[发明专利]一种金属构件孔壁表面纳米化装置

说明书

本发明涉及一种金属构件孔壁表面纳米化装置，其特征在于：包括超声换能系统和金属构件孔壁撞击器；超声换能系统与金属构件孔壁撞击器驱动连接，实现金属构件孔壁撞击器垂直于待处理金属构件孔壁方向的径向运动，运动可靠、结构简单、制作简易、成本低廉；通过液压泵控制油缸内的油压，继而通过活塞杆控制撞击杆上的碳化钨球头压迫在金属构件孔壁表面的常压力；可以将金属构件孔壁撞击器探入任何角度、任何孔径的孔中进行孔壁表面强化，消耗能源少，对环境无任何污染；本发明中套筒、活塞杆和金属构件孔壁撞击器为配合的模块化式结构，通用性强，能够适应金属构件不同孔径和不同方向斜孔的表面处理，应用范围广，适合推广使用。

技术领域

本发明涉及金属表面工程领域，尤其涉及一种金属构件孔壁表面纳米化装置。

背景技术

在航空、航天、高铁等领域的机械结构中,大量使用了高强度钢材。虽然高强度钢的强度很高，但其应力集中敏感度也更高。由于机构连接的需要，往往要在构件上开孔。孔是整个构件的应力集中部位，构件往往都是从孔位置开始发生疲劳失效而导致整个构件的报废。换言之，孔的疲劳寿命往往决定了整个构件的使用寿命。因此，对孔壁表面进行强化，可以有效地改善带孔构件的机械性能，提高构件的使用寿命。

目前国内外孔壁的强化工艺采用较多的是机械喷丸和激光撞击强化处理。机械喷丸是传统的金属材料表面强化方法，用它对孔壁进行强化，需在孔内设置一带有锥角的反射装置，将喷丸喷射到反射装置上，使弹丸与孔内壁发生撞击，从而起到强化的效果，但是这种强化方法受到孔尺寸的限制，当孔径小到一定程度的时候就无法实现。用激光撞击强化孔壁是将能量吸收杆置于孔中适当位置，利用激光诱导能量吸收杆产生等离子爆炸，产生撞击波从而使小孔内壁强化，但这种方法效果有待进一步确认。

试验研究显示，只要在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面性能的优化提高材料的整体性能。在现阶段，实现材料表面纳米化的一种重要的方法是表面机械处理法，其主要特点是使外加载荷以不同的方向重复地作用于材料的表面，以使材料表面的晶粒通过不同方向的强烈塑性变形而逐渐细化到纳米量级，从而增强材料的表面力学性能如硬度、摩擦磨损等，而且还提高了材料的抗拉强度、疲劳强度、以及耐腐蚀性。如何利用这种表面机械处理方法实现小孔径的孔壁纳米化处理成为金属表面工程领域研究的重要方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种金属构件孔壁表面纳米化装置，能够解决金属构件孔壁表面采用常用的机械喷丸和激光撞击强化受孔径制约较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种金属构件孔壁表面纳米化装置，包括超声换能系统和金属构件孔壁撞击器；所述超声换能系统与所述金属构件孔壁撞击器驱动连接；

所述超声换能系统包括油缸、液压泵、压电陶瓷堆、功率放大器和信号发生器；所述油缸内设置有一活塞；所述液压泵与所述活塞相连，用于驱动所述活塞沿着所述油缸的内壁往复移动；所述压电陶瓷堆的一端连接在活塞上，所述压电陶瓷堆的另一端连接有一活塞杆；所述信号发生器、功率放大器串联后与所述压电陶瓷堆通过导线相连；

所述活塞杆伸出油缸外的端部呈棱台状结构；所述油缸的端部上设置有一容纳活塞杆穿过的套筒，所述活塞杆沿着套筒的内壁往复移动；所述套筒上远离油缸的一端沿着径向设置有若干个用于容纳金属构件孔壁撞击器的通孔；所述金属构件孔壁撞击器具有若干个且垂直于所述套筒轴线方向穿设于套筒上用于容纳金属构件孔壁撞击器的所述通孔内，所述金属构件孔壁撞击器置于套筒内的端部呈斜面结构，且该端部与沿着轴线移动的活塞杆端部棱台结构的斜面通过楔形配合实现金属构件孔壁撞击器的沿着套筒的径向移动。

优选的，所述液压泵的输出端设置有出液管道和回液管道；所述出液管道与所述回液管道分别连接在所述油缸上与所述油缸之间形成液压回路；所述出液管道上设置有油压表，用于显示所述油缸内的油压。