利用超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置進(jìn)行加工的方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是母案申請(qǐng)"超聲沖擊與電火花復(fù)合加工裝置和方法"的分案申請(qǐng)，母案申 請(qǐng)申請(qǐng)日為2014年1月6日，申請(qǐng)?zhí)枮?014100090099。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及材料加工技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地說，涉及超聲沖擊處理與電火花處理 復(fù)合加工裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 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)的專利有超聲振動(dòng)噴汽式電火花復(fù)合加工工藝及專用設(shè)備（CN101264535 A)、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（CN101284341A)和超聲振 動(dòng)輔助電火花脈沖放電表面強(qiáng)化工藝（CN101967536A)等。目前常見的超聲輔助電火花 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。現(xiàn)有技術(shù)的研宄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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(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 置和方法，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。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0006] 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，其中：
[0007] 所述靜壓力施加裝置與超聲沖擊槍相連，并為超聲沖擊槍提供靜壓力；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 在上述復(fù)合加工裝置中，選擇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。
[0011] 在上述復(fù)合加工裝置中，選擇將超聲沖擊槍整體固定置于超聲沖擊槍殼中時(shí)，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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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,開啟工作介質(zhì)的輸入開關(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。
[0015] 本發(fā)明利用超聲沖擊技術(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)合處理過程如下見圖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 路開路，因?yàn)榇藭r(shí)兩電極間間距極小，工作介質(zhì)（即通過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。
[0016] 在上述加工過程中，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為來回加工模式，即在加工過程中沖擊部件在工 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回 移動(dòng)，第一條為自左向右，第二條為自右向左，以此類推，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）。
[0017] 在上述加工過程中，選擇超聲沖擊槍的輸出振幅設(shè)定范圍為1~40ym，優(yōu)選5- 20ym;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 -0. 6mm;超 聲沖擊槍對(duì)工件的靜壓力設(shè)定范圍為0~400N;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。
[0018] 本發(fā)明的技