用于强化产品表面的装置、方法以及其用途制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种通过伴随小射弹撞击的机械效应或通过伴随由金属箔的电蒸发产生的等离子体引起的冲击波撞击的机械效应来强化工件、特别是金属工件的表面的方法和装置，其中所述装置包括聚合物条带(32)，所述聚合物条带在背离所述工件(10)的所述表面的一侧的表面上设置有金属箔(71)，在所述金属箔中形成箔桥(34)以形成射弹(100)，所述装置还包括两个电极(33)和(66)，所述两个电极邻近位于所述聚合物条带(32)上的金属箔(71)，其中桥(34)形成在所述金属箔(71)的接触表面区域(27)之间，并且其间形成所述等离子体的所述电极(33)和(66)安装在支撑体(41)中，扁平导体(44)和(46)通过所述支撑体连接到开关(84)，所述开关用于使用高压源(83)切换大电流和高电压，其中设置有所述金属箔(71)的聚合物条带(32)紧密邻接带有所述电极(33)和(66)的所述支撑体(41)，并且所述电极(33)和(66)突出在所述支撑体(41)的上表面之上，以提供与所施加的金属箔(71)的所述接触表面区域(27)的电接触。借助于根据本发明专利技术的装置对所述工件(10)的所述表面进行强化的方法在于强化所述工件(10)的所述表面的一个循环涉及以下动作：在将所述开关(84)闭合之后通过导体(44、46)将电流脉冲从高电压源(83)供应到电极(33、66)，在所述电极之间施加高压，从而使所述金属箔(71)上的电路在所述桥(34)的位置处短路以形成等离子体，所述等离子体膨胀并通过压缩力而作用于所述聚合物条带(32)，所述聚合物条带的一部分作为射弹(100)击中所述工件(10)的所述表面，其中除了膨胀压力外，由所述电流脉冲生成的所述等离子体还被电磁洛伦兹力(20)加速，所述电磁洛伦兹力是由电流在生成的磁场中传递通过该等离子体而引起的。生成的磁场中传递通过该等离子体而引起的。[转续页]

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于强化产品表面的装置、方法以及其用途


[0001]一方面，本专利技术涉及一种通过伴随小射弹撞击的机械效应或通过伴随由金属箔的电蒸发致使的等离子体致使的冲击波撞击的机械效应来强化工件、特别是金属工件的表面的方法。本专利技术还包括一种用于执行该方法的装置。射弹的撞击会导致工件的表面层中产生塑性变形从而引入残余机械应力。这些致使最终产品的功能机械属性的显著改善。本专利技术的一般应用注定要用于工程生产，特别是在航空航天工业中，并且通常在制造例如受到疲劳断裂的威胁的机械高应力部件的地方。

技术介绍

[0002]已知众多技术程序和方法通过作用于尤其是由金属材料所制造工件的表面层来改善制造的产品的机械属性。这提高了表面的机械抗性、抗气蚀性、抗粘附性和耐腐蚀性。这些方法通常基于通过在表面以下引入合适水平的压缩残余应力以及其深度梯度来改变表面层中的应力的原理。此种表面强化方法例如是喷丸强化，其中撞击工件表面的射弹是加速钢球。该方法相当常用，但残余应力可达到的值和材料的影响深度并不大。因此，当今正在引入更先进的方法，诸如通过一定功率激光照射在液体覆盖的工件表面上生成的光线束的作用来进行表面强化。这种高功率光束的短时间辐射在工件表面上生成冲击和变形波，这致使材料进行强化。像这样的新技术在延长关键应力零件的使用寿命方面具有巨大的潜力，所述关键应力零件诸如飞机和火箭发动机、空间装置结构、蒸汽涡轮叶片、高性能泵叶轮、核反应堆容器等等。
[0003]上面提及的先进的激光技术虽然已经在工业中得到使用，但由于投资和运营成本非常高，阻碍了其更广泛的使用。这些花费在激光表面增强上的成本通常占整个产品价格的很大一部分。还有必要克服几个复杂问题，诸如需要对要处理的表面进行直接光学触及并且需要用一层液体覆盖它。

技术实现思路

[0004]迄今为止已知的通过作用于工件表面来改善其机械属性的技术中所提及的问题通过根据本专利技术的以下方法来消除：强化射弹的撞击的工件的表面和相关联的残余应力引入表面层，其特征在于一种过程，其中由聚合物材料制成的特别是呈聚合物条带形式的射弹被定向到工件的表面并允许对其进行撞击，其中金属箔先前被施加到聚合物条带，并且通过电容器的放电引入电流脉冲，并且脉冲足够大，可熔化金属箔，使其蒸发，并且随后将其转变成膨胀的等离子体，这至少部分地通过其膨胀压力在对着被处理工件表面的方向上加速所述射弹。
[0005]根据本专利技术，实施根据本专利技术的过程也是有利的，其本质在于，由电流脉冲生成的等离子体，除了膨胀压力之外，还被由以下因素致使的电磁洛伦兹力加速：在所生成的磁场中，电流传递通过该等离子体。
[0006]根据本专利技术，实施根据本专利技术的过程也是有利的，其本质在于，射弹在工件表面的
方向上被引导通过喷嘴内的通道。
[0007]根据本专利技术，实施根据本专利技术的过程也是有利的，其本质在于，工件表面的强化在周期性重复的功能循环中进行，其中在每个循环开始时，特别是呈条带形式的聚合物物体在其长度方向上移位达桥之间的一个间隔距离，该桥之前在聚合物条带上的金属箔中形成并通过金属箔的局部变窄而产生，并且然后该条带的移动在循环的剩余时间内停止，以便通过放电产生等离子体。
[0008]特别地，使用根据本专利技术的装置来实施该方法是有利的，其本质在于，靠着工件的表面定位有特别是呈聚合物条带形式的聚合物物体的表面，在所述聚合物条带的背离工件表面的一侧上的表面上是带有桥的金属箔，并且该金属箔与两个电极电接触，一个是第一电极并且另一个是在它旁边、特别是在聚合物条带的长度方向上的第二电极，在第一电极与第二电极之间存在桥，并且其中两个电极中的每一个是电导体，具有第一导体的第一电极和具有第二导体的第二电极具有两个电容器电极板中的一个，其中所述两个电容器电极板位于电介质的相对两侧，并且这些导体连接起来，其中一个经由开关连接到高压源的输出。
[0009]在根据本专利技术的装置中实施该方法也是有利的，其本质在于，在工件表面与金属箔的相对部分之间，设置有一个喷嘴，其嘴部靠着工件的表面并且其内部通道靠着聚合物物体的表面，所述聚合物物体主要具有传递通过移位机构的活动部分的聚合物条带的形状。
[0010]在根据本专利技术的装置中实施该方法也是有利的，其本质在于，开关包括火花隙输入、火花隙输出以及它们之间的气隙。
[0011]在根据本专利技术的装置中实施该方法也是有利的，其本质在于，电导体的形状是扁平的，其宽度大于厚度。要将所需的机械应力传送到金属物体的表层，生成足以致使工件表面中的材料塑性变形的冲击波。为此，有必要达成非常高的压缩力。为此所需的能量首先在电容器中逐渐积累，在电容器放电之后，它会在几十纳秒内转移到由导电箔桥电离形成的等离子体。膨胀的等离子体将供应的能量转换成射弹的动能。因此，它靠着工件加速到每秒几公里的高速，并将大部分这种能量传递给工件。通常，需要处理更大的区域，并且这需要在计算机控制的过程中快速重复许多射弹撞击。
[0012]在图12至图14b中说明并在示例5和示例6中呈现的根据本专利技术的解决方案特别包括根据示例1至示例4的以下对实施方案的修改：
[0013]‑
开关一方面包括连接到第一导体的火花隙输入，且另一方面包括连接到同一导体的火花隙输出；此外，它们之间具有间隙，和/或
‑
在工件的表面与金属箔的一部分之间，聚合物条带与工件表面直接接触，并且该聚合物条带与金属箔机械连接，传递通过移位装置的活动部分，和/或
[0014]‑
从电容器通向电极的电导体的形状是扁平的，其宽度大于厚度，这些电导体中的一个电导体就其本身而言同时是电容器电极板，而另一个导体被开关中断。
[0015]所提出的解决方案的优点是工件表面不会被箔桥烧蚀产品污染，因为聚合物条保护它。可通过电路的电气参数来改变由等离子体膨胀引起的压力脉冲的长度，这与用一个冲击波增加处理区域的可能性一起允许层受到影响的深度更大。
[0016]要将所需的机械应力引入金属物体的表层，电容器放电会生成足够强的冲击波，
以致使工件表面的材料发生塑性变形。为此，有必要达成非常高的压缩力。使这成为可能的能量首先在电容器中逐渐积累，并在其放电之后，在几十到几百纳秒的时间内传递到由导电箔桥电离形成的等离子体。膨胀的等离子体将所供应的能量的一部分转换成冲击波，该冲击波经由聚合物条直接馈送到工件，以使得不会像示例1至4中的实施方案那样形成塑料射弹。通常，需要对更大的区域进行处理，并且为此有必要在计算机控制的过程中快速重复许多冲击波对工件表面预选定区域的撞击。通过承载新箔桥的聚合物条带的机械移位和通过在电容器放电之前将其压靠在工件的选定位置进行固定来确保快速循环重复。
[0017]由于无感电容器非常快速地放电到箔桥中，因此通过该桥的蒸发和电离形成等离子体。生成的等离子体通过其膨胀产生冲击波，该冲击波通过聚合物条带被引导进入工件表面，该表面与组件32、34、37和41直接接触。该冲击波致使工件表面层的塑性变形，并且因此在其中留下残余压缩应力。
[0018本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于通过引入压缩应力来强化工件(10)的表面的装置，其中所述装置包括聚合物条带(32)，所述聚合物条带在背离所述工件(10)的所述表面的一侧的表面上设置有金属箔(71)，在所述金属箔中形成箔桥(34)以形成射弹(100)，并且所述装置还包括两个电极(33)和(66)，所述两个电极附着到位于所述聚合物条带(32)上的所述金属箔(71)，其中所述桥(34)形成在所述金属箔(71)的接触表面区域(27)之间，其中在其间形成等离子体的所述电极(33)和(66)安装在支撑体(41)中，所述电极经由所述支撑体借助于扁平导体(44)和(46)连接到开关(84)，所述开关用于使用高压源(83)切换大电流和高电压，其中设置有所述金属箔(71)的所述聚合物条带(32)紧密地附着到带有所述电极(33)和(66)的所述支撑体(41)，并且所述电极(33)和(66)突出在所述支撑体(41)的上表面之上，以提供与所述引线金属箔(71)的所述接触表面区域(27)的电接触。2.如权利要求1所述的装置，其中为了对所述射弹(100)进行引导和加速，所述装置还包含喷嘴(31)，所述喷嘴设置有位于其入口开口的下侧的锐边(93)，其中所述喷嘴(31)的开口朝向被强化的所述工件(10)的所述表面定向。3.如权利要求2所述的装置，其中所述喷嘴(31)和/或所述支撑体(41)具有圆盘形状。4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述金属箔(71)具有扁平条带形状，并且包含所述两个电极(33)与(66)之间的局部变窄。5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述箔(71)在周期性重复的纵向距离处局部变窄以形成所述桥34。6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述聚合物条带(32)传递通过移位机构(35)，从而使所述条带(32)在所述电极(33)与(66)之间转移。7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述聚合物条带(32)由诸如双轴定向的聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺的非导电材料制成。8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其中为了积累等离子体的生成所必需的能量，所述装置包括要从高压源(83)充电的电容器(50)，其中所述电容器(50)在其外表面上包括围绕具有恒定厚度的电介质(52)的板(53)，其中所述板(53)连接到导体(44)和(46)。9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中所述导体(44)和(46)设置有电绝缘体(85)，所述电绝缘体具有至少2KV至5KV的耐高压的介电强度。10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中开关(84)具有火花隙的形式，其中火花隙输入(80)和火花隙输出(81)通过空气或其他合适的介电气体彼此分离，并且所述装置优选地包括辅助电极以用于通过高压脉冲进行切换以控制所述开关(84)，或者所述开关(84)呈级联IGBT晶体管的形式。11.如权利要求10所述的装置，其中所述火花隙输入(80)和所述火花隙输出(81)创建在所述导体(46)上。12.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其中所述桥(34)由铜、铝或金制成。13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其中所述箔桥(34)具有从个位数到几十微米的厚度。14.如权利要求1至13中任一项所述的装置，其中所述桥(34)的表面密度对应于所述聚
合物条带(32)的表面密度。15.如权利要求1至14中任一项所述的装置，其中所述喷嘴(31)由基于二氧化锆的材料制成。16.如权利要求1至15中任一项所述的装置，其中所述装置包括横移器(61)，以在所述工件(10)的表面处理的各个循环之间使所述工件移位。17.如权利要求1至16中任一项所述的装置，其中所述装置包括对所述喷嘴(31)和/或所述支撑体(41)和/或所述开关(84)的冷却。18.如权利要求1至17中任一项所述的装置，其中所述电容器(50)被制成为所述射弹(100)的发生器的一部分，以使得它至少部分地定位在所述支撑体(41)与设置有所述金属箔(71)的所述聚合物条带(32)之间，其中在所述电极(33)和(66)的位置处，所述聚合物条带(32)垂直于连接所述电极(33)和(66)的轴线安装，并且所述聚合物条带(32)在所述两个电极(33、66)上方在所述电介质(52)的两侧的上方延伸，其中在所述介电板(52)下方通过的所述导体(44)连接到位于所述介电板(52)上方的所述电极(33)。19.如权利要求18所述的装置，其中所述聚合物条带(32)具有由所述金属箔(71)的变窄形成的桥(34)，所述桥与所述条带(32)的纵向轴线垂直，以使得每个桥(34)正好导电地连接一对接触表面区域(27)，所述接触表面区域与所述条带(32)的所述纵向轴线横向地定向。20.如权利要求18所述的装置，其中所述电极(33)和(66)以对应于由所述桥(34)互连的所述接触表面区域(27)的安置的相互配置定位。21.如权利要求20所述的装置，其中所述聚合物条(32)具有由所述金属箔(71)的变窄形成的桥(34)，所述桥与所述条带(32)的所述纵向轴线斜交，以使得每个桥(34)正好导电地连接一对接触表面区域(27)，所述接触表面区域与所述条带(32)的所述纵向轴线斜交地定向。22.一种用于通过引入压缩应力来强化工件(10)的表面的装置，其中所述装置包括聚合物条带(32)，所述聚合物条带在背离所述工件(10)的所述表面的一侧的表面上设置有金属箔(71)，在所述金属箔中形成箔桥(34)以产生等离子体，并且所述装置还包括两个电极(33)和(66)，所述两个电极附着到位于所述聚合物条带(32)上的所述金属箔(71)，其中产生所述等离子体的所述桥(34)形成在所述金属箔(71)的接触区域(27)之间，其中所述电极(33)和(66)安装在支撑体(41)中，所述电极经由所述支撑体借助于扁平导体(44)和(46)连接到开关(84)，所述开关用于使用高压源(83)切换大电流和高电压，其中为了积累所述等离子体的生成所必需的能量，所述装置包括要从所述高压源(83)充电的电容器(50)，其中所述电容器(50)在其外表面上包括围绕具有恒定厚度的电介质(52)的板(53)，其中所述板(52)连接到所述导体(44)和(46)，其中所述开...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：捷克科学院热力力学研究所，
类型：发明
国别省市：