某科技公司超声波金属强化高技术产业项目可行性研究报告+项目建议书.doc

项目简介

XXX科技有限公司

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目 录

一、项目意义和必要性 2
二、项目技术基础 2
1、国内外发展概况 .2
2、项目技术特点 3
3、创新性 4
4、技术成熟程度 5
5、技术来源 5
6、成果水平 5
7、产品主要构成 5
三、主要建设内容 6
1、设备制造厂 6
2、新产品设计开发研究所 6
3、公司总部 6
4、公司规模 6
四、市场预测与经济性分析 7
1、产品市场领域 7
2、产品年需求量 7
3、产品营销额与利润估算 7
五、节能与环保 7
六、超声表面强化技术在我公司的研究发展简介 8
1、超声深滚和滚光技术的设备开发和研究应用 8
2、超声冲击技术的设备开发和研究应用 13
3、超声喷丸技术设备开发和研究应用 14
4、金属熔体超声波凝固处理设备开发和应用 14

一、项目意义和必要性
疲劳断裂和磨损是钢结构和机械零件的两种主要失效形式，约占各类机械结构失效总数的70%以上。失效不仅会造成直接经济损失，而且因失效而引起的停工停产还会带来附加经济损失和影响。其中，因疲劳断裂所造成的机械失效常导致灾难性事故，如飞机、舰船、桥梁、发电机组和重载车辆等，这些机械装备的动力或传动系统零部件往往承受疲劳载荷和磨损等的联合作用，一旦出现关键零部件失效就会导致重大事故。而且这类事故时有发生，给国民经济造成了损失。因此，采用先进、经济、绿色的抗疲劳、耐磨损制造和维修技术，预防疲劳断裂和磨损失效，提高机械装备和钢结构的可靠性和使用性能，延长其服役寿命，降低运行成本是十分必要和迫切的。
二、项目技术基础
1、国内外发展概况
将超声波技术用于金属材料的表面强化，近几年在国际上受到了相关领域的高度重视，并已经开始由提高焊接结构的疲劳强度向机械零部件表面强化领域发展。其中，二十世纪九十年代发展起来的超声冲击技术已经在俄罗斯作为提高舰船和核潜艇焊接钢结构的重要技术手段。美国联邦高速公路管理局目前已将该技术用于桥梁钢结构的焊接生产和维修。加拿大、澳大利亚、德国和比利时等国家也已经开始将超声冲击作为一种经济可靠的焊后处理技术用于大型焊接钢结构的制造和维修。2003年，在布加勒斯特召开的IIW焊接结构疲劳委员会年度会议上，讨论了有关采用超声冲击处理技术进行焊后处理的技术规范。研究与应用表明，采用超声冲击处理可以使焊态钢结构的疲劳强度提高1～2个等级。
近几年，超声处理作为通用的金属表面强化技术已开始受到国际材料学、材料加工工程和疲劳与断裂等领域的重视。英、美、法、加等工业发达国家已开始了将超声表面处理用于提高航空发动机涡轮叶片的疲劳性能和恢复老龄化飞机高强度铝合金结构抗疲劳和抗腐蚀疲劳性能的研究发展工作。美国空军对该技术的发展和应用表示出很高的兴趣，并出资资助美国Metal Improvement公司针对老龄飞机的疲劳可靠性问题开展有关研究与应用。因为飞机的日历寿命一般为20年，以此计算，上世纪八十年代生产的军机都已进入老龄化阶段。如何延长这些军机的服役寿命不仅是一个经济性问题，而且也是一个关系到空军战斗力的军事问题。加拿大国家研究委员会（CNRC）航空结构部和法国一家公司合作也在开展有关超声表面强化的研究工作。斯奈克玛（SNECMA）、法国空客、沃尔沃(Volvo)和雷诺(Renault)等国际航空航天和汽车工业集团也已经资助法国、德国和英国的一些研究机构开展了有关研究工作。这些工作表明超声表面强化，作为一种抗疲劳、耐磨损制造和维修技术有着巨大的潜力和应用前景。正如英国雪菲尔德大学材料研究所国际疲劳研究专家Rodopoulos教授2006年在法国巴黎召开的国际喷丸学术会议上所述，正在得到迅速发展的超声表面处理技术将会和激光冲击处理技术一起，占领大部分原来属于传统喷丸强化技术的市场，并将在航空航天、舰船、汽车、电力和军工等领域得到广泛的应用。
国内的有关研发工作开展较晚，目前只有超声冲击作为一种提高焊接结构疲劳强度的技术手段，在一些科研院所开展了研究工作，并在工程中开始得到应用。但是将超声表面强化作为一种通用的金属抗疲劳、耐磨损应用，目前尚未见有关的研究和应用报道。
凯程科技有限公司基于对超声表面强化的国际发展前景的调研分析，于2004年开始研发有关的设备和技术，目前已成功开发了拥有自主知识产权的“超声深滚与滚光一体化表面强化设备和技术”，并将该技术成功地用于航空发动机压气机叶片、涡轮叶片和轴类零件的抗疲劳强化中。该技术已经于2005年通过了国家有关部委组织的技术鉴定，并获科学技术二等奖。鉴定委员会认为，超声深滚与滚光一体化表面强化设备和技术在表面机械强化领域处于国际先进和国内领先水平。在此基础上公司还成功地开发了可以取代传统喷丸强化工艺的“超声喷丸设备和技术”，以及用于焊缝处理的系列“超声冲击强化设备”。
2、项目技术特点
（1）应用领域广泛
超声表面强化技术可应用于如下一些工业领域：焊接结构、桥梁钢结构、承受疲劳载荷作用的结构和零部件、汽车零部件、飞机结构和零部件、造船和船修、铁路制造与维修、模具制造与维修、铸造和机加工零部件、重型机械等。具体工业领域和应用对象如下：
l 航空工业：涡轮和压气机叶片、涡轮盘、起落架、铝合金结构；
l 机械制造：齿轮、轴、曲轴、轴承座；
l 汽车工业：曲轴、液压部件、发动机气缸、缸套、扭杆弹簧；
l 造船业：舰船发动机轴、传动轴、螺旋桨；
l 电力工业：涡轮转子轴、压缩机和泵等；
l 交通运输业：桥梁、塔架、交通灯杆、交通标志杆；
l 建筑业：起重机、挖掘机、吊车臂。
l 冶金工业：轧辊、模具；
l 纺织工业：纺织滚；
l 造纸印刷业：烘缸、印刷滚、印钞滚；
（2）技术特点
l 在零件表面制备出高值、大深度的残余压应力层，从而大幅提高零件的疲劳强度和抗应力腐蚀性能；
l 产生表面硬化效果，提高零件的耐磨性；
l 使零件表面产生晶粒细化（纳米晶或超细晶），进一步提高零件的抗疲劳裂纹萌生和扩展性能；
l 可以实现无削抛光，大幅降低零件表面粗糙度和加工刀痕，减小应力集中，提高零件的抗疲劳裂纹萌生能力。
l 可以消除或减轻因腐蚀坑、划伤和微孔洞等表面缺陷导致的零件疲劳性能下降。
（3）应用特点
可以在现有的制造或维修生产线上利用普通或数控的车床、铣床实现，也可利用加工中心或机械手进行表面强化处理。
（4）经济性特点
l 与美国和德国的冷深滚（CDR）和低塑性滚光技术（LSP）相比，超声表面强化设备制造成本低；
l 超声表面强化设备操作成本低，加工效率高；
l 可以在现有的机加工设备上实现，不需要投资专门的生产间，一次性投入小，适合大中小企业应用；
l 不需要引入昂贵的合金元素，也不需要高能束处理，因此节能节材。
（5）环保特点
无排放、无噪音，没有化学或电化学过程，符合绿色环保要求。
3、创新性
（1）技术原理的先进性
超声金属表面强化是一种利用超声波的机械冲击、超声悬浮和动态接触作用使金属零件的表面性能得到提高的技术。超声处理可以产生五种复合作用效果：
l 引入大深度残余压应力（抑制裂纹萌生、降低裂纹扩展速率）；
l 使材料表面晶粒细化或纳米化（细晶强化）
l 产生表面加工硬化（抵抗裂纹萌生、提高耐磨性）
l 降低零件表面粗糙度（减小应力集中系数，延长裂纹萌生寿命）
l 修复或减轻表面缺陷或加工纹理（减小应力集中）
（2）与国内外同类技术相比的先进性
与国外近年来发展起来的冷深滚、低塑性滚光以及激光冲击强化技术相比，超声深滚设备不需要复杂的超高压液压技术和激光高能束技术，因此设备制造成本和使用成本低。而且，超声冲击利用了冲击惯性力的作用，对零件的静压力很小，所以可以处理薄壁零件而不至于使零件产生宏观变形。
与传统的喷丸强化技术相比，超声表面处理的抗疲劳效果明显优于喷丸强化。而且不需要空压机，对环境无污染。与传统的滚光工艺相比，由于该技术利用超声悬浮、动态接触和自由滚动等技术原理实现了近“无摩擦”表面处理，不会对工件表面造成划伤或产生不利的残余剪应力。
目前在国内外尚无相同的设备和技术。
4、技术成熟程度
凯程公司研制开发的下列超声表面强化设备与相关工艺技术均已经过了试生产。其中UDR-I型超声深滚与滚光一体化表面强化设备和技术、ZJ-II型超声冲击强化设备和技术已在工程中得到应用。USP-I型超声喷丸设备和技术已完成技术开发，并通过了实验室鉴定实验。UMS-I型金属熔体超声波凝固处理设备和技术已经完成了样机的开发，目前正在进行工艺试验。
l UDR-I型超声深滚与滚光一体化表面强化设备与工艺
l ZJ-II型超声冲击强化设备与工艺
l USP-I型超声喷丸设备与工艺
l UMS-I型金属熔体超声波凝固处理设备
5、技术来源
超声表面强化设备和技术由XXX科技有限公司自主研制开发。
6、成果水平
凯程科技有限公司所开发的“超声深滚与滚光一体化表面强化设备和技术”，已经于2005年通过了国家有关部委组织的技术鉴定，并获科学技术二等奖。鉴定委员会认为，超声深滚与滚光一体化表面强化设备和技术在表面机械强化领域处于国际先进和国内领先水平。
7、产品主要构成
超声表面强化设备的主要组成部分见图1。

图1 超声表面强化系统构成示意图
三、主要建设内容
1、设备制造厂
（1） 机加工车间（含热处理车间）
（2） 电子设备加工与调试车间
（3） 总装与调试车间
（4） 原料仓库
（5） 成品仓库
（6） 配电室
（7） 污水处理站
2、新产品设计开发研究所
（1）超声波换能器设计开发室
（2）功率超声电源设计开发室
（3）超声表面强化工业应用设计开发室
（4）金属材料性能实验室
3、公司总部
（1）人事管理部
（2）市场营销部
（3）产品售后服务部
（4）技术培训部
（5）后勤与安全管理部
（6）餐厅
（7）停车场
4、公司规模
根据总体设计规划，公司拟占地1500-2000亩，员工总数为600-1000人
四、市场预测与经济性分析
1、产品市场领域
航空工业、机械制造、汽车工业、造船业、电力工业、交通运输业、建筑业、冶金工业、纺织工业、造纸印刷业、武器工业、有关科研院所和大专院校。
2、产品年需求量
国内市场：1000~2000台
国外市场：100台
3、产品营销额与利润估算
国内市场/年:
TS=台数×单价=（1000~2000）×16=16000~32000（万元）
TI=TS-（台数×（成本+消耗））=（16000~32000）-（（1000~2000）×（8.5+0.5））=7000~14000（万元）
国际市场/年：（以国内市场单价和利润乘以5倍计算）
TS=（100）×16×5=8000（万元）
TI=（100）×7×5=3500（万元）
年均销售总额：24000~40000（万元）
年均利润：10500~17500（万元）
TS：销售额/年
TI：利润/年
4、员工工资
2400万元/年
五、节能与环保
超声金属表面强化设备加工制造工艺中仅涉及机加工、热处理和电子设备加工调试，无高能耗工艺过程，符合节能降耗要求。
超声金属表面强化设备加工制造工艺中，除少量喷漆工艺外无化学或有机物污染，无烟尘排放，低噪音，符合环保要求。

六、超声表面强化技术在我公司的研究发展简介
1、超声深滚和滚光技术的设备开发和研究应用
图2 超声深滚设备在数控铣床上的安装使用

图1超声深滚设备在数控车床上的安装使用
我公司开发了超声深滚、超声滚光和冷深滚一体化超声表面强化处理设备。该设备可以用来进行冷深滚、滚光和超声深滚处理，可以手持或在机床上实现对零部件和结构的处理。图1～图3分别是超声深滚设备在数控车床和铣床上应用的情况。
2.1超声深滚强化处理提高零件疲劳性能试验研究

图3 超声深滚设备在机械手和加工中心上的安装使用

根据国标GB/T4337—1984制备了钛合金（TC4）光滑旋弯疲劳试件进行超声深滚处理前后试件疲劳性能对比分析。图4是超声处理前后试件的疲劳寿命曲线。可见，处理前TC4试件疲劳强度（107周次）为362 MPa，处理后疲劳强度为612 MPa。经超声深滚强化处理疲劳强度提高了69.1%，使应力幅为600MP下的试件疲劳寿命延长了约100倍。
图4超声深滚处理前后试件的疲劳寿命曲线
2.2超声深滚强化处理层的硬度分析
显微硬度测试使用HVS-1000型数字显微硬度计，载荷为100 g；纳米压痕测试使用英国微观材料纳米测试科技有限公司生产的Nanotest 600型纳米压痕仪。测试了超声深滚处理后试样深度方向的硬度分布。图5是沿超声深滚试样深度方向的显微硬度和纳米压痕硬度分布。可见，超声深滚处理使TC4材料表面的显微硬度由HV 393提高到了HV 426。

图5沿超声深滚试样深度方向的硬度分布
2.3超声深滚强化处理层的残余应力试验研究
在同一块45钢板试件的磨削态表面采用4种不同工艺参数进行超声深滚处理，然后采用线切割技术将试件切成4块,采用日本理学M2F-2MX射线应力分析仪进行了表面残余应力测试。表1是表面残余应力测试结果。

表1 表面残余应力测试结果
试件编号
测量结果(MPa)
处理后表面
平均值
处理前表面
平均值
1
-612.5
-554.7
-584.1
/
/
/
2
-542.9
-525.3
-534.1
-98.9
-127.4
-112.7
3
-687.9
-780.1
-734.1
/
/
/
4
-493.9
-444.9
-469.4
/
/
/
可见，经超声深滚表面处理后，磨削态的45钢板表面残余应力平均由-112.7MPa降低到-580MPa，降低了越400％。
采用射线应力分析技术对经超声深滚处理后的TC4试件沿深度方向的残余应力进行了测试。采用电解抛光的方法逐层抛光，对试件进行逐层测试。图6是沿超声深滚TC4试样深度方向的残余应力分布曲线。
图6 超声深滚TC4试样沿深度方向的残余应力分布曲线。
由上图可见，超声深滚处理使钛合金试件产生了深度达1mm的残余压应力层。残余压应力的幅值达到930MPa。表面残余应力的大幅降低对提高零件的疲劳寿命极为有利，同时也会提高零件的抗应力腐蚀性能。该结果与美国Lnmbda公司采用LPB工艺处理的钛合金试件的结果基本相同。

2.4超声深滚强化处理层表面形貌及表面粗糙度试验研究
对磨削后的TC4平板试样进行了常规工艺的超声深滚处理，使用Quant 200型扫描电子显微镜（SEM）观察了试样的表面形貌(图7)。
a (100×)
b (250×)
处理后
处理前
过渡区
处理后
处理前
图7 超声深滚强化处理前后表面形貌
采用TR240型表面粗糙度仪测试了试样的表面粗糙度。图8是磨削态表面的粗糙度曲线。图9是超声深滚处理后的表面粗糙度曲线。
图8 磨削态表面的粗糙度曲线
图9 超声深滚处理后的表面粗糙度曲线

表2是表面粗糙度测试结果。可见，超声深滚处理可以使原始态工件（磨削）表面的粗糙度从2.32降低到0.11，降低了大约20倍。
表2 表面粗糙度测试结果
表面位置
表面粗糙度Ra（mm）
平均值Ra（mm）
未经处理
2.56
2.18
2.24
2.37
2.25
2.32
超声深滚
处理后
0.13
0.08
0.10
0.15
0.09
0.11
表面形貌和粗糙度测试结果表明，超声深滚处理可以大幅度提高零件的表面光洁度。表面光洁度的提高有利于提高零件的抗疲劳裂纹萌生能力。
2.5圆柱形零件超声冲击滚压前后的宏观形貌
图10 圆柱形零件超声冲击滚压前后的宏观形貌
深滚后
切削态
图10是切削后的圆柱形零部件（45钢）在超声深滚前后的表面宏观形貌。可见，超声深滚后零部件的表面光洁度大大增加。而且，经3个月在实验室环境下自然放置后，未经超声深滚处理的部分已经产生了明显的腐蚀斑，经过超声深滚处理后的部分依然保持光亮，没有出现腐蚀斑，表明，超声深滚处理可以大大提高45钢零部件的抗腐蚀性能。

2、超声冲击技术的设备开发和研究应用
图12 沿垂直于焊缝方向的表面残余应力分布
处理后
处理前
图11 A147焊条疲劳试验结果比较（焊态和超声冲击后）
研制开发了用于提高焊接接头疲劳强度的超声冲击设备，并进行了残余应力测试、疲劳强度测试。试验结果表明，经过超声冲击处理可以使TWE312-15焊条制造的焊接接头的疲劳强度比焊态提高17.9％，使A147焊条制造的焊接接头的疲劳强度比焊态提高33.3％（见图11）。可以使高强钢焊缝的残余应力由+180MPa降低到-350MPa(降低300％)，见图12。这些研究试验结果证明了超声冲击技术在提高焊接接头疲劳强度方面的有效性。图13是所研制的超声冲击设备照片。
图13 超声冲击设备
3、 超声喷丸技术设备开发和研究应用
研制了超声喷丸设备和系列喷丸工具头（图14）。超声喷丸技术特别适合与对工件的局部表面进行喷丸强化处理。与空气喷丸相比，因不需要压缩空气，因此设备简单便携，使用方便。由于不需要进行丸粒回收，因此可以使用贵重的优质合金丸。该设备也可以在制造生产线上利用传统的机加工设备对零件表面进行喷丸强化。由于超声喷丸工艺比普通的气动喷丸工艺相比具有更高的强度，因此可以更大程度地提高零件的抗疲劳性能。在一些大型机械装备和桥梁、塌架等大型钢结构的维修中，利用超声喷丸技术也比普通喷丸技术有明显的优越性，设备便携，仅需电力驱动，无污染，便于进行结构的局部维修强化。
图14 超声喷丸枪和系列喷丸工具头
4、金属熔体超声波凝固处理设备开发和应用
图15是为北京某金属研究院研制开发的用于镁合金和铝合金铸造的金属熔体超声波凝固处理设备的工具头照片。
该设备和工艺已在该研究院的镁合金铸造工艺中得到了应用，试验表明，采用超声波熔体处理技术后，镁合金铸锭的晶粒得到了细化，减少了枝晶的生长，降低了气孔率，同时使境界偏析得到了抑制。力学性能试验表明，经超声波熔体处理后，镁合金铸锭的强度和韧性均有提高。目前，该研究院正在和我公司合作，开展超声波熔体处理技术在镁合金和铝合金铸件生产中的应用技术开发。
图15 金属熔体超声波凝固处理设备工具头

目 录

一、项目意义和必要性 2
二、项目技术基础 2
1、国内外发展概况 .2
2、项目技术特点 3
3、创新性 4
4、技术成熟程度 5
5、技术来源 5
6、成果水平 5
7、产品主要构成 5
三、主要建设内容 6
1、设备制造厂 6
2、新产品设计开发研究所 6
3、公司总部 6
4、公司规模 6
四、市场预测与经济性分析 7
1、产品市场领域 7
2、产品年需求量 7
3、产品营销额与利润估算 7
五、节能与环保 7
六、超声表面强化技术在我公司的研究发展简介 8
1、超声深滚和滚光技术的设备开发和研究应用 8
2、超声冲击技术的设备开发和研究应用 13
3、超声喷丸技术设备开发和研究应用 14
4、金属熔体超声波凝固处理设备开发和应用 14