[发明专利]一种高频脉冲电流、脉冲磁场耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置

说明书

本发明公开了一种高频脉冲电流、脉冲磁场耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置，装置包括：机床装置、超声滚压装置、冷却润滑系统、电磁线圈、脉冲放电电极，结构简单，制造成本低低廉，可以实现定向加工，避免了能量的浪费；方法包括：利用高频脉冲电流电致塑性与脉冲磁场磁致塑性的耦合作用，促进超声滚压强化对TC4钛合金微观中位错的重排、增殖和滑移，降低晶粒间的残余应力，细化晶粒结构，使材料的裂纹和孔洞得以修复；加工后材料的强化层厚度、表面粗糙度和力学性能相比单一超声滚压加工有了显著的提升，因此该方法及装置应用前景广阔，为金属表面强化加工提供了一种新的途径。

技术领域

本发明涉及金属材料表面强化加工技术，特别涉及一种高频脉冲电流、脉冲磁场耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置。

背景技术

TC4钛合金具有结构强度大、密度小等优点，在医疗、航空航天、特种制造等领域得到了广泛的应用。但是，该材料耐摩擦磨损和加工硬化能力较差，常规的表面加工方法例如喷丸、电镀、激光改性、渗碳处理和表面滚压等措施对其强化效果有限。由于金属表层残余应力较大会阻碍超声滚压对其的加工强化效果，导致加工后材料表面产生的强化层厚度较薄，在实际应用场合摩擦磨损过程中容易发生与原材料剥落等情况，阻碍了TC4钛合金的推广应用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，构思了一种高频脉冲电流、脉冲磁场耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置，利用脉冲电场和磁场同时作用于金属工件，通过施加高频电磁耦合脉冲调整金属材料的残余应力，对超声滚压加工强化过程进行辅助加工，提高金属的表面性能；设计了一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，结构简单、加工过程高效可控，能够对金属材料实现定向作用，既保证了电能的节省，也保证实验过程的安全性。

实现本发明的技术方案之一是：一种高频脉冲电流、脉冲磁场耦合辅助超声滚压强化加工装置，它包括：机床装置20、超声滚压装置30、冷却润滑系统40，其特征是，它还包括：电磁线圈3、脉冲放电电极5，在所述机床装置20的刀架上设置随动连接架7，在所述随动连接架7上设置两个相同相对的电磁线圈3，在所述电磁线圈3上设置导管冷却机构43，所述导管冷却机构43与冷却润滑系统40连通，在所述超声滚压装置30的压头旁设置脉冲放电电极5，在所述超声滚压装置30的压头旁设置冷却喷头42，所述的冷却喷头42与冷却润滑系统40连通。

实现本发明的技术方案之二是：一种高频脉冲电流、脉冲磁场耦合辅助超声滚压强化加工方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)装夹工件：在机床装置20上，用三爪卡盘21夹紧工件1一端、顶尖22顶住工件1另一端，两个相同相对的电磁线圈3分别对准工件1，工件1的轴心线与电磁线圈3轴心线重合，超声滚压装置30的压头接触工件1，脉冲放电电极5对准工件1；

2)启动机床装置：机床装置20运动参数：主轴转速F＝45rpm，进给速度Vf＝0.08mm/rev；

3)启动超声滚压装置：超声滚压装置30的滚压参数为：滚压力P＝900N，超声频率f＝30KHz，超声振幅A＝8μm；

4)启动脉冲放电电极：高频电脉冲参数为：脉冲频率H＝300Hz，均方根电流密度ρ_r＝0.98A/mm，幅值电流密度ρ_a＝8.62A/mm，持续时间T＝87μs；

5)启动电磁线圈：脉冲磁场中心作用于工件1上的磁场强度为B＝250mT-5600mT；

6)启动冷却润滑系统：冷却润滑系统40向电磁线圈3的导管冷却机构43供给冷却润滑液冷却电磁线圈3，冷却润滑系统40向超声滚压装置30工作位置供给冷却润滑液对工件1进行冷却润滑，调整参数后，开始高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工；

7)高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工结束，关闭机床装置20。