一种复杂金属表面数控渐进强化的方法与流程

本发明涉及一种数控渐进强化技术，属于金属表面强化领域，特别是涉及一种复杂金属表面数控渐进强化的方法。

背景技术：

金属材料的失稳如腐蚀、磨损、疲劳和冲击破坏多始于其表面，通过使金属表面发生塑性变形，制备出一定厚度的纳米结构表层即实现表面自纳米化，对于提升金属强度硬度、耐磨性及疲劳寿命等性能具有重要意义。

目前实现表面自纳米化的工艺主要包括表面机械研磨、超声喷丸、激光喷丸、表面机械碾磨、旋转辊压塑性变形等技术，其主要问题为：表面机械研磨、超声喷丸过程会产生粉尘污染、弹丸会在工件上引入其他元素，拐角等难强化位置强化均匀性差，喷丸道次与平缓处不一致；激光喷丸效率低且成本高；表面机械碾磨、旋转辊压塑性变形，仅适用于平面或回转面等简单金属表面。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复杂金属表面数控渐进强化的方法，可在复杂金属表面实现表面自纳米化，无粉尘污染与元素引入，强化均匀性可以控制，成本较低且效率较高，可在复杂金属表面实现表面自纳米化。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种复杂金属表面数控渐进强化的方法，包括按顺序进行的下列步骤：

(1)选择数控渐进强化方法：根据实际加工条件和要求，选择合适的数控渐进强化方法；

(2)选择数控渐进强化工艺参数：根据选择的数控渐进强化方法、金属件的形状尺寸和材料性能，选择合适的数控渐进强化工艺参数；

(3)进行数控渐进强化：基于金属件外形对步骤(2)确定的数控渐进强化工艺参数进行调整，使工艺参数适应金属件的实际表面轮廓；

(4)金属件退火：对强化后的金属件进行去应力退火，退火参数由实验法确定，选择使纳米梯度结构稳定的最佳参数组合。

其中，步骤(1)中，所述数控渐进强化方法，根据待强化表面分为数控渐进单面强化和数控渐进双面强化，根据强化方式分为数控渐进碾压强化、数控渐进碾磨强化和数控渐进冲击强化。

其中，所述数控渐进单面强化和数控渐进双面强化所用设备分别为双点数控渐进成形设备和双面数控渐进成形设备，所述数控渐进碾压强化、数控渐进碾磨强化和数控渐进冲击强化所用设备的工具分别为滚动工具、普通工具和超声冲击工具。

其中，步骤(2)中，所述数控渐进强化工艺参数的范围如下：工具直径5～10mm、工具速度1000～10000mm/min、步进距离0.01～1mm、压下量为厚度的0.1％～1％、加工道次1～1000，超声冲击工具冲击功率10～500w、频率20～30khz、振幅为厚度的0.1％～1％。

其中，步骤(2)中，所述数控渐进强化工艺参数选择可以采用试验方法或仿真方法；试验方法，以平板件为试验件进行数控渐进强化，对试验件进行微观表征，选择实现纳米梯度结构的工艺参数组合；仿真方法，以平板件为试验件，通过有限元仿真软件对不同工艺参数组合进行试验得到应变、应变率数据，应用基于位错密度的材料模型计算晶粒大小，选择实现纳米梯度结构的工艺参数组合。

其中，所述平板件的材料、厚度与所强化金属件相同或相近，长宽为100mm×100mm。

其中，步骤(3)中，所述调整方法为：在工具轨迹范围覆盖整个金属件待处理表面、且整个轨迹路径上工具头部与金属件刚好贴合的基础上，根据步骤(2)确定的工艺参数组合对此工具轨迹进行调整。

其中，步骤(4)中，所述退火参数包括退火温度、保温时间、是否真空。

其中，所述纳米梯度结构是指材料的单位微观结构在空间上呈梯度变化，从表面到心部由纳米尺寸不断变化到原始晶粒尺寸，并且最小晶粒尺寸≤100nm。

其中，步骤(4)中，所述纳米梯度结构稳定是指最小晶粒尺寸≤100nm的晶粒不明显长大，晶粒直径变化率<10％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种复杂金属表面数控渐进强化的方法能在金属件复杂表面上制备出纳米梯度结构，实现表面自纳米化，提升金属件综合服役性能。

复杂金属表面数控渐进强化利用数控渐进强化设备，通过工具外加载荷反复碾压、碾磨或冲击金属表面，在距表面不同深度处积累不同的应变量和应变速率，使材料的单位微观结构(如晶粒大小、位错密度、织构等)在空间上呈梯度变化，从表面到心部由纳米尺寸不断变化到宏观尺寸，产生梯度纳米结构，实现表面自纳米化。

复杂金属表面数控渐进强化有效避免了金属件结构特征尺寸突变引起的性能突变，可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调，同时表现出各特征尺寸所对应的多种作用机制，使金属件的整体性能和服役行为得到优化和提高。

附图说明

图1为本发明的数控渐进强化原理图。

图2为本发明的数控渐进强化工艺流程图。

图3为本发明的数控渐进单面碾磨强化的飞机蒙皮件示意图。

图4为本发明的数控渐进单面碾磨强化方法图。

图5为本发明的数控渐进双面碾压的飞机发动机叶片示意图。

图6为本发明的数控渐进双面碾压方法图。

图中符号说明如下：1.金属件；2.工具；3.工具轨迹；4.夹具；5.木质模具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明提供的一种复杂金属表面数控渐进强化的方法进行详细说明。

如图1所示，一种复杂金属表面数控渐进强化的方法，其原理是利用数控渐进强化设备，通过工具外加载荷反复碾压、碾磨或冲击金属表面，在距表面不同深度处积累不同的应变量和应变速率，使材料的单位微观结构(如晶粒大小、位错密度、织构等)在空间上呈梯度变化，从表面到心部由纳米尺寸不断变化到宏观尺寸，产生梯度纳米结构，实现表面自纳米化。其中d为工具直径，v是工具速度，l为步进距离，δh为压下量，工具沿设定轨迹运行一次为1道次。

实施例1：

图3为飞机蒙皮件，材料为铝合金aa2024，其表面待强化。依据图2所示的数控渐进强化工艺流程，其数控渐进强化具体实施步骤如下：

(1)选择数控渐进强化方法：飞机蒙皮工作区主要为外表面，铝合金aa2024强度较低，选择数控渐进单面碾磨强化方法，如图4所示；

(2)选择数控渐进强化工艺参数：采用仿真方法，首先在不同工艺参数组合下，对平板试验件进行数控渐进强化有限元仿真，得到应变、应变率等数据。然后应用基于位错密度的材料模型计算晶粒大小，选择实现纳米梯度结构的工艺参数组合。最后选择工艺参数为：工具直径10mm、工具速度5000mm/min、压下量0.02mm、步进距离0.2mm、加工道次5次；

(3)进行数控渐进强化：基于图3飞机蒙皮件外形对步骤(2)确定的平板件试验件工艺参数进行调整，使工艺参数适应其实际表面轮廓，然后进行数控渐进单面碾磨强化，如图4所示；

(4)金属件退火：对强化后的飞机蒙皮件进行去应力退火，由实验法确定退火参数为真空退火、退火温度200℃、保温时间1h。

实施例2：

图5为飞机发动机叶片示意图，材料为钛合金tc4。依据图2所示的数控渐进强化工艺流程，其数控渐进强化具体实施步骤如下：

(1)选择数控渐进强化方法：飞机发动机叶片工作区接近两个外表面，钛合金tc4强度较高，数控渐进双面碾压强化方法，工具头部为滚珠，如图6所示；

(2)选择数控渐进强化工艺参数：采用试验方法，首先在不同工艺参数组合下，对平板试验件进行数控渐进双面碾压强化。然后进行微观表征，选择实现纳米梯度结构的工艺参数组合。最后选择工艺参数为：工具直径8mm、工具速度10000mm/min、压下量0.01mm、步进距离0.3mm、加工道次10次；

(3)进行数控渐进强化：基于图5飞机发动机叶片外形对步骤(2)确定的平板件试验件工艺参数进行调整，使工艺参数适应其实际表面轮廓，然后进行数控渐进双面碾压强化，如图6所示；

(4)金属件退火：对强化后的飞机发动机叶片进行去应力退火，由实验法确定退火参数为真空退火、退火温度550℃、保温时间0.5h。

此外，前述仅说明了一些实施方式，可进行改变、修改、增加和/或变化而不偏离所公开的实施方式的范围和实质，该实施方式是示意性的而不是限制性的。此外，所说明的实施方式涉及当前考虑为最实用和最优选的实施方式，其应理解为实施方式不应限于所公开的实施方式，相反地，旨在覆盖包括在该实施方式的实质和范围内的不同的修改和等同设置。此外，上述说明的多种实施方式可与其它实施方式共同应用，如，一个实施方式的方面可与另一个实施方式的方面结合而实现再另一个实施方式。另外，任何给定组件的各独立特征或构件可构成另外的实施方式。

为了示意和说明的目的提供实施方式的前述说明，其不意图穷举或限制本公开。具体实施方式的各元件或特征通常不限于该具体实施方式，但是在可应用的情况下，即使没有具体地示出或说明，各元件或特征也是可互换且可用于选择的实施方式，还可以多种方式改变。该改变不看作从本公开偏离，且所有该改变都包括在本公开的范围内。

因此，应理解这里通过示例的方式提供了附图和说明书，以有助于对本发明的理解，且不应构成对其范围的限制。