[发明专利]对金属工件施加弹性应力场和脉冲电流场并辅助超声滚压的表面强化装置及方法

说明书

本发明提供了一种对金属工件施加弹性应力场和脉冲电流场并辅助超声滚压的表面强化装置及方法，将金属工件夹持在两个主轴箱的旋转输出轴之间，表面强化装置用于对金属工件施加弹性应力场、脉冲电流场和超声滚压，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弹性应力场和脉冲电流场并辅助超声滚压的表面强化装置及方法。

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弹性应力场和脉冲电流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；

弹性应力场加载装置，包括横移驱动系统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，金属工件轴向的两端固定在两个环状夹具的安装孔内，且金属工件轴向的两端套置有绝缘套以使金属工件与环状夹具之间相互绝缘，横移驱动系统驱动第一主轴箱做远离第二主轴箱的水平横移，对所述金属工件按设定的应力水平做拉拔处理，进而对金属工件施加弹性应力场；

脉冲电流场加载装置，安装在所述同步运动基座上并且位于金属工件另一侧，所述脉冲电流场加载装置设置有上下两个对称设置的电极，两个电极的端头分别径向抵接在金属工件外径的上下两侧，且两个电极与超声滚压头均位于以金属工件轴心为圆心的同一圆周平面内，由两个电极向金属工件通脉冲电流以降低超声滚压形变抗力，同步运动基座用于同时带动超声滚压系统和所述电极按设定进给速度和方向沿金属工件轴向进给运动。

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，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，所述脉冲电流场加载装置设置有弧形支架所述弧形支架设置有弧形滑槽，在弧形滑槽上设置有两个绝缘滑套，所述两个电极分别安装在所述两个绝缘滑套上；

各所述电极的一端穿过绝缘滑套并径向抵接在金属工件的外径上，另一端通过漆包线与脉冲电源相连。

进一步的，所述同步运动基座上安装有第二基座，所述弧形支架通过连杆安装于所述第二基座上。

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。