[发明专利]高精度金属表面复合强化加工方法及装置

权利要求书

1.一种高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述方法包括：

根据待处理工件的材料特性及使用需求，对工件进行预热处理，所述工件的材料特性包括基体硬度、弹性模量、残余应力和金相组织；所述工件的使用需求包括温度、表面受力情况和润滑；所述工件的材料用低碳钢初始接收态为球化退火态，硬度为280~310 HV_0.2，金相组织为铁素体+珠光体组织；零件实际工作过程中温度为90℃，表面最大承受载荷小于2.5GPa，润滑状态为浸油润滑；经850 ℃奥氏体化90 min+油淬+180 ℃回火30 min热处理后，硬度升至460~500 HV_0.2，金相组织为马氏体+残余奥氏体组织；

根据工件的材料特性及使用需求，选择激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度，所述激光参数包括激光光斑直径、功率和辐照时间，激光光斑直径为2~4 mm，功率为300~600 W，辐照时间为50~200 ms；

将工件装夹于数控机床的卡盘，开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；

根据激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度，使用半导体激光器在工件表面加工出离散激光相变硬化点阵，得到已离散激光相变硬化后的工件；

根据工件的材料特性及使用需求，选择超声滚压刀具参数和数控机床操作参数；

将已离散激光相变硬化后的工件装夹于数控机床的卡盘，开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；

根据超声滚压刀具参数和数控机床操作参数，使用超声滚压刀具对工件进行表面超声滚压强化，制得表面具备水平和深度两个方向梯度硬度特性的复合强化工件，所述超声滚压刀具参数包括施加静压力、超声频率和超声波振幅，施加静压力为500~1300 N，超声频率为20~30 kHz，超声波振幅为6~12 μm，所述数控机床操作参数包括超声滚压刀具轴向进给速度和工件转速，所述超声滚压刀具轴向进给速度为0.04~0.203 mm/r，所述工件转速为22~85 r/min；

采用维氏显微硬度计、便携式粗糙度测试仪及螺旋测微计对复合强化各阶段表层硬度、粗糙度Ra及加工变形量进行测定，在表层沿水平方向，单一离散激光相变硬化后表层未激光处理基体硬度保持不变，为460~500 HV_0.2，硬化点硬度显著高于未激光处理区域，自边缘从530 HV_0.2向光斑中心逐步梯度增加至620 HV_0.2；结合表面超声滚压加工后，表层未激光处理基体硬度增至为500~550 HV_0.2，硬化点硬度仍显著高于未激光处理区域，自边缘从560 HV_0.2向光斑中心逐步梯度增加至650 HV_0.2。

2.根据权利要求1所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述离散激光相变硬化点阵分布密度以工件表面10×10 mm为计算单元，计算公式为：离散激光相变硬化点阵分布密度=（激光光斑数×单个激光光斑面积）/单元面积×100%。

3.根据权利要求2所述的高精度金属表面复合强化加工方法，其特征在于，所述离散激光相变硬化点阵分布密度为20~80%。

4.一种高精度金属表面复合强化加工装置，用于实现权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述装置包括半导体连续激光器、激光头、超声滚压刀具、超声发生器、空气压缩机、数控机床和卡盘；

所述卡盘安装在数控机床上，用于装夹工件；

所述半导体连续激光器与激光头连接，用于通过激光头在卡盘装夹的工件表面加工出离散激光相变硬化点阵；

所述超声滚压刀具分别与超声发生器、空气压缩机连接，用于对卡盘装夹的工件进行表面超声滚压强化。

5.根据权利要求4所述的高精度金属表面复合强化加工装置，其特征在于，所述激光头安装在高精度机械臂支架上，所述超声滚压刀具安装在机床刀架上。