[发明专利]对金属工件施加深冷场并辅助超声滚压的表面强化方法

说明书

本发明提供了一种对金属工件施加深冷场并辅助超声滚压的表面强化方法，将金属工件夹持在两个主轴箱的旋转输出轴之间，表面强化装置对金属工件表面施加超声滚压后，喷射深冷介质至金属工件表面以施加深冷场，使金属材料的表面残余压应力水平和峰值残余压应力水平更高，残余压应力影响层更深，进而提高金属材料的疲劳性能。

技术领域

本发明涉及金属表面机械强化领域，具体地说，涉及的是一种对金属工件施加深冷场并辅助超声滚压的表面强化方法。

背景技术

对金属材料疲劳性能产生最重要影响的因素之一是残余应力。其中，残余压应力可以部分甚至全部抵消拉伸外载，闭合微裂纹，抑制疲劳裂纹源形成，延缓疲劳裂纹扩展，从而提高金属构件疲劳性能。超声滚压是一种先进的机械表面强化方法，可在金属构件表层产生残余压应力场，提高其疲劳性能。超声滚压产生的表层残余压应力场的重要指标包括表面残余压应力水平、峰值残余压应力水平和残余压应力影响层深度。

现有超声滚压强化方法存在一定的局限性，所产生的表面残余压应力和峰值残余压应力水平偏低，残余压应力影响层较浅，无法最大限度提升金属材料的疲劳性能，因而需要寻求更完善的超声滚压表面强化方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种对金属工件施加深冷场并辅助超声滚压的表面强化装置，所述金属工件为圆柱状工件，所述表面强化装置包括：

双主轴同步旋转系统，所述双主轴同步旋转系统包括对称布置的两个主轴箱，以及位于两个主轴箱之间的同步运动基座，两个主轴箱的输出轴通过同步皮带与同一根可伸缩同步轴相连，在两根输出轴相对一端均配置有夹紧装置；

超声滚压系统，安装在所述同步运动基座上并位于金属工件的一侧，同步运动基座用于带动超声滚压系统沿金属工件轴向做进给运动，所述超声滚压系统包括有一可径向靠近/远离所述金属工件的超声滚压头；

深冷场加载装置，所述深冷场加载装置设置有上下两组对称设置的喷头，每组喷头用于向金属工件径向喷射深冷介质，所述深冷介质为超临界二氧化碳、液氮或液氦中的一种。

进一步的，在第一主轴箱上固定有一用于驱动所述可伸缩同步轴转动的主轴伺服电机。

进一步的，所述表面强化装置还包括：用于驱动第一主轴箱做远离第二主轴箱水平横移的横移驱动系统，横移驱动系统配置有一套水平驱动装置与第一主轴箱相连，所述水平驱动装置包括有液压驱动装置和活塞杆，其中，液压驱动装置上安装有油压阀，液压驱动装置通过活塞杆与第一主轴箱相连；

两个主轴箱均安装在床身的滑轨上。

进一步的，每组喷头均包含有多个喷嘴，同一喷头上的多个喷嘴沿金属工件的轴线分布。

进一步的，两组喷头安装在支架的一端，所述支架的另一端固定在第三基座上，第三基座安装在第二主轴箱上；

所述第三基座上设置有若干呈矩阵式分布的螺纹孔，所述支架的另一端在所述第三基座上的位置可调。

进一步的，所述超声滚压头沿所述金属工件径向方向靠近/远离所述金属工件。

一种利用上述表面强化装置对金属工件进行表面强化的方法，包括如下步骤：

S1、将金属工件轴向的两端固定在两个夹紧装置之间，并使金属工件处于两组喷头的喷射交线上；

S2、启动双主轴同步旋转系统，两个夹紧装置同步转动，带动金属工件按设定转速和转向旋转，同步运动基座运行带动超声滚压系统按设定进给速度和方向沿金属工件轴向进给运动；

S3、启动超声滚压系统，超声滚压系统的超声滚压头径向靠近金属工件，并继续沿金属工件轴向做进给运动，对旋转的金属工件进行深冷场辅助下的超声滚压表面强化；