[发明专利]一种机器人专用的电-磁-热-声多场复合滚压强化方法与装置

说明书

本发明公开了一种机器人专用的电‑磁‑热‑声多场复合滚压强化方法与装置，装置包括六自由度工业机器人、激光热场‑超声应力场组件、随形接触电刷机构、脉冲磁场导引机构、磁场强度监控系统、漏电监测系统、高频电源、脉冲磁场发生电源、多场滚压总控制柜；通过多场耦合的共同作用，解决针对超高强度钢结构件单一场和特定双场耦合强化效果不明显的问题，在大幅改善超高强度钢结构件表面的质量和零件表层的残余应力分布的同时，更加高效的引入更大的表层残余压应力，进一步提高超高强度钢结构件的耐磨性、耐腐蚀性等物理、化学性能，最终实现超高强度钢结构件疲劳寿命的提高。

技术领域

本发明涉及机器人加工装备技术领域，尤其涉及超高强度钢结构件电-磁-热-声多场复合辅助表面滚压强化加工装置。

背景技术

我国高端装备制造水平与国外发达国家相比，仍有较大差距，尤其表现在关键钢结构件服役寿命低、可靠性差。比如车辆中大量的高强度轴齿类零件往往承受循环高载荷的作用，其疲劳断裂问题严重制约整车性能的提升；风力发电机叶片、高铁螺栓、精密轴承、重载齿轮、连杆等关键结构件的疲劳失效问题也是层出不穷，对国民经济、国防安全构成重大威胁。研究发展新型抗疲劳制造技术，提升超高强度刚结构件抗疲劳性能，是满足高端装备性能发展的基础，对于国家安全与发展具有重要意义。

电-磁-热-声多场复合辅助滚压加工技术是一种将高密度电脉冲、高强度脉冲磁场、快速表面预热、高频率超声振动与静载滚压相结合的新兴表面强化工艺。传统的滚压加工，通过结合上述某一特定的物理场的相关研究已经非常成熟了。其中，高密度电脉冲辅助滚压加工，主要利用的是高密度电脉冲作用时的电子流及其热效应，对材料的位错滑移机制、相变机制、再结晶机制产生影响，其电致塑性效应，能够显著提高金属材料的塑性变形能力，减少加工硬化，还有研究表明脉冲电流能够修复材料中的微裂纹，起到延长结构件的服役寿命的作用；高强度脉冲磁场助滚压加工，则能利用强磁场将材料原子和分子的排列、匹配、迁移等行为进行改变，这一过程伴随磁畴转动、磁致伸缩效应，引起晶格位错，宏观上表现为材料的组织和性能发生变化；热场辅助滚压加工，即在滚压前先对表面进行加热，在不改变表面组织的温度下软化工件表层，能够显著改变塑性形变，对变形回复、再结晶机制产生影响；目前使用最为广泛的是超声振动辅助滚压，其利用高频和振幅两个参数结合，使得材料表面发生高应变率变形，发挥材料的应变率效应，在材料表层高效率的形成高残余压应力和硬化层，一定程度上，应变率能够影响材料再结晶机制，还能机械诱导材料组织相变。

传统的滚压机床，在进行外加物理场辅助时，通常其外加物理场发生设备是独立可控制的，主要依靠定制的连接柄将的相应发生装置安装在数控机床刀架上,利用数控机床的分度功能控制滚压的进刀量。这种辅助物理场的主要缺点在于采用数控机床滚压受限于其紧凑的机械结构，空余的机床空间较少，不当的增加外加物理场发生设备极有可能会产生运动干涉的问题，且数控机床结构复杂，电气系统改造困难；加之这类数控机床价格昂贵，控制系统又往往是封闭系统，数控改造困难，不适用于大批量生产加工。

因此，综合考虑传统机床用超声滚压装置自由度受限与多场设备增添困难，外加物理场发生设备使用不便和存在安全隐患的问题，如何提出一种能够使用新型复合强化技术原理对超高强度钢材料进行表面强化，实现表面粗糙度大幅降低，表层大幅值(高于初始材料的屈服强度)、大层深残余压应力，表层微观组织纳米梯度变化，抑制表面裂纹萌生的电-磁-热-声多场复合辅助滚压装置具有重要的现实意义。

发明内容