CN106141564A - 一种多场协同作用的表面强化刀具 - Google Patents

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朴钟宇
周振宇
徐佳
文东辉
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B23P9/02—Treating or finishing by applying pressure, e.g. knurling

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Abstract

一种多场协同作用的表面强化刀具，包括刀柄部分和刀具本体，所述刀柄部分包括刀柄和刀柄连接块，所述刀柄与所述刀柄连接块连接，所述刀具本体包括导向块和位于导向块下部的滚珠组件，所述刀柄连接块与所述导向块的上端连接，所述刀具本体还包括弹性组件，所述导向块自上而下依次布置弹性组件和滚珠组件，所述弹性组件与所述滚珠组件固定连接；在所述刀柄、导向块、弹性组件和滚珠组件的中部开有用于布置通电及气体通道和Ti+B4C电极的通孔。本发明提供一种能够多场协动、性能较高的多场协同作用的表面强化刀具。

Description

一种多场协同作用的表面强化刀具
技术领域
本发明涉及刀具，尤其是一种平面滚压刀具。
背景技术
现有的平面滚压刀具，通常是单一的机械力、电磁力或超声振动等方式，不能多场协动，无法适用于铝合金表面加工。
发明内容
为了克服已有平面滚压刀具的无法多场协动、性能较差的不足，本发明提供一种能够多场协动、性能较高的多场协同作用的表面强化刀具。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多场协同作用的表面强化刀具，包括刀柄部分和刀具本体，所述刀柄部分包括刀柄和刀柄连接块，所述刀柄与所述刀柄连接块连接，所述刀具本体包括导向块和位于导向块下部的滚珠组件，所述刀柄连接块与所述导向块的上端连接，所述刀具本体还包括弹性组件，所述导向块自上而下依次布置弹性组件和滚珠组件，所述弹性组件与所述滚珠组件固定连接；在所述刀柄、导向块、弹性组件和滚珠组件的中部开有用于布置通电及气体通道和Ti+B4C电极的通孔。
进一步，所述滚珠组件包括陶瓷球固定套、滚珠给我保持架，所述保持架固定在所述陶瓷球固定套的下部，所述滚珠安装在保持架内。
再进一步，所述滚珠组件还包括盖子，所述盖子与保持架固定连接。
更进一步，所述陶瓷球固定套和保持架的一圈等圆弧间隔地开有球形保持孔，所述滚珠可自动滚动地位于所述球形保持孔内，所述滚珠的下方一部分凸出所述保持架外；保持架边缘有一个圆环板，板上开有四个扇形孔，以此来和导向块低端的四个扇形柱相套牢；导向块底端的四个扇形柱上有外螺纹，这样将有内螺纹的盖子转到空腔上，以此来将保持架固定在导向块上；同时导向块通过底部的扇形柱向保持架传递力矩和转速；保持架中心有一个用于放置Ti+B4C电极的圆孔。
所述刀柄呈锥体形状，所述刀柄的上端中心开有上通孔。
本发明的技术构思为：使铝合金表面改性来提升综合防护能力，使其在面对载荷形式复杂、腐蚀与磨损交割等苛刻海洋服役环境时具有优良的使用性能和较长的寿命。
据研究表明外力引起的塑性变形可以诱导铝合金表面发生晶体学运动而实现晶粒纳米化/超细晶化，这种晶粒尺寸梯度分布(纳米晶-超细晶-细晶-粗晶)的多尺度结构有利于提升铝合金表面硬度及耐磨、防腐、抗疲劳性能。同时研究表明，这种纳米梯度结构还有利于外部原子向铝合金芯部的扩散，提供了更多的扩散通道和反应界面，降低了元素渗透所需的温度和时间。
多场协同是指机械力、电、热和超声振动相互配合，拟在铝合金表面构筑“高硬强支撑”的复合多尺度结构。其对于铝合金表面主要是表面晶粒尺度调控和表面合金化。表面晶粒尺度调控在不加入基体之外元素的前提下，仅通过对金属基体晶粒尺度的细化、梯度化实现在表面形成多尺度结构，从而提升基体硬度，是典型的物理强化过程。表面合金化通过外加元素与基体发生化学反应，在金属表面形成复合层以提升硬度，是典型的化学强化过程。
刀具以滚压+超声振动协同在压缩纯N2气氛中配和超声高频振动平台对铝合金表面进行塑性加工，滚压是金属在外界压力的作用下，表面产生连续局部塑性变形，来改善和提高机械零件的最终表面质量和性能，具有光整和表面强化的双重作用。超声振动加到滚压刀具上面具有降载作用,相当于提高了工艺系统的刚度。这样就可以在铝合金表面产生连续局部塑性变形，从而使铝合金表面产生梯度纳米层。
刀具以通电+滚压+超声振动协同在压缩纯N2气氛中对预制了纳米梯度铝合金表面进行合金化加工。在加工接触区域引入压缩纯N2气，在滚压+超声振动协同加工过程中对工件进行气氛保护和冷却，在通电+滚压+超声振动协同加工过程中充当电解质并利用电离作用参与到合金化的反应中。
本发明的有益效果主要表现在：能够多场协同(机械力、电、热、超声振动)的对铝合金表面进行加工，使其表面纳米化和金属合金化，从而大幅提高性能。
附图说明
图1是滚压刀具的剖视图。
图2是刀柄3维图。
图3是刀柄连接块3维图。
图4是保持架图。
图5是保持架的截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种多场协同作用的表面强化刀具，包括刀柄部分和刀具本体，所述刀柄部分包括刀柄1和刀柄连接块3，所述刀柄1与所述刀柄连接块3通过螺栓2连接，所述刀具本体包括导向块6和位于刀具连接筒下部的滚珠组件及其他零件。所述刀柄连接块3与所述导向块6的上端通过螺栓5和螺母4连接。所述刀具本体还包括弹性组件7、陶瓷球固定套8、保持架10、陶瓷滚珠11、盖子15。所述导向块6自上而下依次布置弹性组件7、陶瓷球固定套8、陶瓷滚珠13、保持架10、盖子15。将弹性组件7、陶瓷球固定套8、陶瓷滚珠13、保持架10依次装入导向块6的内腔，最后用盖子15将保持架10定牢，使导向块6内的零件固定。
所述滚珠组件包括陶瓷球固定套8、陶瓷滚珠13和保持架10，所述保持架10固定在所述陶瓷球固定套8的下部，所述陶瓷滚珠13安装在保持架10内。所述保持架10上有多个球形孔，能够安装多个所述陶瓷滚珠9，进一步降低加工表面粗糙度并显著提升加工效率。
在刀柄1、导向块6、弹性组件7、陶瓷球固定套8、中心开有孔，用来插入通电及气体通道9。通电及气体通道9下端与绝缘垫片11、Ti+B4C电极12、绝缘套14相连。绝缘垫片11、Ti+B4C电极12、绝缘套14放置在保持架10中心的孔中。以纯Ti粉与B4C粉按比例通过粉末冶金的方式制成的电极，将其作为阳极，铝合金工件为阴极，通电后形成短路释放热量，熔融Ti+B4C在正极性电场、滚压机械力、超声振动的协同促进下向预制了梯度结构的铝合金表面转移，与浅表层熔融铝合金发生反应和机械掺杂，形成具有TiB2、TiC、AlC、AlN、B4C等硬质相的表面高硬度强化层。
弹性组件7位于陶瓷球固定套8上方，并与导向块6的内壁有一定间隙。弹性组件7需要具有强度好，压缩变形小的特性。弹性组件7在受到轴向力时发生压缩变形，并发生轻微膨胀。当弹性组件7受到导向块6内壁限制时，弹性组件7的压缩强度变得更大。因此，弹性组件7不仅提供一定的压缩变形，而且提供相当的压缩强度，保证了刀头在承受一定滚压力的同时，能够全部或部分地消除因工件表面不平整带来的加工振动。
参照图2和3，刀柄1成锥体形状，能被机床等设备的主轴所装夹。刀柄1和刀柄连接块3有导向结构，便于定位和保证同轴度，这样在高速旋转时能降低离心力。

Claims (5)

1.一种多场协同作用的表面强化刀具，包括刀柄部分和刀具本体，所述刀柄部分包括刀柄和刀柄连接块，所述刀柄与所述刀柄连接块连接，所述刀具本体包括导向块和位于导向块下部的滚珠组件，所述刀柄连接块与所述导向块的上端连接，其特征在于：所述刀具本体还包括弹性组件，所述导向块自上而下依次布置弹性组件和滚珠组件，所述弹性组件与所述滚珠组件固定连接；在所述刀柄、导向块、弹性组件和滚珠组件的中部开有用于布置通电及气体通道和Ti+B4C电极的通孔。
2.如权利要求1所述的多场协同作用的表面强化刀具，其特征在于：所述滚珠组件包括陶瓷球固定套、滚珠给我保持架，所述保持架固定在所述陶瓷球固定套的下部，所述滚珠安装在保持架内。
3.如权利要求2所述的多场协同作用的表面强化刀具，其特征在于：所述滚珠组件还包括盖子，所述盖子与保持架固定连接。
4.如权利要求2或3所述的多场协同作用的表面强化刀具，其特征在于：所述陶瓷球固定套和保持架的一圈等圆弧间隔地开有球形保持孔，所述滚珠可自动滚动地位于所述球形保持孔内，所述滚珠的下方一部分凸出所述保持架外；保持架边缘有一个圆环板，板上开有四个扇形孔，以此来和导向块低端的四个扇形柱相套牢；导向块底端的四个扇形柱上有外螺纹，这样将有内螺纹的盖子转到空腔上，以此来将保持架固定在导向块上；同时导向块通过底部的扇形柱向保持架传递力矩和转速；保持架中心有一个用于放置Ti+B4C电极的圆孔。
5.如权利要求1～3之一所述的多场协同作用的表面强化刀具，其特征在于：所述刀柄呈锥体形状，所述刀柄的上端中心开有上通孔。
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