對鎂合金進行機械研磨的裝置及基于該裝置的研磨方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鎂合金表面處理技術(shù)領(lǐng)域的方法及裝置，具體的說，涉及的是一種鎂合金高溫表面機械研磨方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料(如鎂合金)性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，材料的某些失效方式特別是疲勞斷裂對其表面狀態(tài)非常敏感，失效大多從表面、表面層或表面下層開始，尤其是在應(yīng)力集中部位，因此表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)直接影響材料使用壽命。為了延長材料的使用壽命和滿足特殊環(huán)境的使用要求，通過提高材料表面性能從而提高材料整體性能成為關(guān)鍵。基于此，人們探索了多種提高金屬材料抗失效性能的方法，表面機械研磨就是其中之一，其工作原理是在外加載荷作用下，金屬材料表面粗晶結(jié)構(gòu)通過強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級，并在亞表面曾產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，引起表面形變強化。表面機械研磨已在鋼鐵和銅合金中獲得了系統(tǒng)研宄，并取得了很好的效果。另外，T.Roland等在《Scripta Materialia》(材料快報)2006 年第 54 期 1949-1954 頁上發(fā)表的 Fatigue life improvement through surfacenanostructuring of stainless steel by means of surface mechanical attrit1ntreatment (表面機械研磨改善不銹鋼的疲勞壽命)研宄了表面機械研磨對316L不銹鋼疲勞行為的影響，結(jié)果表明，表面機械研磨使316L不銹鋼的高周疲勞強度提高了 21%。不過，迄今為止，關(guān)于表面機械研磨處理鎂合金的研宄還非常少，這主要與鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，多數(shù)鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，對稱性低，室溫滑移系少，冷加工成形困難。低于498K時，多晶鎂的塑性變形僅限于基面滑移和孿生，鎂合金變形時由于只有三個幾何滑移系和兩個獨立滑移系，當(dāng)變形量較大時沿孿生區(qū)域(尤其在壓縮時)或沿大晶粒的基面產(chǎn)生局部穿晶斷裂，從而使鎂合金的冷變形僅限于中等變形。而在高于498K時，鎂合金的附加滑移面和啟動，有利于變形，塑性得以改善，易于成形加工。因此，若在高溫條件下對鎂合金進行表面機械研磨處理，即高溫表面機械研磨，可望更有效地提高其抗失效性能。
[0003]但在對鎂合金軸類標(biāo)準(zhǔn)試樣進行高溫表面機械研磨處理時，還存在以下兩個問題:1、如何夾持軸類試樣；2、如何對軸類試樣進行均勻加熱。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利為ZL200510053894.1，授權(quán)公告號為CN1668143B，該專利提供了一種工件加熱裝置，該裝置采用高頻感應(yīng)，可對多種尺寸，形狀的工件，按照多個連續(xù)的方式進行加熱，通用性較高。但該裝置沒有裝卡軸類試樣且可旋轉(zhuǎn)的夾具，無法使鎂合金得到均勻表面機械研磨，且該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種鎂合金高溫表面機械研磨方法，并發(fā)展了一種實現(xiàn)該方法的裝置，設(shè)計加熱溫度范圍為O?400°C，即在高溫加熱爐里對鎂合金軸類試樣進行表面機械研磨，在試樣表面產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力，從而更大幅度地提高鎂合金的疲勞性能。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，加熱效率高，溫度均勻性好，能方便地夾持軸類標(biāo)準(zhǔn)試樣，特別適于對輕金屬如鎂合金進行高溫表面機械研磨處理。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]一方面，本發(fā)明提供了一種對鎂合金進行機械研磨的裝置，其包括平臺、處理箱、電動機、電控制裝置和振動發(fā)生器，所述振動發(fā)生器和電動機均設(shè)置于平臺上，所述控制裝置設(shè)置于處理箱的外側(cè)壁，所述處理箱設(shè)置于振動發(fā)生器的表面，處理箱的側(cè)壁內(nèi)嵌設(shè)有電加熱元件，處理箱的內(nèi)部填充有彈丸，所述側(cè)壁中穿設(shè)有轉(zhuǎn)動軸，所述轉(zhuǎn)動軸上固設(shè)有軸類試樣夾具，所述電動機與通過主動輪、從動輪和傳動皮帶帶動轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動，所述電控制裝置與電加熱元件電聯(lián)接。
[0008]作為優(yōu)選方案，所述電控制裝置包括壓電陶瓷片、壓電陶瓷片分壓電阻、定溫雙金屬片溫度控制器、發(fā)光二級管、發(fā)光二級管分壓電阻和電源線，所述壓電陶瓷片和壓電陶瓷片分壓電阻串聯(lián)后與定溫雙金屬片溫度控制器并聯(lián)后，再與發(fā)光二極管和發(fā)光二極管分壓電阻串聯(lián)。
[0009]作為優(yōu)選方案，所述電動機上電連接有一個調(diào)頻器。
[0010]作為優(yōu)選方案，所述處理箱的側(cè)壁和底部均由內(nèi)向外依次設(shè)置的金屬板層、絕熱板層和絕熱橡膠層組成。
[0011]作為優(yōu)選方案，所述彈丸為摩氏硬度大于10的球形彈丸。
[0012]作為優(yōu)選方案，所述彈丸為陶瓷丸。
[0013]另一方面，本發(fā)明還提供了一種基于本發(fā)明所述的對鎂合金進行機械研磨的裝置的鎂合金研磨方法，其包括如下步驟:
[0014]將彈丸和軸類鎂合金試樣放入處理箱中，鎂合金試樣固定在軸類試樣夾具里；
[0015]對處理箱進行加熱，使彈丸和鎂合金試樣達到鎂合金時效溫度以上50?100°C ;
[0016]啟動振動發(fā)生器和電動機，使彈丸撞擊勾速轉(zhuǎn)動的試樣。
[0017]作為優(yōu)選方案，所述鎂合金試樣為非稀土鎂合金時，時效溫度為150?200°C ;所述鎂合金試樣為稀土鎂合金時，時效溫度為200?250°C。
[0018]作為優(yōu)選方案，所述彈丸直徑范圍為I?5mm，所述振動發(fā)生器的振動頻率范圍為10?1000Hz，所述電動機的旋轉(zhuǎn)速度范圍為I轉(zhuǎn)/秒?30轉(zhuǎn)/秒。
[0019]本發(fā)明工作時，先用金屬板、絕熱板和絕熱橡膠組成處理箱，并把若干電加熱元件置于處理箱的絕熱板和金屬板之間，電加熱元件與外面的電控制裝置電相連；然后把處理箱放置在振動發(fā)生器上部，并與軸類試樣旋轉(zhuǎn)裝置相連；旋轉(zhuǎn)軸類試樣夾具上的六個平頭定位螺釘夾緊待加工的軸類鎂合金試樣；啟動電加熱系統(tǒng)加熱彈丸和試樣至指定溫度，然后啟動表面機械研磨系統(tǒng)中的振動發(fā)生器和軸類試樣旋轉(zhuǎn)裝置中的轉(zhuǎn)動電機，使彈丸撞擊勻速轉(zhuǎn)動的試樣，實現(xiàn)鎂合金試樣的高溫表面機械研磨。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0021]本發(fā)明中的軸類試樣夾具結(jié)構(gòu)簡單緊湊，夾持或卸載試樣方便，并能夠有效保證與轉(zhuǎn)動軸的同心度和平行度；同時，若借助轉(zhuǎn)動電機的帶動，試樣實現(xiàn)了勻速旋轉(zhuǎn)，并在絕熱性較好的處理箱內(nèi)得到均勻受熱，可使試樣得到均勻、穩(wěn)定的高溫表面機械研磨效果。
【附圖說明】
[0022]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0023]圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明的側(cè)視圖；
[0025]圖3是本發(fā)明試樣加熱系統(tǒng)的控制系統(tǒng)局部示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明的軸類試樣夾具局部示意圖；
[0027]圖中:1、電動機，2、調(diào)頻器，3、平臺，4、皮帶，5、主動輪，6、從動輪，7、軸承，8、轉(zhuǎn)動軸，9、內(nèi)六角圓柱頭螺釘，10、軸類試樣夾具，11、試樣，12、彈丸，13、電加熱元件，14、處理箱，15、電控制裝置，16、發(fā)光二極管，17、電源線，18、振動發(fā)生器，19、壓電陶瓷片，20、壓電陶瓷片分壓電阻，21、定溫雙金屬片溫度控制器，22、發(fā)光二極管分壓電阻，23、平頭定位螺釘。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0029]本發(fā)明提供的一種對鎂合金進行機械研磨的裝置的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，平臺3上設(shè)有電動機I和振動發(fā)生器18，振動發(fā)生器18的表面設(shè)有處理箱14，處理箱14的側(cè)壁由從內(nèi)向外依次設(shè)置的金屬板層、絕熱板層和絕熱橡膠層組成，電控制裝置15設(shè)置于處理箱14的側(cè)壁外側(cè)，電加熱元件13嵌設(shè)于處理箱的側(cè)壁中，位于絕熱板和金屬板之間，并于電控制裝置15電連接，處理箱14的內(nèi)部填充有摩氏硬度大于10的球形陶瓷彈丸12，轉(zhuǎn)動軸8通過軸承7穿設(shè)在處理箱14的側(cè)壁上，軸類試樣夾具10通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘9固設(shè)在轉(zhuǎn)動軸8上，電動機I和轉(zhuǎn)動軸8上分別設(shè)有主動輪5和從動輪6，主動輪5和從動輪6之間嵌套有皮帶4，電動機I上電連接有一個調(diào)頻器2。
[0030]其中，電控制裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括壓電陶瓷片19、壓電陶瓷片分壓電阻20、定溫雙金屬片溫度控制器21、發(fā)光二級管16、發(fā)光二級管分壓電阻22和電源線17，壓電陶瓷片19和壓電陶瓷片分壓電阻20串聯(lián)后與定溫雙金屬片溫度控制器21并聯(lián)，整體再與發(fā)光二極管16和發(fā)光二極管分壓電阻22串聯(lián)。
[0031]使用時，如圖4所示，通過平頭定位螺釘23將鎂合金試樣11固定在軸類試樣夾具10上。
[0032]實施例1
[0033]本實施例涉及一種鎂合金高溫表面機械研磨方法，包括如下步驟:
[0034]本實施例采用擠壓態(tài)ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金。
[0035]步驟一，將直徑為I毫米的彈丸和軸類鎂合金試樣放入處理箱中，鎂合金試樣固定在軸類試樣夾具里；
[0036]步驟二，利用電加熱系統(tǒng)對處理箱進行加熱，使彈丸和ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金試樣達到150°C ;
[0037]步驟三，啟動表面機械研磨系統(tǒng)中的振動發(fā)生器和軸類試樣旋轉(zhuǎn)裝置中的轉(zhuǎn)動電機，使彈丸撞擊勻速轉(zhuǎn)動的ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金試樣，振動發(fā)生器的振動頻率為1000Hz，軸類試樣旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動電機旋轉(zhuǎn)速度為30轉(zhuǎn)/秒。
[0038]實施效果:對高溫表面機械研磨后的ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金試樣的表面變形層性能進行了測試，其中，最大殘余壓應(yīng)力為96MPa，表面粗糙度Ra約為1.4m，變形層顯微硬度提高幅度為52HV0.05 ;對疲勞試樣進行了 107次疲勞強度測試，其107次疲勞強度從尚溫表面機械研磨如的140MPa提尚到195MPa，提尚了 55MPa。
[0039]傳統(tǒng)方法:取擠壓態(tài)ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金，室溫下啟動振動發(fā)生器帶動I毫米的彈丸擊打到ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金試樣表面上，振動發(fā)生器的振動頻率為1000Hz，軸類試樣旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動電機旋轉(zhuǎn)速度為30轉(zhuǎn)/秒。對室溫表面機械研磨后的ZK60(Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金試樣的表面變形層性能進行了測試，其中，最大殘余壓應(yīng)力為72MPa，表面粗糙度Ra約為1.2m,變形層顯微硬度提高幅度為43HV0.05 ;對室溫表面機械研磨后的疲勞試樣進行107次疲勞強度測試，其17次疲勞強度從室溫表面機械研磨前的140MPa 提高到 185MPa，提高了 45MPa。
[0040]從高溫表面機械研磨和室溫表面機械研磨處理后ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr)鎂合金的表面變形層性能和疲勞強度可以看出，相對傳統(tǒng)的室溫表面機械研磨方法，經(jīng)本發(fā)明高溫表面機械研磨處理后，可產(chǎn)生更大的殘余壓