[发明专利]对金属工件施加弹性应力场和热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热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、热场和超声滚压，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热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热场并辅助超声滚压的表面强化装置及方法，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，金属工件固定在两夹紧装置之间；

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，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；

热场加载装置，所述热场加载装置设有位于超声滚压头两侧的对金属工件中间部位加热的加热器，加热器与反馈调节控制器相连，所述反馈调节控制器用于实时控制所述加热器的加热功率使加热部位升温后维持在指定温度。

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，在第二主轴箱上安装有第三基座；

所述加热器为设置在超声滚压头两侧并卷绕在金属工件外圈的两组加热线圈绕组，所述加热线圈绕组与金属工件外径之间有不大于工件直径的间隙以不影响金属工件的转动并加热金属工件，串联的两组加热线圈绕组与反馈调节控制器电连接，加热线圈绕组与反馈调节控制器通过支架安装在第三基座上；

所述反馈调节控制器根据监测到的金属工件加热部位的温度来实时控制所述加热器的加热功率使加热部位升温后维持在指定温度。

进一步的，所述热场加载装置还包括与反馈调节控制器相连的温度监测器，用于监测金属工件受热后的表面温度并反馈至所述反馈调节控制器。

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。

进一步的，夹紧装置为爪盘，