mm/mm，两面间平行度不大于0.0002mm/mm，车削底座、回转机构(14)主轴和轴向进给机构(15)主轴间的平行度均为不大于0.0002mm/mm。

8.如权利要求1所述的超声表面滚压试验机，其特征在于，所述力值监测***还包括电荷放大器和数据采集卡，该电荷放大器信号连接力传感器(6)，数据采集卡信号连接电荷放大器。

9.一种采用权利要求1-8任意一所述的超声表面滚压试验机的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将被测试件(8)装夹在回转机构(14)上；

S2、通过力值监测***监测被测试件(8)上的力值；

S3、启动升降装置，升降装置带动超声振动装置匀速下移，使超声变幅杆(4)端部的球形滚压头慢慢下降并压在被测试件(8)表面；

S4、启动微型车削***的回转机构(14)，带动被测试件(8)旋转；

S5、启动超声振动***，在被测试件(8)上叠加超声振动与静态压缩；

S6、启动微型车削***的轴向进给机构(15)，使被测试件(8)在高速旋转的同时做轴向往复运动，实现被测试件(8)的超声表面滚压；

S7、通过力值监测***获得被测试件(8)超声表面滚压过程中的力数据。

10.如权利要求9所述的试验方法，其特征在于，在步骤S3中，球形滚压头施加在被测试件(8)表面的压力为300N。