多场协同耦合滚压平台的制作方法

本发明涉及滚压加工技术领域，尤其是涉及一种多场协同耦合滚压平台。

背景技术：

在各种制造技术日渐完善的今天，材料更新发展对装备制造的提升进入了瓶颈期，而如何使加工制备的零件满足使用设计要求的需求不言而喻。而表面是诸多机械结构和零部件直面恶劣服役环境的最前线，表面也是服役寿命的载体。金属材料在服役期间失效大部分都在表面或者始于表面。如前所言，材料的研发需要耗费大量的人力物力财力，且进展缓慢而在已有材料表面进行强化加工则是一个更为妥善稳健的达到使零件表面符合实用需求的方法，通过表面工程技术增强金属材料表面综合防护能力能显著提升金属材料的使役性能和服役寿命。

表面工程一共经历了三代技术，由单一表面工程、复合表面工程发展到了纳米表面工程。纳米表面工程是第三代表面工程技术，纳米表面工程是使用特殊的加工方法或者特定的组装技术在材料表面制备出纳米层，因纳米晶具有许多独特的性能，可以使材料表面强化、改性、赋予新功能。而滚压加工是将硬质球头以一定压力压入金属材料的表面，使硬质球头在金属材料表面滚动，利用滚动使材料表面产生塑性变形。随着滚动次数的的增加，晶粒逐渐细化，最终达到平衡。随着深度的变深，应变量和应变速率逐渐降低，金属材料的晶粒逐渐变大直至基体粗晶。金属材料在经过滚压加工后会显著提升其表面力学性能和耐磨性能，抗腐蚀及抗疲劳能力也会有很大提升。但是常规的滚压加工会使材料表层存在大量的线、面缺陷，处于热力学的亚稳态，而且制备的表面层厚度较薄。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种多场协同耦合滚压平台，可以加工不同平面材料，完成实验室及可以实际应用的材料表面强化层。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多场协同耦合滚压平台，包括机架以及安装在机架上的用于装卡工件并带有永久磁场的夹具槽、实现涡流效应加热工件的涡流加热片、两个高能电极组件和两个实现超声振动的超声振动发生器，所述夹具槽为绝缘材料制成，其槽底面内部埋设永久强磁铁，用于约束通过工件的电子流，对通过工件的高能脉冲直流电的电子产生向上的作用力，降低材料表面的塑性变形应力阈值；所述涡流加热片固定放置于夹具槽槽底上，并通过加热片电源线与加热片电源连接；两个高能电极组件位于涡流加热片的上方，并且分别前后对称的设置在夹具槽槽内的前后两侧上；所述两个超声振动发生器分别为横向超声振动发生器和垂直超声振动发生器，所述横向超声振动发生器安装在夹具槽的左侧，所述垂直超声振动发生器安装在夹具槽的底部，所述夹具槽的右侧上设有固定螺纹孔，用于供螺丝拧入后固定工件或用于夹持工件的夹具；

当涡流加热片通入交变电流时，装卡在夹具槽上的工件温度便会由于涡流效应而上升；两个超声振动发生器协同作用下，在相同振幅，不同振动频率或者不同振动相位可以形成二维超声场，优化加工过程中刀具与工件之间的应力加载和释放的循环，工件为金属材料工件。

进一步，每个高能电极组件均包括接触铜质电极、绝缘贴片和直流脉冲电源线，所述绝缘贴片设置在接触铜质电极的外侧，所述直流脉冲电源线的一端与接触铜质电极连接，另一端穿过绝缘贴片与直流脉冲电源连接；使用时，高能电极组件通过固定螺钉固定到工件上。

再进一步，所述机架包括主要起支撑并固定作用的主支架和固定横向超声振动发生器的横向超声支架，所述夹具槽的四周设有带沉孔的通孔，用于绝缘螺栓穿过将夹具槽固定在主支架上，但绝缘螺栓并不完全拧紧，使夹具槽在一定程度上可以在各个方向上运动细微距离，通过垂直、横向超声发生器带动，使固定在夹具槽上的工件随两个超声振动发生器在x轴、z轴两个方向上振动。

再进一步，所述夹具槽为方形槽结构。

更进一步，所述夹具槽的左侧上和底部上分别设有变幅杆螺纹孔，横向超声振动发生器安装于横向超声支架上且其上设有与夹具槽左侧上的变幅杆螺纹孔连接的螺纹，垂直超声振动发生器位于夹具槽下方且安装于主支架上，同时其顶部设有与夹具槽底部上的变幅杆螺纹孔连接的螺纹。

本发明的有益效果主要表现在：本发明通过将垂直与横向的超声耦合，优化加工过程中工件表面的应力状态；通过对工件的非接触式加热，利用热激活效应降低材料晶间位错激活能；通过电致塑性效应降低材料产生塑性形变的应力阈值；增加永久强磁场，通过电磁力约束电子偏向表面的运动，辅助直流脉冲电流趋肤效应增强电流密度从而提高电流使用效能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是高能电极组件的结构示意图。

图3是夹具槽的结构示意图。

图4是夹具槽另一个方向的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种多场协同耦合滚压平台，包括以下部分：

主要起支撑并固定作用的主支架2；

固定横向超声振动发生器的横向超声支架1；

两个实现超声振动的超声振动发生器；

用于装卡工件并带有永久磁场的夹具槽4；

实现涡流效应加热工件的涡流加热片11；

装夹于工件两端的高能电极组件6。

每个高能电极组件6均包括接触铜质电极7、绝缘贴片8和直流脉冲电源线10，所述绝缘贴片8设置在接触铜质电极7的外侧，所述直流脉冲电源线10的一端与接触铜质电极7连接，另一端穿过绝缘贴片8与直流脉冲电源连接；使用时，高能电极组件6通过固定螺钉9固定到工件上。

夹具槽4为绝缘材料构成的方形槽结构，槽底面内部埋设永久强磁铁，用于约束通过工件的电子流，对通过工件的高能脉冲直流电的电子产生向上的作用力，使电流趋肤效应更为明显，工件表面电流密度更大，从而降低工件表面的塑性变形应力阈值；涡流加热片11固定放置于夹具槽槽底，当通入交变电流时，装卡在夹具槽4上的金属材料工件温度便会由于涡流效应而上升；侧面布置有三个固定螺纹孔14、变幅杆螺纹孔以及加热片电源线15，三个固定螺纹孔供螺丝拧入后固定工件或特制夹具，变幅杆螺纹孔16用于与侧面提供横向超声振动的横向超声振动发生器5的连接，加热片电源线15为涡流加热片11提供电源；四周有带沉孔的通孔13，用于绝缘螺栓穿过将夹具槽4安装在主支架2上，但绝缘螺栓并不完全拧紧，使夹具槽4在一定程度上可以在各个方向上运动细微距离，通过垂直超声振动发生器3、横向超声振动发生器5带动，使固定在夹具槽4上的工件随两个超声振动发生器在x、z轴两个方向上振动；夹具槽底部有变幅杆螺纹孔，与垂直超声振动发生器3连接，垂直超声振动可以传播到工件表面，在声软化效应下降低材料的流变应力，使工件在相同的加工参数下刀具对工件产生的压力更小。垂直超声振动发生器3安装于主支架2上，位于夹具槽4下方，顶部有螺纹与夹具槽4连接。横向超声振动发生器5安装于横向超声支架1，横向的超声振动主要是在滚压刀头加工进给的过程中，用于消除或减轻加工进给产生的表面纹理。

本发明的工作原理为：工件通过固定螺纹孔14使用螺丝定位装卡，针对工件形状不同可以使用2～3个螺丝装卡；工件装卡后，两个高能电极组件6通过固定螺钉9固定在工件上，保证加工过程中不会脱落以及电路持续稳定；直流脉冲电源线10为涡流加热片提供电源，在加工过程中持续使工件加热，保证热激活效应最低温度运行；由于使用的是直流脉冲电流提供电场，夹具槽4底部埋设的永久强磁铁可以对单向运行的电子在工件内部产生垂直电子运动方向的力，使其偏向材料加工表面运动，强化电流在金属材料中的电流趋肤效应，增加加工表面的电流密度，有效提高电流作用能效；夹具槽4通过底部以及侧面的变幅杆螺纹孔与两个超声振动发生器连接，两者协同作用下，在相同振幅，不同振动频率或者不同振动相位可以形成二维超声场，二维超声场是在单向超声场的基础上引入垂直于单向超声场方向的振动，可以进一步优化加工过程中刀具与工件之间的应力加载和释放的循环，使加工后材料表面的波动更加的平缓，同时在材料表面制备梯度纳米晶强化层。

本发明可以在平面材料上进行传统力场、超声场、热场、磁场、电场的耦合作用下完成滚压强化加工，强化表明力学性能以及耐磨损性能，极大提高材料的表面使役寿命。相较于传统的滚压加工，形成的表面形貌具有更好的表面，制备的梯度纳米强化层有效厚度极大增加。由于几个能场的耦合紧密，各能场协同作用，可以在传统滚压加工参数基础上，优化加工应力状态。该设备原理简单，结构可行性大，针对不同零件的改造空间也较大。

在这样的条件下，引入超声场、热场、电磁场，在声软化、热激活效应、电致塑性效应的耦合作用下，提升表面塑性变形深度，提高强化层的均匀性，优化晶粒尺寸的梯度分布，改善表面的残余压应力状态，降低表面粗糙度，提升了工件表面的耐磨、防腐、抗疲劳服役能力。

因此，在表面滚压强化的基础上，我们希望能正确耦合各能场的作用效应，同时保证表面强化层的制备稳定性。

本发明可以在材料表面制备出更高强度、抗疲劳、抗磨损、抗腐蚀性能的表面强化层。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。