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车床/数控车床 |
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基于豪克能PT技术的新一代超极+机床 |
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豪克能PT金属加工技术是复合能量加工技术，基于该技术的豪克能PT超极+机床创新地实现了金属零件的镜面加工与表面改性于一体。一次加工即可使零件表面粗糙度达到镜面级别、疲劳寿命提高几十倍，同时还提高了零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和密封性，零件表层的晶粒还能得以细化。作为机床发展里程碑式的第三代机床，豪克能PT超极+机床实现了工件成形加工→表面完整性加工→表面改性的一站式加工模式，它将开启豪克能PT金属加工的新时代，在抗疲劳制造方面发挥非常重要的作用。
豪克能PT技术及其先进性
豪克能PT是一种由电能转换的、高频的（频率大于30kHz）、高能量密度的、输出恒定的、能够增加材料塑性的超声波能和冲击能的复合能量。该技术一次加工即可完成对金属表面的镜面加工和表面改性两种加工功能，同时实现冷、热两个加工领域才能达到的效果，豪克能PT技术是一项涉及多学科的复合能量加工技术，它综合应用了机械、电力、电磁、超声等多种能量进行金属表面的改性及强化，兼顾了加工精度、加工表面质量，同时又提高了加工效率，降低了工具磨损、能量消耗和对环境的影响,实现了超精密加工与金属表面改性的复合。
1豪克能PT技术的先进性
和传统的机械加工相比豪克能PT技术有以下6个方面的优势：
（1）直接加工出镜面零件，表面粗糙度Ra值≤0.1μm；
（2）零件疲劳寿命提高几十倍；
（3）零件表面显微硬度提高20%以上；
（4）耐腐蚀性提高40%以上，耐磨性提高50%以上；
（5）能够预置理想可控的高值压应力；
（6）使零件表层晶粒细化。
豪克能PT加工技术的出现，将目前的“成形”制造提升到“抗疲劳”制造，也就是说豪克能PT加工后的零件既能保证零件的成形达到要求，又能大幅度提高零件的综合性能指标。基于该技术的主要产品是最先进的豪克能PT超极+机床系列，以及豪克能PT金属表面加工装置系列和豪克能PT残余应力消除设备等补充产品。当前，豪克能PT产品已经成功应用于航空航天、军工、汽车制造、核电水电、轨道交通、矿山机械等行业，解决了大量行业难题，获得了广泛认可。
2豪克能PT的作用原理及加工过程
豪克能PT作用的原理是利用了金属在常温状态下的冷塑性特点，运用豪克能PT这种复合能量对金属零件表面进行强化和微小形变处理，使金属零件表面达到更理想的表面粗糙度要求；同时在零件表面产生高值压应力，细化金属晶粒、提高零件表面的显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性，延长疲劳寿命。
豪克能PT的加工过程是借助机床的基础运动来进行的，它将能量发生器产生的复合能量通过豪克能PT刀具直接作用在工件表面。在此过程中，通过弹性片对豪克能PT刀具总成预加一个弹性压力，使加工工具头与工件表面始终保持接触，同时，加工工具头以3万次/s的超高频不断冲击工件表面，同时刀具作进给运动，产生由超声波能和冲击能组成的复合能量（豪克能PT）作用在工件表面上，利用金属在常温状态下冷塑性特点，对工件表面进行强化和微小形变处理，完成对工件表面的加工。
豪克能PT加工过程为：首先，在弹性预加力的作用下，豪克能PT刀具总成的工具头接触工件表面，只有保证工具头与工件表面接触，才能保证豪克能PT能够输入到工件的材料内部，保证工具头对工件表面的微幅振动冲击；其次，工件金属材料在大能量、高密度的豪克能PT作用下塑性提高，工件表层材料的原子及微观组织在复合能量的作用下被激活，使材料的塑性大幅度提高，但在能量去掉后材料又恢复原来的塑性；第三，工具头以3万次/s的频率冲击零件表面，冲击振幅在5~30μm左右（图1），实际是对工件进行超高频的小振幅微锻造，在微锻造的过程中工件表层金属产生塑性变形流动；第四，工具头以一定的加工轨迹（如机床车削轨迹）对零件进行加工是使金属的流动均匀一致，起到对工件表层金属的削峰填谷的作用。
通过以上4个步骤，工件表层就象熨衣服一样被熨平，同时使工件达到镜面效果，预置理想可控的高值压应力，表层晶粒细化，表层显微硬度提高20%以上，提高耐磨性、耐腐蚀性，提高疲劳寿命几十倍。
豪克能PT加工对金属表面质量的改性
豪克能PT加工将金属表面直接加工到镜面级别，粗糙度值可达Ra0.1以下，加工效果和效率都超过了传统的磨削和抛光，图2是在车削表面的基础上经豪克能PT加工后的40Cr钢工件表面对比情况。使用2201 型表面粗糙度检查记录仪对二者进行表面粗糙度测定，精车的粗糙度为Ra3.2，豪克能PT加工后Ra0.05，达到了镜面的效果。
1豪克能PT加工试样微观塑性变形和晶粒细化
在豪克能PT加工过程中，大能量、高密度地冲击材料表面，每次冲击都会在近材料表面一定厚度范围内产生一个应力场，从而使场内小体积元发生塑性变形。当持续冲击载荷作用在材料表面不同位置时，新应力场内小体积元又会沿其他方向产生塑性变形（晶粒细化），见图3。
2豪克能PT表面加工提高表面显微硬度
经豪克能PT加工后工件表面硬度明显增大，表面硬度提高约37%（试验数据见表1），且随深度增加表面硬度逐渐减小并趋于稳定。硬度提高可归因于晶粒细化和加工硬化两种效应共同作用的结果。由样品组织与性能对应关系可以看出，晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，而硬度减小，这种现象与传统Hall-Petch关系一致，也与其他超细晶材料相符，因此可以确定金属表面结构细化对材料表面强化可以起到重要作用，更为可贵的是在所有金属强化方法中，细化晶粒是目前唯一可以既提高强度，又改善塑性和韧性的方法，因此，豪克能PT对金属表面的强化可大幅度提高机械零部件的抗疲劳和耐磨损性能。
3豪克能PT加工产生数值可控的高值压应力
豪克能PT加工可以改变金属表面的应力状态，消除残余拉应力，预置一定数量的压应力。高数值残余压应力可以大幅度提高机械零部件的抗疲劳性能和耐磨损性能。分别对 40Cr 材质的相同规格的轴进行豪克能PT加工和磨光处理，使表面粗糙度都达到Ra0.2以下，然后对工件的表面残余应力进行测试。测试结果表明：工件经磨光后试件表面也产生了一定数值压应力，但数值较小且厚度相对较小；而豪克能PT加工在金属表面所形成的残余应力可达-600MPa以上，影响的深度达3mm以上。
4豪克能PT加工后材料疲劳寿命试验
豪克能PT加工对工件材料综合力学性能有极大提高。分别取两组试样进行疲劳寿命对比试验。循环应力水平确定为380MPa，循环基数为No=1.0×107次。依据GB4337-84金属旋转弯曲疲劳试验方法。试验数据如表2，可以看出在循环应力水平为380MPa时，未经过豪克能PT处理的试样，有效的7根全部发生疲劳断裂，寿命只有几十万至百万次；经豪克能PT表面加工的7根试样，寿命全部通过了1000万次，很好地验证了豪克能PT表面加工可以大幅度提高材料的疲劳性能。
我国知名疲劳专家赵振业院士将豪克能PT技术纳入航空构件的抗疲劳制造中，已经开展了大量的试验。目前的试验数据表明：经豪克能PT加工后，飞机发动机某关键构件材料的疲劳寿命达 108次，而之前的工艺只能达到106次；工件表面压应力可达-1300MPa，之前的工艺只能到-600MPa。赵院士称豪克能PT是目前为止最先进的金属表面改性及强化技术。由此可以看出，豪克能PT技术在航空构件抗疲劳制造中能更有效地将提高构件表面光洁度与金属表面改性结合在一起，强化金属表面质量，通过一次豪克能PT加工能同时改善多方面的因素来达到提高工件疲劳强度，实现大幅延长构件疲劳寿命的目的。
豪克能PT超极+机床
豪克能PT超极+机床创新地实现了提高零件的粗糙度到镜面级别，与提高零件的疲劳性能、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和高装配性为一体，是一个革命性的创新。它实现了工件成形加工→表面完整性加工→表面改性的一站式加工模式，结合已经成熟的数控技术，满足了规模化、批量化的生产加工要求。
1豪克能PT超极+机床的突出特点
（1）将传统 “成型制造”引领至“抗疲劳制造”的革命性变革。
机械制造的终极目的是制造出高质量长寿命的机器或部件，传统的 “成型制造”已经不能满足日益发展的机械制造要求，尤其是航空航天、军工、铁路机车制造业已经率先提出“抗疲劳制造”的要求。赵振业院士指出，抗疲劳制造将是今后机械制造业发展的方向。
（2）彻底取代相对落后的抛光、研磨、滚压等传统工艺及设备。
豪克能PT超极+机床是传统机械加工装备的升级。该设备将最大限度地代替传统的磨削、抛光、研磨等传统加工形式，得到更高表面质量的工件；在一定程度内取代热处理、覆层等表面强化方式，得到更耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳、长寿命的工件质量。
（3）抛弃砂带、抛光轮，远离粉尘等恶劣环境，实现节能提效、环境友好型机械加工模式。
彻底避免磨削废液、费旧砂布、砂带、砂轮、研磨液的排放。改变抛光、磨削、研磨加工中的恶劣环境，减少对操作人员的身心伤害。豪克能PT超极+机床和传统机床的性能参数对比见表3。
（4）其加工效率是普通磨削的2倍以上，抛光的十几倍，研磨的几十倍。
2豪克能PT超极+机床行业应用案列
豪克能PT超极+机床已经成功应用于航空航天、军工、铁路机车、发电机、汽车、液压等许多领域，以下介绍几个豪克能PT超极+机床系列。
（1） HYVC豪克能PT超极+加工中心系列（图4）。
主要是为负责曲面的镜面处理而开发，四轴联动加工中心，对高速雕铣的复杂组合曲面实现镜面加工处理。如汽轮机叶片的抛光问题，相对于传统的人工抛光，豪克能PT处理叶片效率高、表面效果好，还提高了叶片的耐磨耐腐性。
图4HYVC豪克能PT超极+加工中心
HYLCH-80T豪克能PT超极+轮毂专用机床使铝轮毂的抗疲劳性能大大提高，达到了国外先进水平，实现了出口的要求，同时还提高了表面光洁度，提升了产品的质量档次。该机床标志着我国的铝轮毂制造水平达到世界先进水平。
（2）HYCH豪克能PT超极+车床系列（图5）。
主要针对常见的外圆轴、阶梯轴、端面、曲面或组合面需要精加工的中小件。在车削后即可以豪克能PT表面加工处理，一次装夹，不需要转工序，加工效率高，避免了二次装夹误差。尤其是处理组合曲面效率更高。如重卡汽车的半轴套管、齿轮轴、轴带盘类工件，尤其适合该机床加工。
图5HYCH豪克能PT超极+车床
结束语
豪克能PT超极+机床作为机床发展里程碑式的第三代机床，将开启豪克能PT金属加工的新时代。该机床是复合加工理念的典范，也是机床发展的重点方向。豪克能PT超极+机床是将普通数控加工与复合能量加工的完善结合，实现我国制造装备的革命性升级。(end)
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(6/1/2013) |
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