[发明专利]高精度金属表面复合强化加工方法及装置

说明书

本发明公开了一种高精度金属表面复合强化加工方法及装置，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；选择激光参数及离散激光相变硬化点阵分布密度；开启数控机床使卡盘带动工件低速旋转；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；选择超声滚压刀具参数和数控机床操作参数；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，制得表面具备双向梯度硬度特性的复合强化工件。本发明对提高工件表面的抗磨损性能及接触疲劳性能表现出了较好的效果，减小了工件表面磨损率及疲劳失效深度，可有效提高工件实际使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种高精度金属表面复合强化加工方法及装置，属于材料表面加工技术领域。

背景技术

随着人们对新技术领域的深入拓展，许多机械设备中零部件的工作环境逐渐变得更加恶劣，尤其是表面磨损及疲劳失效成为限制设备使用寿命的重要因素。梯度硬化强化是一种能有效提高零部件抗磨损性能、疲劳强度和寿命的表面强化处理方法。根据强化层的来源的不同可分为增材强化、化学强化和物理强化等工艺。增材强化包括了激光熔覆、气相沉积等，化学强化包括了渗碳、渗氮等；物理强化包括了喷丸、机械研磨等。激光相变硬化及表面超声滚压是物理强化中强化效果较为突出的两种工艺。由于是自材强化，因此不存在强化层内部应力大、结合性能差、易开裂及脱落等问题。同时，两种工艺均具有非常高的加工表面精度及较低的加工变形量，加工后零件表面粗糙度低、无需后续加工。本发明通过在工件表面离散设置高硬度激光相变硬化点阵，在提高表层耐磨性能的同时保留了塑性变形从表层向基体内部流动的能力，使得表面超声滚压过程中强化层深度更深，内部由于塑性变形产生的残余压应力更大。此工艺操作过程简单、设备易获取，适合于各类对磨损及疲劳性能有一定要求的零部件表面强化加工。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高精度金属表面复合强化加工方法，该方法通过在待处理工件表面先开展激光离散相变硬化处理，加工出具有特定分布密度的离散激光相变硬化点阵，随后采用表面超声滚压刀具对表面进行塑性变形纳米化强化，形成水平和深度两个方向均具有梯度硬度变化的强化层，即制得表面具备双向梯度硬度特性的复合强化工件，结合了激光表面相变硬化及表面超声滚压技术的优点，能够实现较少加工变形量下的工件表面高精度强化加工，工件表面形成的复合强化层对提高工件表面的抗磨损性能及接触疲劳性能表现出了较好的效果，减小了工件表面磨损率及疲劳失效深度，可有效提高工件实际使用寿命。

本发明的另一目的在于提供一种高精度金属表面复合强化加工装置。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种高精度金属表面复合强化加工方法，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；

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；

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。

进一步的，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2～4mm，功率为300～600W，辐照时间为50～200ms。