电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法技术

一种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法，包括步骤：1)在支撑装置上装夹金属工件；2)施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层。本方法以电致塑性、超声冲击及滚压作用相结合实现金属材料表面强化处理，与单纯的超声滚压加工相比，本方法可使强化层作用厚度进一步加深，工件最表面硬度进一步提高。特别是对于本身硬度很高或加工硬化严重的一些难加工金属材料来说，用本方法对其表面强化处理，可以显著提高强化层质量，大大提高加工效率，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种，包括步骤：1)在支撑装置上装夹金属工件；2)施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层。本方法以电致塑性、超声冲击及滚压作用相结合实现金属材料表面强化处理，与单纯的超声滚压加工相比，本方法可使强化层作用厚度进一步加深，工件最表面硬度进一步提高。特别是对于本身硬度很高或加工硬化严重的一些难加工金属材料来说，用本方法对其表面强化处理，可以显著提高强化层质量，大大提高加工效率，降低生产成本。【专利说明】
本专利技术属于金属加工领域，具体涉及一种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料 表面强化处理的方法。
技术介绍
近年来，我国国民经济高速发展，在航空航天、工程机械、医疗器械、海洋工程和船 舶制造等领域取得了巨大成就。但同时，这些行业也对服役机械零部件的可靠性提出了更 高的要求，这就要求机械零部件具有高的表面硬度、高耐磨性、高抗疲劳性、高表面光洁度 和良好的耐蚀性等综合性能，这是当下我国机械制造行业所面临的主要课题。 超声滚压加工是近年兴起的一种新的金属材料表面强化加工方法。其基本原理是 利用硬度很高的光滑滚珠滚压金属材料表面，同时对滚珠施加沿工件表面法线方向的超声 振动，将超声冲击能量和滚压作用相结合，在金属材料表面产生强烈的塑性变形和加工硬 化而形成表面强化层，形成表面压应力，并大大降低材料表面粗糙度。该方法可获得高硬 度、高耐磨性、高抗疲劳性、高表面光洁度和抗压应力腐蚀的金属表面。 金属材料表面超声滚压加工的作用机理是使金属材料表面受到冲挤而发生剧烈 塑性变形，导致工件表层的位错密度增大，表层晶粒细化，表层金属发生强烈的加工硬化而 形成表面强化层。表面强化层具有很高的硬度，其继续发生塑性变形的能力相比强化前大 大下降。超声滚压加工如同在金属材料表面形成了一个高硬度的保护壳，进而阻止工件次 表层金属塑性变形的进一步发生，其结果就是加工后的工件表面硬化层很浅。另一方面，当 位错增殖主导的晶粒细化与晶界迁移主导的晶粒粗化达到平衡状态，进一步的塑性变形已 不能使晶粒更加细化，材料的微观结构趋于稳态达到极限晶粒尺寸。此时，强化层最表层的 硬度也会相应达到一定的极限，无法进一步提高。特别对于一些本身硬度很高或加工硬化 严重的难加工金属材料来说，其表面往往是高硬度低塑性状态，用单纯的超声滚压加工方 法使其表面产生强烈的塑性变形，进而在其表层获得较大深度且表面硬度很高的表面强化 层是非常困难的。因此，如何突破剧烈塑性形变的晶粒细化极限和高硬度低塑性材料本身 的属性限制，获得更高的表面硬度和更深的表面强化层是当前金属材料表面加工技术的主 要研究方向。
技术实现思路
鉴于现有金属材料表面超声滚压加工技术中存在的问题，本专利技术提供一种电致塑 性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理的方法。其采用电致塑性、超声冲击及滚压 作用相结合实现金属材料表面强化处理。脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应能 显著降低金属工件表层的塑性变形抗力，减弱工件表层的加工硬化，使加工形变层发生动 态回复或动态再结晶，促使工件表层晶粒进一步细化，从而进一步提高工件的表面硬度。同 时，由于表层加工硬化程度减小，工件次表层塑性变形能力增强，晶粒细化层在超声滚压作 用下向表层内部更深处扩展，使强化层作用厚度进一步加深。 本专利技术提供的，包括如 下步骤： 1) .在支撑装置上装夹金属工件； 2) .施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应 和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属工 件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲击 滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层。 在步骤2)结束后，进一步可增加步骤3)，施加脉冲电流到所述金属工件的加工 区，对所述加工区的表层进行电致塑性处理；同时，由所述支撑装置带动所述金属工件旋 转，使所述超声滚压装置沿所述金属工件轴向移动，对所述加工区的表层进行超声冲击滚 压。 步骤2)、步骤3)中的脉冲电流由一个脉冲电源提供，步骤3)中所述的脉冲电流的 平均电流密度为步骤2)中所述的脉冲电流的平均电流密度的10%_50%。 步骤2)中所述脉冲电流的参数为：频率200-10000HZ，脉宽40-100μ s，平均电流 密度1-10Α · mm 2,峰值电流密度2-100 A · mm2 ;步骤3)中所述脉冲电流的参数为：频率 50-lOOOHz，脉宽 20-80μ s，平均电流密度 0. 1-5 A · rnnT2,峰值电流密度 0. 5-50 A · rnnT2。 所述支撑装置选择车床、铣床等机床。由所述超声滚压装置向所述金属工件的加 工区提供一定频率和振幅的超声振动，所述超声滚压装置具有超声滚压头(输出构件)，优 选实施例中，所述超声滚压头的曲率半径为4-50mm，硬度大于60HRC。采用车床作为支撑 装置时，在车床的刀架上安装所述超声滚压装置，其超声滚压头直接与所述金属工件的加 工区接触。所述金属工件的旋转线速度为ΙΟ-ΙδΟπ^π?ιΓ 1，所述超声滚压装置的进给量为 0· 01-1. 00mm · f1，预紧压力为100-2000Ν，超声振动频率为15000-60000ΗΖ，超声振动振幅 为 5-50 μ m〇 根据加工要求，步骤3)中所述超声冲击滚压的次数可以为1-15次；步骤2)中所 述超声冲击滚压的次数也可以为1-15次。 一种，包括如下步骤： 1) .在支撑装置上装夹金属工件； 2) .施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应 和热效应使所述加工区的表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属 工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲 击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层；其 中，所述脉冲电流的参数为：频率50-lOOOHz，脉宽20-80μ s，平均电流密度0. 1-5 Α ·πιπΓ2， 峰值电流密度〇. 5-50 A · mm 2。 常规超声滚压加工工艺中超声滚压在被加工金属工件表层产生强烈塑性变形，形 成硬度很高的表面强化层，从而阻碍工件次表层塑性变形的发生。本方法以电致塑性、超声 冲击及滚压作用相结合实现金属材料表面强化处理。其中施加的脉冲电流可对金属工件表 面强化层的组织起到调节作用，电致塑性效应能显著降低金属工件表层的塑性变形抗力， 减弱工件表层的加工硬化，使加工形变层发生动态回复或动态再结晶，促使工件表层晶粒 进一步细化，从而进一步提高工件的表面硬度。同时，由于表层加工硬化程度减小，工件次 表层塑性变形能力增强，晶粒细化层在超声滚压作用下向表层内部更深处扩展，使强化层 作用厚度进一步加深。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电致塑性与超声滚压耦合进行金属材料表面强化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：1).在支撑装置上装夹金属工件；2).施加脉冲电流到所述金属工件的加工区，借助脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应使所述加工区表层的塑性变形抗力适当减小；同时，由支撑装置带动所述金属工件旋转，通过沿所述金属工件轴向移动的超声滚压装置对所述加工区的表层进行超声冲击滚压，使所述加工区表层产生剧烈塑性变形，导致位错密度增大晶粒细化形成强化层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：唐国翌，王海波，宋国林，陈龙，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44