[发明专利]一种平面超声滚压加工用超声执行机构和加工方法

说明书

【技术领域】：本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种平面超声滚压加工方法。

【背景技术】：作为一种表面改性新方法，超声表面滚压加工将加工头设计为可滚动的球体或柱体，在回转型机械零部件表面制备一层与基体有自然过渡的纳米层结构，并同时获得纳米级表面光洁度，从而提高其抗疲劳、磨损和耐腐蚀性能，保证机械装备可靠安全地运行，延长其有效服役寿命，防止其过早失效。

由于超声表面滚压加工的自身特点，目前的加工对象仅限于回转体结构和零部件，应用受到严重限制。平面结构是所有机械结构和零部件中最常见的结构之一，将超声表面滚压加工方法的应用推广到平面结构，具有重要的经济和实用价值，有着广阔应用前景。

【发明内容】：本发明的目的是解决现有超声表面滚压加工技术仅适用于回转体而不适用于平面结构零部件的问题，提供一种平面超声滚压加工用超声执行机构和加工方法。

本发明提供的平面超声滚压加工用超声执行机构，包括一个壳体，壳体内安装有换能器，换能器后部与壳体之间设置有施力部件，换能器前端连接其上安装有可滚动的柱体工作头的变幅杆。

所述的执行机构包括全波长形式，即半波长变幅杆加半波长换能器，和半波长形式，即1/4波长变幅杆加1/4波长换能器。

变幅杆的轴向截面呈锥台形、阶梯形或二者的组合形。

换能器为磁滞伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

所述的施力部件为弹簧或压缩空气。

一种采用上述超声执行机构的平面超声滚压加工方法，其特征在于该方法的步骤是：将超声执行机构的柱体工作头置于待处理工件表面，使二者之间进行横向和纵向的相对移动，操作条件是：工件往复进给速度应设在1～15m/min的范围内，执行机构进给量设在0.1～2mm/min的范围内，加工往返次数1～15次，执行机构静压力为50～500N，超声执行机构的柱体工作头输出端振幅，在5～25微米的范围内。

本发明的优点和有益效果：

本发明方法通过改变执行机构作用方式和试件的夹持与进给等方面因素，使得该方法能够用于平面结构的处理，替代一些高成本的处理方法以及一些难于获得满意表面质量的方法，充分发挥该技术在机械结构及零部件表面处理方面的作用。

该方法与其它平面加工技术(超声喷丸、磨削加工等)相比，具有如下优点：

(1)该方法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。这使得距表层较近区域同一深度的晶粒细化程度较其他表面强烈塑性变形(S²PD)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。

(2)经平面超声滚压加工后，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，且该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。

(3)试件材料表面硬化层更深，同时引入更大压缩残余应力值和更深的压缩残余应力影响层，更大程度上改善试件的综合力学性能。

(4)对于较高强度材料的试件，可选择大功率、阶梯-锥台-阶梯型平面超声滚压加工方法；对于狭小空间或特殊位置，可选用半波长平面超声滚压加工方法。该方法适用范围广，受限少。

【附图说明】：

图1平面超声滚压处理平板零件工作立体图；

图2平面超声滚压处理平板零件工作示意图(压电陶瓷式换能器)；

图3半波长平面超声滚压处理小型箱体内壁工作示意图；

图4全波长或半波长大功率平面超声滚压加工执行机构；

图5全波长或半波长阶梯-锥台-阶梯型平面超声滚压加工执行机构；

图6平面超声滚压加工局部细节示意图；

图7平面超声滚压加工40Cr平板表层TEM明场像及选区电子衍射花样；

图8平面超声滚压加工40Cr平板表面塑性流变层的金相照片。

以上所有附图均以压电陶瓷换能器为例，其中每一种形式均可换为相应的磁滞伸缩换能器。