一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置，装置包括：机床装置、超声滚压装置、冷却润滑系统、电磁线圈、脉冲放电电极，结构简单，制造成本低低廉，可以实现定向加工，避免了能量的浪费；方法包括：利用高频脉冲电流电致塑性与脉冲磁场磁致塑性的耦合作用，促进超声滚压强化对TC4钛合金微观中位错的重排、增殖和滑移，降低晶粒间的残余应力，细化晶粒结构，使材料的裂纹和孔洞得以修复；加工后材料的强化层厚度、表面粗糙度和力学性能相比单一超声滚压加工有了显著的提升，因此该方法及装置应用前景广阔，为金属表面强化加工提供了一种新的途径。表面强化加工提供了一种新的途径。表面强化加工提供了一种新的途径。

【技术实现步骤摘要】
一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置


[0001]本专利技术涉及金属材料表面强化加工技术，特别涉及一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置。

技术介绍

[0002]TC4钛合金具有结构强度大、密度小等优点，在医疗、航空航天、特种制造等领域得到了广泛的应用。但是，该材料耐摩擦磨损和加工硬化能力较差，常规的表面加工方法例如喷丸、电镀、激光改性、渗碳处理和表面滚压等措施对其强化效果有限。由于金属表层残余应力较大会阻碍超声滚压对其的加工强化效果，导致加工后材料表面产生的强化层厚度较薄，在实际应用场合摩擦磨损过程中容易发生与原材料剥落等情况，阻碍了TC4钛合金的推广应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术中存在的问题，构思了一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，利用脉冲电场和磁场同时作用于金属工件，通过施加高频电磁耦合脉冲调整金属材料的残余应力，对超声滚压加工强化过程进行辅助加工，提高金属的表面性能；设计了一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，结构简单、加工过程高效可控，能够对金属材料实现定向作用，既保证了电能的节省，也保证实验过程的安全性。
[0004]实现本专利技术的技术方案之一是：一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，它包括：机床装置20、超声滚压装置30、冷却润滑系统40，其特征是，它还包括：电磁线圈3、脉冲放电电极5，在所述机床装置20的刀架上设置随动连接架7，在所述随动连接架7上设置两个相同相对的电磁线圈3，在所述电磁线圈3上设置导管冷却机构43，所述导管冷却机构43与冷却润滑系统40连通，在所述超声滚压装置30的压头旁设置脉冲放电电极5，在所述超声滚压装置30的压头旁设置冷却喷头42，所述的冷却喷头42与冷却润滑系统40连通。
[0005]实现本专利技术的技术方案之二是：一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，其特征是，它包括以下步骤：
[0006]1)装夹工件：在机床装置20上，用三爪卡盘21夹紧工件1一端、顶尖22顶住工件1另一端，两个相同相对的电磁线圈3分别对准工件1，工件1的轴心线与电磁线圈3轴心线重合，超声滚压装置30的压头接触工件1，脉冲放电电极5对准工件1；
[0007]2)启动机床装置：机床装置20运动参数：主轴转速F＝45rpm，进给速度Vf＝0.08mm/rev；
[0008]3)启动超声滚压装置：超声滚压装置30的滚压参数为：滚压力P＝900N，超声频率f＝30KHz，超声振幅A＝8μm；
[0009]4)启动脉冲放电电极：高频电脉冲参数为：脉冲频率H＝300Hz，均方根电流密度ρ
r
＝0.98A/mm，幅值电流密度ρ
a
＝8.62A/mm，持续时间T＝87μs；
[0010]5)启动电磁线圈：脉冲磁场中心作用于工件1上的磁场强度为B＝250mT
‑
5600mT；
[0011]6)启动冷却润滑系统：冷却润滑系统40向电磁线圈3的导管冷却机构43供给冷却润滑液冷却电磁线圈3，冷却润滑系统40向超声滚压装置30工作位置供给冷却润滑液对工件1进行冷却润滑，调整参数后，开始高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工；
[0012]7)高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工结束，关闭机床装置20。
[0013]本专利技术一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法及装置的有益效果体现在：
[0014]1、一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，通过施加高频电磁耦合脉冲调整金属材料的残余应力，对超声滚压加工强化过程进行辅助加工，提高金属的表面性能，高频脉冲电磁耦合辅助滚压可以得到更好的TC4钛合金表面强化层；
[0015]2、一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，加工过程高效可控，可以实现定向加工，避免了能量的浪费；
[0016]3、一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，结构简单，制造成本低廉，容易进行实施，增加强化层厚度，提高加工后材料的表面光洁程度，改善金属表面的力学性能。
附图说明
[0017]图1是一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置示意图；
[0018]图2是图1中A
‑
A示意图；
[0019]图3是单一超声滚压微观组织结构图；
[0020]图4是一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法强化后微观组织结构图；
[0021]图5是一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法滚压后晶粒变化原理图；
[0022]图中：1.TC4棒材工件，2.电脉冲电源，3.电磁线圈，4.导线，5.脉冲放电电极，6.磁场脉冲电源，7.随动连接架，8.夹具，9.导杆，20.机床装置，21.三爪卡盘，22.顶尖，23.刀架，30.超声滚压装置，40.冷却润滑系统，42.冷却喷头，43.导管冷却机构。
具体实施方式
[0023]以下结合附图1
‑
5和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]如附图1
‑
2所示，一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工装置，它包括：机床装置20、超声滚压装置30、冷却润滑系统40，电磁线圈3、脉冲放电电极5，在所述机床装置20的刀架上设置随动连接架7，在所述随动连接架7上设置两个相同相对的电磁线圈3，在所述电磁线圈3上设置导管冷却机构43，所述导管冷却机构43与冷却润滑系统40连通，在所述超声滚压装置30的压头旁设置脉冲放电电极5，在所述超声滚压装置30的压头旁设置冷却喷头42，所述的冷却喷头42与冷却润滑系统40连通，随动连接架7装夹在刀架23上，刀架23进给实现电磁线圈3、脉冲放电电极5和超声滚压装置30的随动加工。
[0025]一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法工作原理：在加工过程中，脉冲电源工作使脉冲电极产生高频电脉冲，同时对称电磁线圈通电产生脉冲磁场，电脉冲和
脉冲磁场相互耦合，同时作用于正在滚压强化的金属工件，利用电脉冲和脉冲磁场的电致塑性和磁致塑性效应，配合超声滚压的滚压头在金属试样表面进行高频冲击，使材料表层发生较好的塑性变形，并对材料表层和内部的微观缺陷(微小的裂纹和孔洞)进行修复，抑制微裂纹的萌生与扩展，降低再结晶的温度、电阻率和能量条件，促进材料内部应力的释放，从而达到理想的滚压强化效果。
[0026]将尺寸为200
×
φ40mm的TC4钛合金棒材工件1一端装夹在机床装置20的三爪卡盘21上，另一端由顶尖22顶住固定，将超声滚压装置30通过夹具8安装在刀架23上，通过调整夹具8角度，保证超声滚压装置30的压头刚刚与工件1表面接触，且不与对称电磁线圈3的移动路径发生干涉；另外将随动连接架7一端与刀架23进行安装固定，另一端通过润滑接触和导杆相连，随动连接架7上固定有对称分布的电磁线圈3，电磁线圈3上缠绕导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高频脉冲电磁耦合辅助超声滚压强化加工方法，其特征是，它包括以下步骤：1)装夹工件：在机床装置(20)上，用三爪卡盘(21)夹紧工件(1)一端，顶尖(22)顶住工件(1)另一端，两个相同相对的电磁线圈(3)分别对准工件(1)，工件(1)的轴心线与电磁线圈(3)轴心线重合，超声滚压装置(30)的压头接触工件(1)，脉冲放电电极(5)对准工件(1)；2)启动机床装置：机床装置(20)运动参数：主轴转速F＝45rpm，进给速度Vf＝0.08mm/rev；3)启动超声滚压装置：超声滚压装置(30)的滚压参数为：滚压力P＝900N，超声频率f＝30KHz，超声振幅A＝8μm；4)启动脉冲放电电极：高频电脉冲参数为：脉冲频率H＝300Hz，均方根电流密度ρ
r
＝0.98A/mm，幅值电流密度ρ
a
＝8.62A/mm，持续时间T＝87μs；5)启动电磁线圈：脉冲磁场中心作用于工件(1)上的磁场强度为B＝250mT
‑
5600mT；6)启动冷却润滑系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，张文康，宋达，肖鑫磊，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：