一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用，通过将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，本发明专利技术超声强化方法重点在于通过调整超声波加工刀具对待加工工作面的不同压力来实现对金属工件表面预置压应力，最终达到消除残余应力，提高疲劳寿命的目的。同时该超声强化方法能使金属工件表面晶粒细化，表面显微硬度提高，耐磨性和耐腐蚀性提高，从而大幅提高工件的疲劳寿命。而现有的超声加工方法主要用来降低金属工件表面的粗糙度，使金属工件表面达到镜面效果，通过本发明专利技术的超声强化方法可有效改善了金属工件的表面性能，其效果明显优于现有的超声加工方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用，属于超声加工

技术介绍
疲劳寿命，是指材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数。金属工件的疲劳损伤发生在受交变应力(或应变)作用的零件和构件中，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。在机械加工过程中，常通过不同的处理方法来提高金属工件的疲劳寿命，目前提高金属工件疲劳寿命的方法主要有：1、选用抗疲劳的材料，如合金钢；2、采用锻造工艺；3、采用热处理工艺；4、避免和减缓零件应力集中，采用去毛刺、边缘倒角、弯角处用圆角过渡是减小应力集中的有效方法；5、预置压应力；6、注意轧材、锻材等的纤维方向和主要受力方向应一致，因为在垂直纤维方向承载强度会下降20％左右；7、降荷，降温、润滑设计；8、尽可能采用对称结构，避免带有偏心的结构，在不对称处应注意局部弯曲引起的应力；9、注意材料的抗腐蚀性能；10、结构件应尽可能减少开口，特别在受拉表面尽量不开口；11、尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹。超声波强化技术是利用激活能和冲击能的复合能对金属零件进行加工，从而获得镜面零件及表面改性的一种新型加工技术。超声波强化技术的实质是将超声波能转化为机械能，利用金属在常温下冷塑性的特点，对金属零部件表面进行高频敲击，使金属零部件表面达到更理想的表面粗糙度要求，提高零件表面的显微硬度，耐磨性及耐腐蚀性。中国专利文献CN102002581A公开了一种超声冲击消除焊接中残余应力的方法，该方法主要利用超声冲击装置，该装置包括超声波发生器、声学系统和机架，超声波发生器和声学系统设置在机架上，声学系统具有换能器，通过超声波发生器将电网上50Hz工频交流点转变成超声频的20kHz交流电，用以激励声学系统的换能器，声学系统的换能器将电能转换成相同频率的机械振动，在400～800℃的温度下，将上述超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使焊缝部位表面产生足够深度的塑变层，在一定程度上提高了焊缝疲劳寿命。中国专利文献CN102560078A提供了一种钢铁材料表面纳米化的方法，采用去除材料的方式将待处理工件表面粗糙化，使表面粗糙度Ra控制在6.0-7.0μm之间；将经表面粗糙化的待处理工件安装于机床主轴上，采用超声波表面强化处理装置对待处理工件沿轴向等速密排处理。表面纳米化处理对机车车轮轮缘的综合作用，增加机车车轮轮缘的表面硬度，降低机床车轮轮缘的粗糙度；增加机车车轮轮缘的磨损抗力；晶粒逐渐变小，形成从基体到表面的梯度结构，具有均匀的残余压应力层，提高疲劳寿命。本申请旨在寻求一种超声强化方法，利用该超声强化方法能够使金属工件表面产生理想的压应力，且利用该超声强化方法能够控制在金属工件表面形成的压应力大小，最终通过在金属工件表面形成合适的压应力来提高金属工件的疲劳寿命。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法。本专利技术还提供一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法的应用。本专利技术的技术方案如下：一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2-120m/min，进给量为0.08-1.7mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为50-3000N。优选的，超声加工的参数为：线速度为20-60m/min，进给量为0.2-0.5mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为600-1800N。优选的，超声加工的次数为1～3次。优选的，超声加工的振幅为5-25μm。进一步优选的，超声加工的振幅为6-8μm。优选的，所述金属工件包括轴承、航空发动机叶片、机车车轮、车轴和抽油杆。优选的，利用超声波加工刀具对轴承进行超声加工，即利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声加工，超声加工的参数为：线速度2-100m/min，进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2400N。进一步优选的，利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈滚道和滚动体进行超声加工，超声加工的参数为：线速度3.08m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1500N。优选的，利用超声波加工刀具对航空发动机叶片进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的航空发动机叶片的表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2-10m/min，超声波刀具的进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2500N。进一步优选的，利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的航空发动机叶片的表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为3m/min，超声波刀具的进给量为0.15-0.25mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为800-1000N。优选的，利用超声波加工刀具对机车车轮进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的机车车轮的表面进行超声加工，超声加工的参数为：机车车轮的线速度为15-120m/min，进给量为0.08-0.2mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。进一步优选的，利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的机车车轮的表面进行超声加工，超声加工的参数为：机车车轮的线速度为57m/min，进给量为0.1mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1200N。优选的，利用超声波加工刀具对车轴进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的车轴的表面进行超声加工，超声加工的参数为：车轴的线速度为10-120m/min，进给量为0.1-0.6mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。进一步优选的，利用超声波加工刀具对车轴进行超声加工，超声加工的参数为：车轴的线速度50-60m/min，进给量为0.35-0.45mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为1700-1800N。优选的，利用超声波加工刀具对抽油杆进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转的杆体或/和螺纹部的表面进行超声加工，超声加工的参数为：抽油杆的线速度2-120m/min，进给量为0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-3000N。优选的，利用超声波加工刀具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2‑120m/min，进给量为0.08‑1.7mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为50‑3000N。

【技术特征摘要】
1.一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，包括以下步骤：将金
属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，
超声加工的参数为：线速度为2-120m/min，进给量为0.08-1.7mm/r，超声波加工刀具对
待加工表面的压力为50-3000N。
2.如权利要求1所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，超声
加工的参数为：线速度为20-60m/min，进给量为0.2-0.5mm/r，超声波加工刀具对待加
工表面的压力为600-1800N。
3.如权利要求1所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，超声
加工的次数为1～3次。
4.如权利要求1所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，超声
加工的振幅为5-25μm。
5.如权利要求1或2所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，
所述金属工件包括轴承、航空发动机叶片、机车车轮、车轴和抽油杆。
6.如权利要求5所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，利用
超声波加工刀具对轴承进行超声加工，即利用超声波加工刀具对轴承的外圈滚道，内圈
滚道和滚动体进行超声加工，超声加工的参数为：线速度2-100m/min，进给量为
0.08-0.8mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的压力为300-2400N；
优选的，线速度3.08m/min，进给量为0.08mm/r，超声波加工刀具对待加工表面的
压力为1500N。
7.如权利要求5所述的提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法，其特征在于，利用
超声波加工刀具对航空发动机叶片进行超声加工，即利用超声波加工刀具对沿主轴旋转
的航空发动机叶片的表面进行超声加工，超声加工的参数为：线速度为2-10m/min，超声
波刀具的进给量为0.08-0.8mm/r，超...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，赵显华，王爱福，谢祥科，赵志明，刘秀娟，
申请(专利权)人：山东华云机电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37