[发明专利]声电耦合下金属材料表面强化方法与装置

说明书

本发明公开一种声电耦合下金属材料表面强化装置，包括设置在车床上的三爪卡盘、车床尾座、脉冲电源以及超声滚压加工装置，脉冲电源的正负极通过电刷分别与三爪卡盘和车床尾座的主轴相连，超声滚压加工装置包括控温装置、超声装置以及固定连接件，超声滚压加工装置通过跟随车床溜板箱和刀架拖板沿工件表面法向和轴向方向作进给运动，完成对工件表面的滚压强化处理。本发明通过在滚压加工中引入超声能场和脉冲电场提升材料的塑性变形能力，优化表层的纳米梯度结构，并在设备中搭建控温装置，平衡工件表面的加工温度，防止加工温度过高而产生表面氧化等不利影响，从而提升工件的表面质量，获得高硬度、高耐磨、高疲劳寿命的金属表面。

技术领域

本发明属于金属材料滚压加工技术领域，具体涉及一种声电耦合下金属材料表面强化方法与装置。

背景技术

金属材料表面滚压加工是较为热门的表面光整改性技术，通过滚压刀具引入剧烈塑性变形诱导表面晶粒纳米化从而实现金属材料表面强化光整的目的。但是常规塑性变形制备的纳米层较薄、强化层不均匀，很难获得高硬度、高耐磨性、高疲劳寿命的金属表面。

此外焦耳热效应和趋肤效应同样影响着金属材料加工性能和组织结构，工件的加工温度受焦耳热效应和趋肤效应影响严重，加工过程中在不影响工件性能的情况下一定的温升是有利的，但是温度急剧升高时会导致工件加工表面发生氧化等负面影响，严重制约工件表面加工质量。因此需要在声电耦合滚压加工过程中对工件的表面的温度进行控制，平衡工件表面的加工温度，消除或降低焦耳热效应等可能产生的不利影响，从而提升工件加工表面的力学性能。

发明内容

针对上述问题情况，本发明提供一种声电耦合下金属材料表面强化方法与装置，解决传统滚压加工过程中塑性变形能力弱，强化层不均匀等问题等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种声电耦合下金属材料表面强化装置，包括设置在车床上的三爪卡盘、车床尾座、脉冲电源以及超声滚压加工装置，所述脉冲电源的正负极连接有电刷，所述电刷分别与三爪卡盘和车床尾座的主轴相连，三爪卡盘的主轴和车床尾座的主轴设置在同一直线上，在车床尾座主轴的端部设置有尾座顶尖，三爪卡盘和尾座顶尖之间用于放置待加工的工件，所述超声滚压加工装置设置在车床刀架拖板上，通过跟随车床溜板箱沿工件表面法向和轴向方向作进给运动，完成对工件表面的滚压强化处理。

作为进一步的技术方案，所述超声滚压加工装置包括控温装置、超声装置和固定连接件，固定连接件用于固定控温装置和超声装置并将超声滚压加工装置与车床刀架拖板相连接。

作为进一步的技术方案，所述固定连接件包括连接板、下夹具和上夹具，下夹具和上夹具之间形成容腔，用于固定控温装置和超声装置，下夹具和上夹具的末端设置有通孔，通过通孔与连接板螺纹固定。所述连接板上设置有螺纹孔，通过螺栓螺母组件将连接板固定在车床刀架拖板的刀架位置。

作为进一步的技术方案，所述控温装置包括喷头、调速旋钮以及开关阀，控温装置的末端通过导流管与冷气机相连，开关阀设置在控温装置的末端，调速旋钮用来调节接入喷头气流大小从而调节工件降温速率。

作为进一步的技术方案，所述超声装置包括滚压刀头、变幅杆和换能器，换能器末端与高频交流电源相连，变幅杆下端与换能器相连，变幅杆上端安装有可转动的滚压刀头。

作为进一步的技术方案，控温装置通过固定连接件与超声装置保持相对固定，并跟随整个超声滚压加工装置运动。

优选的，所述脉冲电源为尖波脉冲电源。

本发明还提出了一种声电耦合下金属材料表面强化方法，采用如上所述的声电耦合下金属材料表面强化装置进行强化，包括如下步骤：

（1）将待加工工件装夹在三爪卡盘和尾座顶尖之间；

（2）将超声滚压加工装置安装在车床刀架托板相应位置；