超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置，包括靜壓力施加裝置、超聲波發(fā)生器、電火花電源、超聲沖擊槍、沖擊部件，靜壓力施加裝置與超聲沖擊槍相連，超聲波發(fā)生器與超聲沖擊槍相連，在超聲沖擊槍的前端設(shè)置沖擊部件，電火花電源分別與沖擊部件和工件相連，復(fù)合加工時(shí)，沖擊過(guò)程與電火花放電過(guò)程高速交替進(jìn)行。本實(shí)用新型實(shí)施過(guò)程中，超聲沖擊過(guò)程使工件表面產(chǎn)生塑性變形，隨之進(jìn)行的電火花放電使工件和沖擊部件局部產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，達(dá)到短時(shí)熔融狀態(tài)，使基體表面與工作介質(zhì)或沖擊部件中元素發(fā)生反應(yīng)，得到與基體緊密冶金結(jié)合的表面膜，并具有沿深度方向呈梯度變化的殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化效果，該方法所需設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗電低，污染小。
【專(zhuān)利說(shuō)明】超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】，更加具體地說(shuō)，涉及超聲沖擊處理與電火花
處理復(fù)合加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲沖擊處理最初應(yīng)用于提高焊接接頭的疲勞性能。由于其可以在工件表面及次表面引入殘余壓應(yīng)力，改善焊接接頭焊趾部位應(yīng)力集中，使受沖擊表面及次表面呈梯度晶粒細(xì)化乃至表面納米化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其給予了大量關(guān)注。將超聲沖擊處理應(yīng)用于材料的表面加工，同樣可以引入殘余壓應(yīng)力及表面納米化，從而提高材料表面的強(qiáng)度、硬度、耐磨以及耐蝕等性能。電火花表面改性技術(shù)是利用工件和電極之間的電火花放電，在工件表面形成一層所要求性能的處理層，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化、改性的技術(shù)。基于電加工方式的電火花放電表面強(qiáng)化技術(shù)是表面強(qiáng)化技術(shù)的重要組成部分，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于模具、刀具及機(jī)械零件的表面強(qiáng)化和磨損部位的修復(fù)，具有很大的應(yīng)用空間。相關(guān)的專(zhuān)利有超聲振動(dòng)噴汽式電火花復(fù)合加工工藝及專(zhuān)用設(shè)備(CN101264535A)、超聲輔助電火花沉積修復(fù)與超聲拋光一體化裝置及其方法(CN 101284341A)和超聲振動(dòng)輔助電火花脈沖放電表面強(qiáng)化工藝(CN 101967536A)等。目前常見(jiàn)的超聲輔助電火花加工方法是在工具電極或工件上輔助超聲振動(dòng)，使二者間的放電間隙做超聲變化，從而使電火花表面合金化生成的表面強(qiáng)化層厚度分布均勻，性能得到進(jìn)一步改善。以上方法所得到的強(qiáng)化表面由于經(jīng)歷熱循環(huán)，不可避免地會(huì)存在殘余拉應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致表面裂紋并降低其疲勞性能?，F(xiàn)有技術(shù)的研究往往分別集中在兩種加工方式各自的運(yùn)行方法和加工效果，鮮有關(guān)于兩者結(jié)合使用的報(bào)道。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供超聲沖擊處理與電火花復(fù)合加工裝置，以超聲沖擊處理和電火花放電表面強(qiáng)化向耦合，以使工件表面化合物膜層與基體金屬實(shí)現(xiàn)緊密的冶金結(jié)合，同時(shí)在整個(gè)被處理區(qū)域具有沿深度方向呈梯度的殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化效果，同時(shí)方法操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性強(qiáng)、重復(fù)性好。
[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0005]超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置，包括靜壓力施加裝置、超聲波發(fā)生器、電火花電源、超聲沖擊槍、沖擊部件、超聲沖擊槍殼，其中:
[0006]所述靜壓力施加裝置與超聲沖擊槍殼相連，并為超聲沖擊槍提供靜壓力；
[0007]所述超聲波發(fā)生器與超聲沖擊槍相連，并為超聲沖擊槍提供超聲波動(dòng)力；
[0008]在所述超聲沖擊槍的前端設(shè)置沖擊部件，所述電火花電源分別與沖擊部件和工件相連，以使在沖擊部件和工件之間形成電火花放電；
[0009]在上述復(fù)合加工裝置中，將超聲沖擊槍整體固定置于超聲沖擊槍殼中，在所述超聲沖擊槍殼的前端固定設(shè)置超聲沖擊槍前端卡套，所述沖擊部件設(shè)置在超聲沖擊槍前端卡套中，并與超聲沖擊槍前端卡套之間留有間隙；在超聲沖擊槍前端卡套的側(cè)面上設(shè)置工作介質(zhì)入口。
[0010]在上述復(fù)合加工裝置中，所述沖擊部件為尺寸合適的沖擊球，或者沖擊針。
[0011]在上述復(fù)合加工裝置中，所述工作介質(zhì)為壓縮空氣，或者工作液，例如現(xiàn)有技術(shù)中線切割使用的工作液。
[0012]利用上述超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置進(jìn)行加工的方法，按照下述步驟進(jìn)行:步驟1，將工件安裝于工作臺(tái)面，連接電火花電源的一極，位于超聲沖擊槍前端的沖擊部件連接電火花電源另一極；步驟2，開(kāi)啟工作介質(zhì)的輸入開(kāi)關(guān)，以使沖擊部件和工件處于所需的工作介質(zhì)環(huán)境中；步驟3，開(kāi)啟靜壓力施加裝置使超聲沖擊槍移動(dòng)，直至沖擊部件和工件接觸，并保持靜壓力不變；步驟4，開(kāi)啟超聲波發(fā)生器，以使沖擊部件在工件和超聲沖擊槍前端之間振動(dòng)；步驟5,待沖擊部件的沖擊速度均勻后，開(kāi)啟電火花電源，以使沖擊部件和工件之間產(chǎn)生電火花；步驟6，沖擊部件和工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以使沖擊部件對(duì)工件表面進(jìn)行超聲沖擊和電火花的復(fù)合加工。
[0013]本實(shí)用新型利用超聲沖擊技術(shù)與電火花技術(shù)復(fù)合使工件表面快速陶瓷化或合金化的方法。利用超聲波發(fā)生器輸出的超聲頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)放大后輸出端(變幅桿末端)輸出振動(dòng)幅值，并傳至沖擊部件，沖擊部件在輸出端與工件間高速振動(dòng)，將能量傳于工件。將超聲沖擊與電火花技術(shù)復(fù)合后，復(fù)合處理過(guò)程如下見(jiàn)圖2所示:超聲沖擊球沖擊工件時(shí)，沖擊球與工件接觸，形成電路短路，工件發(fā)生塑性變形；沖擊球從工件彈起時(shí)，電路開(kāi)路，因?yàn)榇藭r(shí)兩電極間間距極小，工作介質(zhì)(即通過(guò)在超聲沖擊槍前端卡套側(cè)面設(shè)置的工作介質(zhì)入口引入的工作氣或工作液)瞬間被擊穿，電火花形成。電火花持續(xù)過(guò)程中，工作介質(zhì)被電離，大量的正離子和電子分別轟擊電路兩級(jí)(即工件和沖擊部件)，賦予兩極大量能量，促使其與電離后的介質(zhì)三者之間發(fā)生元素傳遞及反應(yīng)；之后沖擊部件再次與工件接觸，對(duì)工件及其表面生成的反應(yīng)物再進(jìn)行沖擊……如此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，在工件表面化合物膜層與基體金屬實(shí)現(xiàn)致密的冶金結(jié)合，同時(shí)在整個(gè)被處理區(qū)域具有沿深度方向呈梯度的晶粒細(xì)化效果和殘余壓應(yīng)力。
[0014]在上述加工過(guò)程中，選擇將超聲沖擊槍和沖擊部件予以固定，工件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；或者將工件進(jìn)行固定，超聲沖擊槍和沖擊部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如附圖3所示，a為單一方向加工模式，即在加工過(guò)程中沖擊部件在工件上始終按照同一方向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如附圖所示為工件固定，沖擊部件在工件表面自左向右移動(dòng)；b為來(lái)回加工模式，即在加工過(guò)程中沖擊部件在工件上的相鄰兩條運(yùn)動(dòng)軌跡的方向相反，如附圖所示為工件固定，沖擊部件在工件表面來(lái)回移動(dòng)，第一條為自左向右，第二條為自右向左，以此類(lèi)推，V表示超聲沖擊與電火花復(fù)合加工模式中沖擊部件的運(yùn)動(dòng)速度(即復(fù)合加工速度)，d為超聲沖擊與電火花復(fù)合加工模式中沖擊部件在工件表面運(yùn)動(dòng)軌跡的間隔(即相鄰兩條復(fù)合加工帶的距離)，箭頭表示沖擊部件的運(yùn)動(dòng)方向(即復(fù)合加工方向)。
[0015]在上述加工過(guò)程中，選擇超聲沖擊槍的輸出振幅設(shè)定范圍為I~40 μ m，優(yōu)選5—20 μ m;超聲沖擊 槍或者工件的移動(dòng)速度設(shè)定范圍為40~200mm/min，優(yōu)選100— 150mm/min ;沖擊部件在工件表面運(yùn)動(dòng)軌跡的間隔設(shè)定范圍為0.1~0.8mm,優(yōu)選0.3一0.6mm ;超聲沖擊槍對(duì)工件的靜壓力設(shè)定范圍為O~400N ;優(yōu)選100— 200N ;電火花電源輸出電源的設(shè)定范圍為5~30A，優(yōu)選10 — 20A。[0016]本實(shí)用新型的技術(shù)方案基于超聲沖擊與電火花復(fù)合加工方法，選取參數(shù)恰當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)100%金屬表面陶瓷化或合金化，并在表面及次表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化現(xiàn)象。表面陶瓷層和合金層厚度根據(jù)具體材料及工藝參數(shù)而定。超聲沖擊與電火花復(fù)合加工方法設(shè)備簡(jiǎn)單，在現(xiàn)有的車(chē)床、銑床及加工中心基礎(chǔ)上進(jìn)行改造即可，其設(shè)計(jì)合理，制造成本低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為靜壓力施加裝置；2為超聲波發(fā)生器；3為電火花電源；4為超聲沖擊槍殼；5為超聲沖擊槍?zhuān)?為工作液(氣)入口 ；7為沖擊部件；8為工件；9為超聲沖擊槍前端卡套；10為超聲沖擊槍前端端頭。
[0018]圖2為本實(shí)用新型超聲沖擊與電火花復(fù)合加工過(guò)程的原理示意圖，其中I為沖擊部件，2為電火花，3為工件。
[0019]圖3為本實(shí)用新型超聲沖擊與電火花復(fù)合加工模式的示意圖，其中a為單一方向加工模式，b為來(lái)回加工模式，V表示超聲沖擊與電火花復(fù)合加工模式中沖擊部件的運(yùn)動(dòng)速度(即復(fù)合加工速度)，d為超聲沖擊與電火花復(fù)合加工模式中沖擊部件在工件表面運(yùn)動(dòng)軌跡的間隔(即相鄰兩條復(fù)合加工帶的距離)，箭頭表示沖擊部件的運(yùn)動(dòng)方向(即復(fù)合加工方向)。
[0020]圖4為無(wú)電火花的超聲沖擊加工強(qiáng)化樣品表面形貌圖(SEM圖)。
[0021]圖5為利用本實(shí)用新型超聲沖擊與電火花復(fù)合加工強(qiáng)化樣品表面形貌圖(SEM圖)。
[0022]圖6為利用本實(shí)用新型超聲沖擊與電火花復(fù)合加工強(qiáng)化樣品截面形貌圖(SEM圖)。
[0023]圖7為超聲沖擊與電火花復(fù)合加工表面強(qiáng)化層、超聲沖擊強(qiáng)化層及未處理母材的X射線衍射圖譜，其中圓圈為T(mén)i ;五角星為T(mén)iN。
[0024]圖8為超聲沖擊與電火花復(fù)合加工表面強(qiáng)化層、超聲沖擊強(qiáng)化層及未處理母材表面沿深度的殘余應(yīng)力曲線，其中正方形代表超聲沖擊與電火花復(fù)合加工；圓形代表超聲沖擊處理；三角形代表未處理的母材。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作以詳細(xì)描述。以TC4表面超聲沖擊與電火花復(fù)合強(qiáng)化為研究對(duì)象，利用超聲沖擊與電火花放電過(guò)程的交替進(jìn)行，對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化。TC4合金元素含量如下表所示:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置，其特征在于，包括靜壓力施加裝置、超聲波發(fā)生器、電火花電源、超聲沖擊槍、沖擊部件、超聲沖擊槍殼，其中: 所述靜壓力施加裝置與超聲沖擊槍殼相連；所述超聲波發(fā)生器與超聲沖擊槍相連；在所述超聲沖擊槍的前端設(shè)置沖擊部件，所述電火花電源分別與沖擊部件和工件相連；將超聲沖擊槍整體固定置于超聲沖擊槍殼中，在所述超聲沖擊槍殼的前端固定設(shè)置超聲沖擊槍前端卡套，所述沖擊部件設(shè)置在超聲沖擊槍前端卡套中，并與超聲沖擊槍前端卡套之間留有間隙；在超聲沖擊槍前端卡套的側(cè)面上設(shè)置工作介質(zhì)入口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置，其特征在于，所述沖擊部件為沖擊球或者沖擊針。
【文檔編號(hào)】C21D1/09GK203754763SQ201420011630
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】王東坡, 柳陽(yáng), 吳良辰, 鄧彩艷, 曹舒 申請(qǐng)人:天津大學(xué)