[发明专利]一种材料表面超声冲击强化装置及方法

说明书

本发明提供一种材料表面超声冲击强化装置，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。本发明还提供一种材料表面超声冲击强化方法，拉伸加载模块能够实现带动试件进行旋转运动，在传统UNSM基础上对试样施加轴向预拉伸应力，进一步提升试件残余压缩应力，提高材料寿命；超声加载模块对试件表面的冲击强化，能够调节静载荷、振幅、冲击次数、进给速度等参数，能够改变材料表面的粗糙度、硬度、残余压应力，从而改善材料的疲劳性能、力学性能、以及抗腐蚀性能。

技术领域

本发明涉及材料表面改性装置及方法，特别涉及一种材料表面超声冲击强化装置及方法。

背景技术

众所周知，金属材料的应用涉及到生活、生产的多个领域，金属材料最常见的加工工艺有铸造、压力加工和焊接，成型的材料经过适当的检测方法检测其组织及性能缺陷，再对其进行后处理，满足使用及性能要求。任何产品制造的第一步是选材，材料最常见的失效形式为磨损、腐蚀、断裂，失效通常源于材料表面，为了提高金属材料的强度、硬度、刚性、耐磨性、耐腐蚀等性能，一般需要对金属材料表面进行改性及强化。

超声表面纳米晶改性(UNSM)起源于韩国，经过发展以及大量实验后，证实UNSM能够使材料表面产生纳米晶层，这种晶层能够增加材料表面硬度。UNSM还能够显著增加材料内部的残余压应力，残余压应力的增加会延长材料的疲劳寿命，改善耐腐蚀性。由于UNSM以20kHz的频率在材料表面不断冲击，对材料表面的粗糙度有一定影响，但最终结果是表面粗糙度的增大还是减小，这取决于材料原始的表面粗糙度状况，如，3D打印材料经过UNSM后，表面粗糙度减小，但一些钛合金经过UNSM后，表面粗糙度增大。基于上述UNSM对材料硬度、残余压应力、表面粗糙度、疲劳寿命、耐腐蚀性等的影响，有人将UNSM技术应用到轴承的修补上，修补后的轴承参数与新轴承参数大致一样。至于UNSM后的纳米晶层厚度、残余压应力大小等，则取决于UNSM过程中的参数选择及搭配，如静载荷、振幅、冲击次数、进给速度等。

考虑到钛合金塑性差，冲击的力度大可能会损坏钛合金，冲击的力度小，达不到预期效果，所以应提高钛合金塑性后再进行UNSM，即改进UMSM。基于材料表面残余压应力能够延长材料疲劳寿命、提高耐腐蚀性能这一现象，本发明希望在UNSM基础上，能够提供一种对试件进行预拉伸，使材料产生残余压应力，然后保持拉伸力不变，进行超声冲击的装置及方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种材料表面超声冲击强化装置，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，底座上沿伺服电缸的轴向设有导轨，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；试件两端被第一夹具和第二夹具夹持固定。第一带传动旋转组件和第二带传动旋转组件的旋转带轮能够带动第一夹具和第二夹具旋转。

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；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。

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。