本發(fā)明屬于金屬輥壓成形，具體為一種增材制造筒形件表面齒形輥壓強(qiáng)韌化設(shè)備和工藝。

背景技術(shù)：

1、航空航天是高端裝備制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體環(huán)和航天火箭艙段是航空航天領(lǐng)域中的核心部件，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和服役性能上有著嚴(yán)格的要求。這些部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常表現(xiàn)為大尺寸、復(fù)雜幾何形狀，并且常常需要承受極端的機(jī)械載荷、溫度波動(dòng)和振動(dòng)等環(huán)境。服役要求包括表面強(qiáng)度的提升、抗疲勞性和耐腐蝕性等。為了滿足這些性能要求，部件的表面通常需要經(jīng)過強(qiáng)化處理，組織結(jié)構(gòu)則需要通過合適的熱處理或塑性加工技術(shù)來優(yōu)化，以確保部件在長(zhǎng)期使用中的可靠性和穩(wěn)定性。大規(guī)格整體精密構(gòu)件若采用傳統(tǒng)長(zhǎng)制程工藝，因其相變和熱/力耦合等作用引發(fā)殘余應(yīng)力演化和尺寸失控問題，導(dǎo)致形性劣化。相比之下，增材制造（am）技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，特別是在面對(duì)復(fù)雜形狀和大尺寸精密部件時(shí)。

2、但激光增材制造出的工件通常無法直接使用，主要是因?yàn)槠浔韺咏M織和微觀結(jié)構(gòu)難以完全滿足嚴(yán)格的服役要求。首先，增材制造過程中容易在表面形成粗糙的熔道紋理和微小缺陷，這些缺陷在循環(huán)應(yīng)力作用下容易成為疲勞裂紋的起點(diǎn)，顯著降低疲勞壽命。其次，增材制造件的微觀組織存在非均勻性，表層晶?？赡茌^細(xì)但脆性較高，內(nèi)部則可能存在粗大的柱狀晶或織構(gòu)分布，導(dǎo)致性能梯度不理想。而火箭艙段等部件通常要求表層強(qiáng)韌、內(nèi)部富韌性，這需要通過特殊的強(qiáng)韌化工藝形成合理的性能梯度。針對(duì)通過增材制造出的大尺寸復(fù)雜件，傳統(tǒng)的強(qiáng)韌化工藝（如熱處理、冷加工或機(jī)械加工）在實(shí)施其梯度強(qiáng)韌化時(shí)面臨顯著挑戰(zhàn)，尤其是在不破壞一次性成型結(jié)構(gòu)的前提下。熱處理工藝可能引起增材制造件的變形和應(yīng)力重新分布，破壞其精度和微觀組織。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法也難以在復(fù)雜幾何形狀上均勻地實(shí)現(xiàn)塑性變形，且過度加工可能導(dǎo)致表面缺陷或晶粒結(jié)構(gòu)變化，從而影響材料的整體性能。但梯度強(qiáng)韌化對(duì)火箭等高負(fù)載結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。通過在筒形件內(nèi)外表面實(shí)現(xiàn)梯度強(qiáng)化，可以在表層細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度和耐疲勞性，而內(nèi)部保持較粗晶粒以保證韌性。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠有效應(yīng)對(duì)極端環(huán)境中的溫度變化、機(jī)械載荷和動(dòng)態(tài)沖擊，提升部件的可靠性和使用壽命。對(duì)于某火箭艙段件，其在服役環(huán)境中需兼具高強(qiáng)度、抗疲勞性和輕量化，采用梯度強(qiáng)化設(shè)計(jì)是一種有效的性能提升方式。

3、目前金屬表面形變強(qiáng)化技術(shù)常見的有噴丸強(qiáng)化和表面輥壓技術(shù)。噴丸強(qiáng)化的形變硬化層較薄，一般為0.15?~?1.5mm，雖能適應(yīng)復(fù)雜形狀表面但主要適合抗疲勞性能為主的需求。而對(duì)改性層厚度有較大的需求的多用表面輥壓技術(shù)，即在一定壓力作用下，滾球或輥軸對(duì)被加工零件表面進(jìn)行輥壓或擠壓，使其發(fā)生塑性變形，形成強(qiáng)化層的工藝過程。目前對(duì)輥壓工具進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)或更換可進(jìn)行有限的組織調(diào)控，但同樣具有表面輥壓技術(shù)的局限性，僅適用于一些形狀簡(jiǎn)單的平板類零件和溝槽類零件等，對(duì)形狀復(fù)雜的零件表面無法應(yīng)用，如增材制造一體成型的筒形件等。基于較厚的梯度組織硬化需求，傳統(tǒng)強(qiáng)韌化輥壓時(shí)需要較大的輥壓力以獲得更大厚度的變形層，但過大的輥壓力會(huì)使金屬表面產(chǎn)生了不均勻的變形，從而導(dǎo)致表面缺陷的產(chǎn)生。不同的金屬材料也具有不同的硬度和組織結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)于較硬的金屬或表面硬度不夠均勻地增材制造構(gòu)件，這一現(xiàn)象會(huì)更加明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明專利提供了一種增材制造筒形件表面齒形輥壓強(qiáng)韌化設(shè)備和工藝，采用創(chuàng)新性的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)筒壁內(nèi)外表面進(jìn)行齒形碾壓和壓平工藝，使表層材料經(jīng)歷塑性變形，累積塑性應(yīng)變，從而形成具有梯度組織的結(jié)構(gòu)。在該工藝中，筒形件由底部模具固定并以中心軸旋轉(zhuǎn)。加工設(shè)備的核心部件包括四個(gè)斜齒輥輪和圓柱輥體，分別成對(duì)地分布在筒形件兩端的內(nèi)外表面。采用斜齒輥輪連續(xù)輥壓可以使筒壁受力具有更好的連續(xù)性，且兩對(duì)斜齒輥輪旋向相反，通過徑向與軸向同步進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，能夠在內(nèi)外壁表面形成具有雙螺旋形狀的強(qiáng)化路徑，從而形成與傳統(tǒng)波浪狀不同的十字形齒印，這種齒印能夠在一個(gè)道次內(nèi)提供更多的累積塑性應(yīng)變，同時(shí)在輥平時(shí)需要的進(jìn)給深度更低，從而有效減輕壁厚減薄，過度拔長(zhǎng)的形變?nèi)秉c(diǎn)。且通過這種路徑設(shè)計(jì)，不僅可以全覆蓋筒壁的整個(gè)表面，還能夠在不破壞筒形件宏觀結(jié)構(gòu)的前提下，逐步強(qiáng)化表面層和內(nèi)層，實(shí)現(xiàn)梯度組織的定向控制。

2、不同于傳統(tǒng)的表面形變強(qiáng)化，梯度強(qiáng)化需要更深的進(jìn)給量，為避免二次加工缺陷同時(shí)提高強(qiáng)韌化效果，本發(fā)明同時(shí)提出了結(jié)合二維超聲振動(dòng)的齒形類輥壓強(qiáng)韌化工藝。二維超聲振動(dòng)分別設(shè)置為斜齒輥輪的嚙合方向和垂直嚙合方向，二維振動(dòng)軌跡為橢圓平面，其長(zhǎng)軸與嚙合方向一致，振動(dòng)平面與斜齒輥輪相切。通過對(duì)兩個(gè)激勵(lì)方向上的振幅和相位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的組合，可增大剪切角，更有效地幫助在斜齒壓印方向的優(yōu)化變形。輥平輪采用簡(jiǎn)易的徑向加切向的二維振動(dòng)，有助于促進(jìn)應(yīng)力傳遞，緩解筒壁過度拔長(zhǎng)和失穩(wěn)，保證強(qiáng)化后的尺寸穩(wěn)定。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：

4、一種增材制造筒形件表面齒形輥壓強(qiáng)韌化設(shè)備，包括下模座、位于下模座上方的上模座和固定設(shè)置于下模座和上模座之間的多個(gè)導(dǎo)向立柱，下模座內(nèi)設(shè)置旋轉(zhuǎn)底座，旋轉(zhuǎn)底座上設(shè)置定位組件，上模座的底面設(shè)置第一垂向定位機(jī)構(gòu)，第一垂向定位機(jī)構(gòu)的底部定位端固定連接有內(nèi)壁超聲輥輪裝置，內(nèi)壁超聲輥輪裝置包括內(nèi)壁徑向槽座、對(duì)稱地滑動(dòng)設(shè)置于內(nèi)壁徑向槽座兩端內(nèi)的內(nèi)壁輥輪座、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于內(nèi)壁輥輪座外端部且軸線垂直設(shè)置的內(nèi)壁輥輪；

5、內(nèi)壁超聲輥輪裝置的兩端側(cè)對(duì)稱地設(shè)置有兩組外壁超聲輥輪裝置，每組外壁超聲輥輪裝置均包括外壁徑向槽座、滑動(dòng)設(shè)置于外壁徑向槽座內(nèi)的外壁輥輪座、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于外壁輥輪座的端部且與內(nèi)壁輥輪相對(duì)組配設(shè)置的外壁輥輪，外壁超聲輥輪裝置通過第二垂向定位機(jī)構(gòu)與對(duì)應(yīng)側(cè)的導(dǎo)向立柱傳動(dòng)連接，內(nèi)壁輥輪和外壁輥輪均為斜齒圓柱齒輪且螺旋方向相反或均為圓柱輥體；

6、內(nèi)壁徑向槽座和外壁徑向槽座上還分別設(shè)置有超聲振動(dòng)裝置。

7、進(jìn)一步的，所述內(nèi)壁超聲輥輪裝置還包括固定設(shè)置于內(nèi)壁徑向槽座外壁上的水平雙向定位機(jī)構(gòu)，兩個(gè)內(nèi)壁輥輪座分別固定連接于水平雙向定位機(jī)構(gòu)的兩側(cè)定位輸出端，兩個(gè)內(nèi)壁輥輪座同步相向或相背移動(dòng)。

8、進(jìn)一步的，所述水平雙向定位機(jī)構(gòu)包括固定設(shè)置的第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水平轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置的雙向螺桿、分別螺紋連接于雙向螺桿兩端的第一螺母塊，第一螺母塊的一端貫穿內(nèi)壁徑向槽座并與內(nèi)壁輥輪座固定連接，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸端與雙向螺桿的中部通過齒輪副傳動(dòng)連接。

9、進(jìn)一步的，所述內(nèi)壁徑向槽座的上、下壁的內(nèi)表面上分別開設(shè)有第一徑向?qū)虿?，?nèi)壁輥輪座的上、下端分別滑動(dòng)嵌設(shè)于第一徑向?qū)虿蹆?nèi)。

10、進(jìn)一步的，所述外壁超聲輥輪裝置還包括固定設(shè)置于外壁徑向槽座外壁上的水平定位機(jī)構(gòu)，水平定位機(jī)構(gòu)包括固定設(shè)置的第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置的螺桿、螺紋連接于螺桿上的第二螺母塊，第二螺母塊的一端貫穿外壁徑向槽座并與外壁輥輪座固定連接，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸端與螺桿的一端傳動(dòng)連接。

11、進(jìn)一步的，所述外壁徑向槽座的上、下壁的內(nèi)表面上分別開設(shè)有第二徑向?qū)虿郏獗谳佪喿纳?、下端分別滑動(dòng)嵌設(shè)于第二徑向?qū)虿蹆?nèi)。

12、進(jìn)一步的，所述超聲振動(dòng)裝置包括兩組超聲振動(dòng)器，分別設(shè)置于內(nèi)壁輥輪座遠(yuǎn)離內(nèi)壁輥輪/外壁輥輪座遠(yuǎn)離外壁輥輪的一側(cè)垂直側(cè)面上以及與之相鄰的垂直側(cè)面上。

13、進(jìn)一步的，所述內(nèi)壁輥輪和外壁輥輪的軸線位于同一垂直平面內(nèi)，且旋轉(zhuǎn)底座的轉(zhuǎn)軸位于該垂直平面內(nèi)。

14、還提供了一種增材制造筒形件表面齒形輥壓強(qiáng)韌化工藝，包括以下步驟：

15、s1、將筒形件通過定位組件固定在旋轉(zhuǎn)底座上；

16、s2、內(nèi)壁輥輪和外壁輥輪采用斜齒圓柱齒輪，內(nèi)壁輥輪和外壁輥輪初始定位至最低位置，對(duì)內(nèi)壁輥輪和外壁輥輪進(jìn)行初始位置調(diào)整，使各個(gè)輥輪與筒壁的徑向距離均相同；

17、s3、設(shè)置工件轉(zhuǎn)速、輥輪徑向進(jìn)給和軸向進(jìn)給參數(shù)以及超聲振動(dòng)參數(shù)；

18、s4、啟動(dòng)超聲振動(dòng)裝置，兩組內(nèi)壁輥輪和外壁輥輪以預(yù)設(shè)的進(jìn)給速度同步地朝筒壁徑向進(jìn)給至預(yù)設(shè)距離，使內(nèi)壁輥輪咬入內(nèi)側(cè)筒壁、外壁輥輪咬入外側(cè)筒壁；

19、s5、旋轉(zhuǎn)底座驅(qū)動(dòng)筒形件以預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，至預(yù)設(shè)時(shí)間后，筒形件旋轉(zhuǎn)一周，各個(gè)輥輪同步地以預(yù)設(shè)的單個(gè)輥輪軸向?qū)挾容S向向上勻速進(jìn)給，直至各個(gè)輥輪的頂端超過筒形件最上端后完成最后一次輥壓并徑向復(fù)位，設(shè)備暫停；

20、s6、各個(gè)輥輪更換為同等直徑的圓柱輥體并定位至最低位置，重復(fù)步驟s4至步驟s5，完成筒形件筒壁的輥平；

21、s7、以預(yù)設(shè)的縮減量逐步減少各個(gè)輥輪咬入壁厚的徑向進(jìn)給距離，重復(fù)步驟s3至步驟6至預(yù)設(shè)的次數(shù)，完成筒壁的梯度組織強(qiáng)韌化；

22、s8、取下筒形件，進(jìn)行熱處理優(yōu)化和表面修復(fù)。

23、進(jìn)一步的，圓柱輥體的徑向進(jìn)給距離小于同道次中斜齒圓柱齒輪的徑向進(jìn)給距離。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果如下：

25、1、本發(fā)明針對(duì)一次性增材制造的筒形件實(shí)現(xiàn)梯度組織強(qiáng)韌化，提出利用齒形輥壓與輥平對(duì)增材制造的筒形件進(jìn)行梯度組織強(qiáng)韌化的工藝，以及針對(duì)增材制造的筒形件一體成型工藝特性設(shè)計(jì)出的整體工藝設(shè)備，在不改變工件結(jié)構(gòu)的情況下，可高效、高質(zhì)量、高自由度地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)內(nèi)外壁組織和性能的梯度強(qiáng)韌化，解決了對(duì)已經(jīng)成型的筒形件在不改變其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上難以實(shí)現(xiàn)深層組織改性的問題，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

26、2、本發(fā)明的輥輪裝置采用二維超聲振動(dòng)輔助，通過超聲振動(dòng)降低加工力、改善表面質(zhì)量、增強(qiáng)材料變形能力、減小殘余應(yīng)力、提高加工效率，解決了大進(jìn)給量時(shí)深層組織改性帶來的表面缺陷、材料流動(dòng)性不足、輥輪易磨損、效率低等一系列問題，有效實(shí)現(xiàn)了減小材料的屈服強(qiáng)度、減小流動(dòng)應(yīng)力、緩解局部應(yīng)力集中、優(yōu)化表層和近表層的微觀結(jié)構(gòu)、促進(jìn)表面更均勻的塑性變形等效果，形成了更均勻、細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)，提高了表面強(qiáng)度和抗疲勞性，同時(shí)降低產(chǎn)生裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

27、3、本發(fā)明采用斜齒輥輪進(jìn)行輥壓強(qiáng)化，在螺形線進(jìn)給時(shí)，可以局部漸進(jìn)咬入，使咬合更加充分，輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)；且對(duì)于斜齒結(jié)構(gòu)，前一齒咬和還未結(jié)束時(shí)，后一齒已經(jīng)開始咬入，使得咬合更加充分、連續(xù)和漸進(jìn)，相比傳統(tǒng)齒形輥壓，實(shí)現(xiàn)了更平穩(wěn)的輥輪進(jìn)給和轉(zhuǎn)動(dòng)以及更穩(wěn)定的輥壓力，使得輥壓力更加均勻，輥壓過程更加穩(wěn)定。

28、4、本發(fā)明采用對(duì)稱雙斜齒輥輪，可在一道次內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩次壓齒，其雙螺旋交叉軌跡及相互垂直的十字齒印使得輥齒效率更高，能更加有效累計(jì)塑性應(yīng)變的同時(shí)減小齒印深度，從而緩解輥平時(shí)筒壁的過度減薄與拔長(zhǎng)。

29、5、本發(fā)明采用多道次輥齒與輥平工藝，且每道次輥輪對(duì)筒壁的進(jìn)給量逐漸減小，可緩解大進(jìn)給量導(dǎo)致的裂紋萌生和應(yīng)力集中等表面缺陷問題，同時(shí)使得組織的梯度變化更加顯著。