[0001] 本发明属于材料加工领域，更加具体地说，涉及一种利用超声冲击和光饰相结合来提高金属部件超声冲击处理后表面性能(例如粗糙度、疲劳强度)的方法。

[0002] 超声冲击的原理是超声振动发生器驱动冲击针产生机械振动，冲击针快速撞击工件表面，引起工件表面得到强化并产生变形，从而达到使金属表面产生一定深度的残余压应力层，使金属零件的强度、耐腐蚀性和疲劳寿命得到明显提高。超声冲击处理会使工件的表面粗糙度发生改变。因为在超声冲击过程中，冲击针与试样表面不断撞击接触，留下冲击处理的加工痕迹取代了工件原有的表面粗糙度，对工件的原始表面粗糙度有明显的影响。通常在冲击处理后，工件的粗糙度较低不能达到使用的要求。

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，立足于超声冲击处理方法，提供一种利用超声冲击和光饰相结合来提高金属部件超声冲击处理后表面性能(例如粗糙度、疲劳强度)的方法。

[0004] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

[0005] 一种利用超声冲击和光饰相结合来提高金属部件超声冲击处理后表面性能的方法，按照下述步骤进行：

[0006] 步骤1，采用机械加工方法加工并控制工件的表面粗糙度，以使其表面粗糙度Ra＜1.6μm，所述机械加工方法为铣或者磨；

[0007] 步骤2，利用超声冲击枪对加工后的工件进行表面冲击处理；

[0008] 步骤3，超声冲击后需要去毛刺和抛光的工件和抛磨块、水、研磨剂配制好放进容器中进行光饰处理，即依靠容器的规律性振动，使工件与抛磨块产生相对运动，相互摩擦，把凸出于工件表面和周边的毛刺磨掉，并使锐边倒圆和表面抛光处理。

[0009] 在本发明的技术方案中，所述超声冲击处理是指利用超声冲击枪对加工后的工件进行表面冲击处理。要求使用工装卡具将工件固定在操作台上，将超声冲击枪固定在自动行走装置上。通过控制超声冲击枪的行走速度、行间偏移量、振幅、频率等来控制超声冲击的效果。超声冲击后工件表面易出现如下问题：工件的原始表面粗糙度会影响超声冲击后工件表面“叠形”缺陷的尺寸。图1为超声冲击后工件表面形成叠形缺陷。即工件的原始表面粗糙度越大，冲击后缺陷的尺寸就越大。若工件原始表面粗糙度较小，冲击后形成的缺陷尺寸也会相对较小。这是由于叠形缺陷形成的方式所决定的，图2是叠形缺陷形成示意图，即超声冲击对工件表面的超声冲击加工，以使工件表面产生塑性形变。

[0010] 在这一问题下，首先在超声冲击之前进行工件的加工准备，采用机械加工的方法加工控制工件的原始表面粗糙度，以减少超声冲击处理后工件表面的“叠形”缺陷。“叠形”缺陷是由于在冲击过程中工件的表面塑性变形形成的微小裂纹，从而缩短工件的使用寿命。其次在超声冲击之后进行工件的光饰，利用光饰对材料表面进行处理，使工件与抛磨块产生相对运动，相互摩擦，把凸出于工件表面和周边的毛刺磨掉，并使锐边倒圆和表面抛光处理，同时去除超声冲击带来的叠形缺陷。超声冲击时要求工件固定装卡在操作台上，至少使用4个卡具固定工件以确保在超声冲击过程中工件停留在原位置。若使用单针进行超声冲击则针头的直径r≥3mm，若使用多排针进行超声冲击则针头直径r＜3mm。在振动光饰处理时为保证正常良好的光饰效果及效率,磨料和工件的容积比应控制在3：(1—2)。比例过大则生产效率低,比例过小则光饰效果差。

[0011] 本发明在进行材料的表面处理，成型及矫形过程中能有效的减小冲击后工件表面微小缺陷的尺寸，减小受冲击后材料的表面粗糙度，从而提高材料的表面抗腐蚀能性，疲劳性能及抗动载荷能力。附图说明

[0012] 图1是工件在超声冲击作用后形成的叠形缺陷的SEM图。

[0013] 图2是叠形缺陷形成的原理示意图，其中1为冲击针；2为工件；3为工件表面形貌曲率半径ρ；4为塑性变形高度差Δh；5为叠形缺陷。

[0014] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的具体技术方案。

[0015] 实施例1同一超声冲击处理参数下不同原始表面粗糙度对超声冲击处理后金属表面粗糙度的影响

[0016] DH36钢(DH36化学成分如表1)利用机械加工(铣床)成4个不同的粗糙度，编号为A、B、C、D。其中由A至D粗糙度依次减小，即为A最粗糙，D最光滑。这四种表面粗糙度的工件都经过同样的超声冲击工艺处理，超声冲击具体参数表2所示。经过超声冲击后的工件还要经过振动光饰机的加工以便去除毛刺减小粗糙度，振动光饰在LMP60型振动光饰机上进行，装入工件数量每次不大于10件，磨料为刚玉(斜三角，120°)，磨液型号为LM10，振动频率为2800/min，振动时间为1.5～2小时。工件的原始粗糙度的测量值及超声处理2次以后工件表面的粗糙度测量值和经过振动光饰后的粗糙度值如表3所示。表中A0、B0、C0、D0表示未处理工件，A2、B2、C2、D2表示工件经过2次超声冲击后工件，Az、Bz、Cz、Dz表示振动光饰后工件。从表3可以看出，经过这一系列的加工后，工件的表面粗糙度越来越小且趋于平缓，粗糙度值提高甚至接近10倍。通常在同样的工况下工件的疲劳寿命与粗糙度成正比，即粗糙度越小疲劳寿命越长。这一套加工过程能有效地延长工件的使用寿命。加工后的工件进行疲劳试样，实验结果如表4所示。由疲劳试验结果可以看出，由于原始工件表面粗糙度较大，表面缺陷较多导致疲劳寿命很短。但是经过超声冲击处理后，随着粗糙度的减小，疲劳寿命有了显著的提高，疲劳寿命较原始工件提高了至少20倍。在经过振动光饰加工后，疲劳寿命由于粗糙度的减小继续升高，较超声冲击后的工件疲劳寿命提高了近2倍。

[0017] 表1 DH36化学成分(％)

[0018]C Si Mn P S Nb V Ti Al
0.130 0.180 1.400 ＜0.005 0.001 0.019 0.049 0.012 0.026

[0019] 表2超声冲击工艺参数

[0020]冲击区域(mm) 冲击针半径(mm) 振幅(μm) 冲击速度(mm/s) 冲击次数
40×40 5 25 20 2

[0021] 表3不同工件粗糙度值

[0022]Ra(μm) Rz(μm)
A0 17.54 88.05
A2 5.13 41.18
Az 1.34 20.09
B0 16.34 68.36
B2 3.01 31.35
Bz 1.12 18.74
C0 7.86 43.05
C2 3.26 13.40
Cz 0.94 8.79
D0 0.97 18.42
D2 0.95 8.57
Dz 0.16 1.77

[0023] 表4不同工件的疲劳寿命

[0024]原始工件 UIT UIT+振动光饰
工件A 143399 2400054 5021145
工件B 234354 3036202 5341007
工件C 434426 4054324 5314405
工件D 532401 4201504 5537508

[0025] 注：UIT为超声冲击处理

[0026] 实施例2同一金属原始表面粗糙度下使用不同超声冲击处理参数处理后金属表面粗糙度的区别

[0027] 对同一粗糙的DH36钢进行超声冲击，冲击的次数为1至4次(其他冲击参数如表2)，冲击后进行振动光饰加工，加工后的粗糙度值如表5所示。疲劳试验结果如表6所示。

[0028] 结合粗糙度和疲劳试验可得出同一粗糙度的工件经过不同的冲击处理工艺和振动光饰处理后，疲劳寿命有了显著的提高，本发明创新对于粗糙的减小有显著效果。

[0029] 表5工件粗糙度值

[0030]Ra(μm) Rz(μm)
A0 17.54 88.05
A1 12.94 50.86
A2 5.13 41.18
A3 2.91 28.77
A4 2.09 20.72
Az 1.08 12.03

[0031] 表6工件疲劳强度

[0032]

[0033] 粗糙度测定：使用S neox非接触式高性能光学三维轮廓仪测量工件表面，得到工件表面三维轮廓。S neox将共聚焦影像轮廓技术和光学干涉测量技术结合在一个没有任何移动部件的探测部头(SensorHead)，能够可靠的、准确的测量毫米级至亚纳米级尺度样品2
表面形貌细节后经由软件计算得出工件的表面粗糙度。测量位置大小为1.67x 1.25mm，测量深度为160μm，目镜大小为20X。

[0034] 以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。