[发明专利]对金属工件施加多种物理场并辅助超声滚压的表面强化装置及方法

权利要求书

1.一种对金属工件施加多种物理场并辅助超声滚压的表面强化装置，所述金属工件（3）为圆柱状工件，其特征在于，所述表面强化装置包括：

双主轴同步旋转系统（1），所述双主轴同步旋转系统（1）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（1-11），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（1-7）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（2），安装在所述同步运动基座（1-11）上并位于金属工件（3）的一侧，同步运动基座（1-11）用于带动超声滚压系统（2）沿金属工件（3）轴向做进给运动，所述超声滚压系统（2）包括有一可径向靠近/远离所述金属工件（3）的超声滚压头；

弹性应力场加载装置，包括横移驱动系统（4）以及固定在两个夹紧装置上的环状夹具，两个所述环状夹具相对的一端设有安装孔，金属工件（3）轴向的两端固定在两个环状夹具的安装孔内，横移驱动系统（4）带动第一主轴箱（1-1）做远离第二主轴箱（1-2）的水平横移，对所述金属工件（3）按设定的应力水平做拉拔处理，进而对金属工件（3）施加弹性应力场；

热场加载装置（502b），所述热场加载装置（502b）设有位于超声滚压头两侧的对金属工件（3）中间部位加热的加热器（502b-4），加热器（502b-4）与反馈调节控制器（502b-3）相连，所述反馈调节控制器（502b-3）用于实时控制所述加热器（502b-4）的加热功率使加热部位升温后维持在指定温度，金属工件（3）中间部位的加热温度不超过金属工件（3）所用材料的第二相析出温度，所述加热器（502b-4）为设置在超声滚压头两侧并卷绕在金属工件（3）外圈的两组加热线圈绕组，所述加热线圈绕组与金属工件（3）外径之间有不大于工件直径的间隙以不影响金属工件（3）的转动并高效加热金属工件（3）；

深冷场加载装置（503a），所述深冷场加载装置（503a）设置有上下两组对称设置的喷头（503a-1），每组喷头（503a-1）用于向金属工件（3）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；

超声滚压结束后卸载热场，随后依次施加和卸载深冷场在金属工件表层产生巨大的温度下降梯度，从而进一步提高由有热场辅助超声滚压所产生的表层残余压应力的水平和层深，并且，

在施加热场步骤前施加弹性应力场，并在卸载深冷场步骤后卸载弹性应力场在金属工件内引发弹性应力叠加和合力-合力矩再平衡，从而再更进一步提高由深冷场-热场耦合辅助超声滚压所产生的表层残余压应力的水平和层深。

2.如权利要求1所述的表面强化装置，其特征在于，在第一主轴箱（1-1）上固定有一用于驱动所述可伸缩同步轴（1-7）转动的主轴伺服电机（1-5）；

第三基座（1-14）安装在第二主轴箱（1-2）上。

3.如权利要求1所述的表面强化装置，其特征在于，横移驱动系统（4）配置有一套水平驱动装置与第一主轴箱（1-1）相连，所述水平驱动装置包括有液压驱动装置（4-1）和活塞杆（4-2），其中，液压驱动装置（4-1）上安装有油压阀，液压驱动装置（4-1）通过活塞杆（4-2）与主轴箱相连；

两个主轴箱均安装在床身（1-10）的滑轨上。

4.如权利要求1所述的表面强化装置，其特征在于，两组喷头（503a-1）安装在支架（503a-2）的一端，所述支架（503a-2）的另一端固定在第三基座（1-14）上，每组喷头（503a-1）均包含有多个喷嘴，同一喷头（503a-1）上的多个喷嘴沿金属工件（3）的轴线分布；

所述第三基座（1-14）上设置有若干呈矩阵式分布的螺纹孔，所述支架（503a-2）的另一端在所述第三基座（1-14）上的位置可调。

5.如权利要求1所述的表面强化装置，其特征在于，所述超声滚压头沿所述金属工件（3）径向方向靠近/远离所述金属工件（3）。

6.如权利要求1所述的表面强化装置，其特征在于，夹紧装置为爪盘，

环状夹具为截面呈“T”型的套筒，前端设置有所述安装孔，后端设置有固定在所述爪盘中心孔内的凸台。