[发明专利]一种材料表面超声冲击强化装置及方法

权利要求书

1.一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：包括拉伸加载模块、超声加载模块、底座和三轴滑台，所述的拉伸加载模块两端固定在底座上，所述的超声加载模块与三轴滑台相连，通过三轴滑台固定在底座上，超声加载模块位于拉伸加载模块的上方；试件固定在拉伸加载模块的夹具上；

所述的拉伸加载模块包括伺服电缸、第一带传动旋转组件、第二带传动旋转组件、第一夹具和第二夹具，所述的伺服电缸通过第一肋板固定在底座上，伺服电缸与第一带传动旋转组件相连；所述的第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件相对设置，第一带传动旋转组件底部设有滑块，底座上设有导轨，第一带传动旋转组件通过滑块与导轨滑动连接，第二带传动旋转组件通过第二肋板固定在底座上；第一带传动旋转组件的旋转带轮与第一夹具相连，第二带传动旋转组件的旋转带轮与第二夹具相连；所述的第二带传动旋转组件的旋转带轮与第二夹具之间设有拉力传感器，拉力传感器的一端通过第一法兰与第二夹具相连，另一端通过第二法兰与第二带传动旋转组件的旋转带轮相连；试件两端被第一夹具和第二夹具夹持固定；

所述的超声加载模块包括连接板、上端固定板、冲击力传感器、上传力盘、传力杆、下传力盘和超声振子，所述的连接板与三轴滑台相连，上端固定板与连接板上部固定，冲击力传感器上端与上端固定板相连，下端与上传力盘相连；下传力盘通过传力杆与上传力盘相连；下传力盘包括两层环形传力盘，两层环形传力盘夹持在超声振子轴肩的上下两侧，传力杆的下部轴肩抵接在上层环形传力盘上表面，穿过两层环形传力盘上的连接孔，下端通过螺母紧固；

所述的三轴滑台的两个支脚通过支撑台固定在底座的横向两端，能够带动超声加载模块在横纵向及竖向三个方向运动。

2.根据权利要求1所述的一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：所述的第一带传动旋转组件的旋转带轮与第一夹具之间通过双端法兰相连。

3.根据权利要求2所述的一种材料表面超声冲击强化装置，其特征在于：所述的第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的结构相同，包括壳体、旋转带轮、伺服电机，所述的旋转带轮一端与壳体枢接，伺服电机固定在壳体上，伺服电机的输出轴通过传动带与旋转带轮传动连接。

4.一种材料表面超声冲击强化方法，利用权利要求1-3所述的任意一种材料表面超声冲击强化装置进行材料预拉伸表面超声冲击强化，步骤如下：

步骤一、试件的装夹：

将试件两端分别通过第一夹具和第二夹具夹紧固定；

步骤二、预拉伸载荷施加：

驱动伺服电缸收缩，使伺服电缸带动第一带传动旋转组件通过滑块在导轨上移动，通过第一夹具和第二夹具将拉伸载荷传递到试件上，使试件产生残余压应力；拉力大小通过拉力传感器测量；

步骤三、超声冲击载荷施加：

保持步骤二中的预拉伸载荷不变，在试件已有残余压应力的基础上，驱动三轴滑台，调整超声振子位置；驱动第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的旋转带轮旋转，带动试件进行旋转运动主运动；驱动超声振子，设置振幅、冲击次数，同时通过调整三轴滑台运动参数，调整超声振子的静载荷与进给速度；

其中，超声振子对试件的打击力如下公式(1)：

F＝P_sr+P_am·sin(2πft) (1)

F——总打击力，N；

P_st——静态负载，N；

P_am——动载荷幅值，N；

f——频率，Hz；

t——时间，s；

试件微坑数如下公式(2)：

n——微坑数，m^-2；

f——频率，Hz；

R——球或销接触待处理表面的半径，m；

V——机床主轴转速，rev/s；

S——进给速率，m/rev。