CN106929649A - 一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置，属于纳米材料制备和材料表面改性处理及塑性加工领域。该装置主要包括轧辊、辊架、轧辊进退调整机构、辊架固定及进给机构、润滑冷却系统。该装置的轧辊进退调整机构具有每个轧辊单独进退微调和多个轧辊同步进退调整功能；该装置的多个轧辊同步进退调整利用蜗轮蜗杆和楔块，通过齿轮和螺杆传动，实现多个轧辊同步向构件进退。本发明能够在不同直径的大尺寸的轴类、管类、轧辊类、旋压芯模类等回转体金属构件的表层实现微纳米超细梯度组织，处理构件的表面质量高，且易于实现批量化、环境友好生产，制备效率高，有助于推动金属材料表面纳米技术实现工业规模化批量生产和应用。

Description

一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法及装置，特别是提供了一种在大尺寸金属构件表层，易于批量化、可实现工业规模化制备微纳米梯度组织的塑性变形新技术，属于纳米材料制备和材料表面改性处理及塑性加工领域。
背景技术
在金属构件表层制备出微纳米梯度组织，可以获得强度和塑性相互匹配的力学性能，同时提高金属构件的疲劳性能。通过剧烈塑性变形技术制备金属材料表层微纳米组织的方法主要有：超声喷丸、高能喷丸、表面超声冲击处理(Ultrasonic SurfaceProcessing和Ultrasonic Impact Peening)、表面机械研磨处理、表面机械碾压处理、机械滚压处理、丝刷处理和滑动摩擦处理等。喷丸技术存在噪音大和粉尘污染环境等问题，表面超声冲击技术存在耗能、产生噪音及制备效率低等问题。
中国发明专利“表面机械研磨的方法表面纳米化(申请号：99122670.4)”公开了一种采用刚性丸粒(钢球)对金属材料表面撞击，使基体表面产生了剧烈塑性变形，从而实现表面组织细化至纳米尺寸，这种方法处理工件表面粗糙度稍大，操作过程繁琐，实现连续和大规模生产的难度较大，难以满足实际应用要求，限制了其在工业中的推广。中国发明专利(申请号：200710011724.6、申请号：201210103152.5、申请号：201310033995.7及申请号：201310185394.8)公开了表面机械碾压的方法表面纳米化，采用一定曲率半径或球形刀具在高速旋转工件表面进行滚动，材料表层产生塑性变形，工件表层晶粒发生细化而形成纳米梯度组织；中国发明专利“一种对金属表面进行梯度纳米化的方法(申请号：201310185394.8)”公开了一种采用滚压刀具连续式进刀对金属表面进行若干道次滚压，然后在不退刀且总进刀量不变的条件下，在金属表面滚压若干道次，获得一层晶粒尺寸从纳米级到微米级呈梯度分布的组织细化层；这些方法处理工件的尺寸较小，制备效率低，实现工业规模化生产的难度较大。
中国发明专利“金属表面纳米化的方法(申请号：200710037030.X)”、“一种在金属材料表面制备具有梯度纳米组织结构的方法(申请号：201210287363.9)”及中国实用新型专利“金属材料表面纳微米化的装置(专利申请号：200920025738.8)”和文献“Pengfei Chui,Kangning Sun,Chang Sun,et al.Effect Effect of surfacenanocrystallization induced by fast multiple rotation rolling on mechanical properties of alow carbon steel.Materials and Design.2012,35:754-759”公开了采用旋转圆柱形工具的端面(端面为平面、圆弧曲面或在平端面安装多个滚珠)压入金属表面，产生强烈的塑性变形，导致晶粒尺寸细化至纳米尺寸；中国发明专利“一种制备金属材料纳米结构表面层的方法及其装置(申请号：200910047694.3)”和文献“白涛、李东、关凯书.机械滚压对304L不锈钢组织和性能的影响.金属学报，2011,47(11)：1459-1463”公开了一种在旋转轴(轧辊)上安装能够自转的圆形滚轮(轧辊)对材料表面多次冲击发生剧烈塑性变形，导致晶粒尺寸细化至纳米尺寸；中国发明专利“摩擦滚压制备金属表面纳米层的方法(申请号：200810204386.2)”公开了一种采用支架带动滚轮在金属表面上滚压，使金属材料表面产生剧烈塑性变形，导致晶粒尺寸细化至纳米尺寸；这些方法处理工件表面的全过程并非连续成形，操作过程相对复杂，工件表面不够光洁，且制备效率低，实现连续化和规模化生产的难度较大。
中国发明专利“一种利用滑动摩擦实现金属材料表面纳米化(申请号：201110277356.6)”和“采用压力滑动轧制的金属板表面纳米化方法(申请号：200510110985.4)”公开了采用重复循环滑动摩擦使得金属材料表面晶粒尺寸细化至纳米尺寸，最终实现金属材料表面纳米化；中国发明专利(申请号：201110277356.6)采用硬质合金圆球在金属表面滑动，接触面积很小，摩擦表层的应变与应变率较大，表面产生严重塑性变形，细化晶粒，这种方法制备效率低，很难满足工业实际生产的要求；中国发明专利(申请号：200510110985.4)采用压力滑动轧制板垂直压入金属板的表面，金属板移动时压力滑动轧制板固定不动，使得金属板与压力滑动轧制板之间产生滑动和轧制，使得金属板表面组织发生高应变速率强烈塑性变形形成纳米晶表面层，从塑性加工工艺角度而言，该专利应为板材拉拔，该方法材料表层主要受到压应力和拉应力，剪切应力的作用较小，金属表层的应变(剪切变形)较小，组织细化能力较弱，虽然这种方法能够实现大尺寸金属板材表面纳米化，但存在金属材料表面纳米化效率低和表面不够光洁等问题。
上述在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法在工业规模化、高效批量化和环境友好生产方面仍然有许多的不足，难以满足实际工业化生产的需求。
发明内容
本发明的目的之一是，针对上述现有技术中的不足，提供一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，本发明能够处理大尺寸的轴类、管类、轧辊类、旋压芯模类等回转体金属构件的表面，在金属构件表面形成微纳米梯度组织，提高构件的综合性能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，包括如下步骤：
(1)将加工构件装卡到机床上，调整构件中心线，使得其中心线与机床主轴中心线重合；
(2)将多个轧辊(3-6个，如三个或六个等)均匀分布，安装在辊架上，根据构件的直径确定轧辊的位置，通过轧辊进退微调机构精确调整轧辊位置，使得每个轧辊与构件之间的间隙相同；
(3)采用塞尺测量轧辊到构件的间隙，调整轧辊进退调整机构刻度尺的位置，使得轧辊进退调整机构刻度尺显示的数据与塞尺测量数据一致；
(4)设计道次压下量，并采用多个同步轧辊进退调整机构，使得多个轧辊同步向被旋碾金属构件移动，实现多个轧辊对金属构件具有相同的压下量；然后，启动冷却润滑系统，对金属构件和轧辊进行冷却；
(5)启动机床，金属构件做高速旋转运动，轧辊和辊架一起沿金属构件轴向进给，多个轧辊在摩擦力的作用下同时自转，对金属构件同时进行旋碾塑性变形；
(6)对步骤(4)和(5)反复交替进行，对金属构件进行多道次旋碾，直到在金属构件表层获得一层微纳米级超细梯度组织。
所述步骤(6)之后，增加步骤(7)：
(7)对步骤(6)加工的构件取样，采用TEM(HREM)、SEM(EBSD)和XRD测试微纳米梯度组织层的厚度和组织大小。
所述机床为车床等机械加工设备，机床具备实现构件转动。
步骤(2)中，所述轧辊的个数为三个至六个，如三个或六个等。
步骤(3)中，所述轧辊进退调整机构刻度尺等分刻度的每一分度(每格)表示0.01mm，刻度尺准确到0.01mm；确定轧辊与构件间隙为零的位置(零点)后，刻度尺上的负数表示轧辊压下量，正数表示轧辊与构件之间的间隙值。
步骤(4)中，所述轧辊的压下量为0.04mm～0.2mm。
步骤(5)中，所述金属构件的转速为2r/s～16r/s，轧辊的轴向进给量为0.1mm/s～1.2mm/s。
步骤(2)中，所述轧辊的材料为GCr15轴承钢或Cr12MoV等模具钢。
步骤(5)中，所述金属构件经过多道次旋碾后，金属构件表层微纳米梯度组织的厚度为100μm～1000μm。
本发明的另一目的是提供一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：主要包括轧辊、轧辊进退调整机构、辊架、辊架固定及进给机构以及润滑冷却系统，所述轧辊与所述轧辊进退调整机构相连接，所述轧辊进退调整机构与所述辊架相连接，所述辊架与所述辊架固定及进给机构相连接，所述辊架固定及进给机构与所述润滑冷却系统相连接。
所述轧辊的辊面包括压下变形段和精整压光段两部分，压下变形段为一个或多个光滑球形圆弧曲面，精整压光段为圆柱面。
步骤(2)中，所述轧辊的直径为60mm～150mm。
步骤(2)中，所述轧辊辊面压下变形段球形圆弧半径为6mm～15mm。
所述轧辊进退调整机构主要包括楔块、手轮、套、蜗杆盖、蜗杆、大齿轮、大轴承压环、紧固螺杆、大轴承、套盖、连接块、小轴承压环、小轴承、小齿轮、空心螺杆、芯杆、制动块、微调螺母、锁紧螺母、连接螺母、测量套管、刻度尺和固定套管；套与套筒之间采用螺杆连接，楔块和芯杆之间采用连接块连接，套内装有大轴承和小轴承，通过大轴承压环和小轴承压环和紧固螺杆固定；套盖内装有同样的大轴承和小轴承，同样通过压环和螺杆固定；将大齿轮和小齿轮的颈部插入套盖内的大轴承和小轴承内，并通过紧固螺杆将套盖固定在套上；蜗杆与大齿轮啮合，手轮与蜗杆连接，空心螺杆与小齿轮啮合，微调螺母和锁紧螺母通过螺纹安装在空心螺杆和芯杆上，刻度尺通过螺纹固定在固定套管上，测量套管连接在空心螺杆上。
所述辊架主要包括开口槽、轴承座、轴承、垫块、轴承、轴座后压盖、轴承压环、紧固螺母、空心轴、紧固螺杆、套筒、轴承座垫板和轴座前压盖；空心轴安装在轴承、垫块和轴承上，通过轴承压环和紧固螺母将轴承与空心轴固定；将装配好的空心轴与轴承放入轴承座，通过轴座前压盖固定在轴承座上，然后通过紧固螺杆将轴座后压盖固定在轴承座上，在轴承座的底端连接上轴承座垫板，带有垫板的多个轴承座位于套筒的开口槽上。
所述轧辊、小齿轮、空心螺杆及芯杆的数目为三个或六个。
所述轧辊进退调整机构具有每个轧辊单独进退微调和多个轧辊同步进退调整功能。
所述轧辊进退调整机构通过蜗轮蜗杆和楔块调整，通过大齿轮的外齿与蜗杆啮合形成蜗轮蜗杆传动，大齿轮的内齿同多个(三个或六个等)小齿轮啮合，小齿轮内螺纹与螺杆形成螺母螺杆传动；大齿轮跟随蜗杆转动，大齿轮的内齿带动多个小齿轮同步旋转，多个小齿轮同步旋转带动多个螺杆同步前后运动，推动连接在多个螺杆上的多个楔块同步前后运动，通过楔块前后运动推动多个轧辊同步向构件进退。
本发明的优点和有益效果为：
1.本发明以金属材料表面微纳米技术可实现工业化、大规模批量化、环境友好生产为出发点和目标，将高效塑性变形、大应变(大剪切变形)、大应变梯度、高应变速率及大应变速率梯度相结合，首次发明了旋轧碾压(旋碾)塑性变形新技术制备微纳米材料，提出了在大尺寸金属构件表层实现微纳米梯度组织的工业规模化、高效、环境友好生产的技术构想。
2.制备效率高。本发明采用多个轧辊同时对大尺寸构件表层进行旋碾塑性变形处理，显著提高了在构件表层获得微纳米梯度组织的制备效率；且具有良好的可控性和可操作性，易于在实际生产中实现规模化、批量化和高效生产。
3.制备成本低。将辊架盘及轧辊进退调整机构固定在车床的走刀箱的中滑板上，在商用车床上可以实现本发明；利用现有装备，可实现大尺寸构件表层微纳米梯度组织的制备；投资小，成本低。
4.构件表面洁净、无污染、表面光洁。由于轧辊和构件同时转动，轧辊与构件之间为滚动摩擦，轧辊与构件不易产生粘结现象，Fe和C等元素很难扩散到构件表面，构件表面洁净，无污染，轧辊的精整压光段对构件表面进行精整压光，构件表面光洁，表面质量高。
下面结合附图对本发明的实施方式和操作过程进行详细说明，将有助于理解本发明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置的安装立体结构示意图。
图2为本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置的结构示意图。
图3为本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置的右视横截面结构示意图。
图4为本发明辊架结构示意图。
图5-1为本发明轧辊进退调整机构上部分结构示意图。
图5-2为本发明轧辊进退调整机构下部分顺时针旋转90°结构示意图。
图6-1为本发明辊面压下变形段为一个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图。
图6-2为本发明辊面压下变形段为两个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图。
图6-3为本发明辊面压下变形段为三个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图。
图6-4为本发明空心轴换成实心轴后辊面压下变形段为一个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图。
图6-5为本发明空心轴换成实心轴后辊面压下变形段为两个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图。
图6-6为本发明空心轴换成实心轴后辊面压下变形段为三个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图。
附图中主要零部件名称
1 轧辊 2 辊架
3 轧辊进退调整机构 4 辊架固定及进给机构
5 润滑冷却系统 6 冷却介质
7 构件固定及旋转机构 8 构件
2-1 开口槽 2-2 轴承座
2-3 轴承 2-4 垫块
2-5 轴承 2-6 轴座后压盖
2-7 轴承压环 2-8 轴管紧固螺母
2-9 空心轴 2-10 紧固螺杆
2-11 套筒 2-12 轴承座垫板
2-13 轴座前压盖 3-1 楔块
3-2 手轮 3-3 套
3-4 蜗杆盖 3-5 蜗杆
3-6 大齿轮 3-7 大轴承压环
3-8 紧固螺杆 3-9 大轴承
3-10 套盖 3-11 连接块
3-12 小轴承压环 3-13 小轴承
3-14 小齿轮 3-15 空心螺杆
3-16 芯杆 3-17 制动块
3-18 微调螺母 3-19 锁紧螺母
3-20 连接螺母 3-21 测量套管
3-22 刻度尺 3-23 固定套管
具体实施方式
如图1所示，为本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置的安装立体结构示意图，本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置主要包括轧辊1、辊架2、轧辊进退调整机构3、辊架固定及进给机构4以及润滑冷却系统5。另外，润滑冷却介质6由润滑冷却系统5喷出，图中，7为构件固定及旋转机构，8为构件。
如图2所示，为本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织装置的结构示意图，其中，1为轧辊，2为辊架，3为轧辊进退调整机构；I所示为轧辊辊架结构示意图，Ⅱ所示为轧辊进退调整机构上部分的结构示意图，Ⅲ所示为轧辊进退调整机构下部分结构示意图。
如图3所示，为本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织装置的右视横截面结构示意图，其中，2-1为辊架2上的开口槽，3-2为轧辊进退调整机构3上的手轮，4为辊架固定及进给机构。
如图4所示，为本发明辊架结构示意图，其中，包括开口槽2-1、轴承座2-2、轴承2-3、垫块2-4、轴承2-5、轴座后压盖2-6、轴承压环2-7、紧固螺母2-8、空心轴2-9、紧固螺杆2-10、套筒2-11、轴承座垫板2-12和轴座前压盖2-13，空心轴2-9安装在轴承2-3、垫块2-4和轴承2-5上，通过轴承压环2-7和紧固螺母2-8将轴承2-3和轴承2-5与空心轴2-9固定；将装配好的空心轴2-9与轴承2-3和轴承2-5放入轴承座2-2，采用轴座前压盖2-13固定在轴承座2-2上，然后采用紧固螺杆将轴座后压盖2-6固定在轴承座2-2上；在轴承座2-2的底端连接上轴承座垫板2-12，将带有垫板的多个(三个或六个等)轴承座2-2放入套筒2-11的开口槽2-1上，并在轴承座垫板2-12与开口槽2-1之间插入楔块3-1，使得轴承座2-2、楔块3-1和套筒2-11相互连接，与轧辊1连接的轴2-9为空心轴，亦可采用实心轴，轧辊1与轴之间采用螺杆紧固；楔块3-1与轴承座2-2和套筒2-11之间采用燕尾槽连接，当楔块3-1前后运动时，楔块3-1的斜面可推动轴承座(空心轴)进退运动，进而实现轧辊1的进退。
如图5-1所示，为本发明轧辊进退调整机构上部分结构示意图，如图5-2所示，为本发明轧辊进退调整机构下部分顺时针旋转90°结构示意图，轧辊进退调整机构3主要包括楔块3-1(图2中有标示)、手轮3-2、套3-3、蜗杆盖3-4、蜗杆3-5、大齿轮3-6、大轴承压环3-7、紧固螺杆3-8、大轴承3-9、套盖3-10、连接块3-11、小轴承压环3-12、小轴承3-13、小齿轮3-14、空心螺杆3-15、芯杆3-16、制动块3-17、微调螺母3-18、锁紧螺母3-19、连接螺母3-20、测量套管3-21、刻度尺3-22和固定套管3-23，套3-3与套筒2-11之间采用螺杆连接，楔块3-1和芯杆3-16之间采用连接块3-11连接。在轧辊进退机构3左侧的套3-3内装上大轴承3-9和小轴承3-13，采用大轴承压环3-7和小轴承压环3-12和紧固螺杆固定；在其右侧的套盖3-10内装上同样的大轴承3-9和小轴承3-13，同样采用压环和螺杆固定。将大齿轮3-6和小齿轮3-14的颈部插入套盖3-10内的大轴承3-9和小轴承3-13内，然后采用紧固螺杆将套盖3-10固定在套3-3上。蜗杆3-5与大齿轮3-6啮合，手轮3-2与蜗杆3-5连接，空心螺杆3-15与小齿轮3-14啮合。微调螺母3-18和锁紧螺母3-19通过螺纹安装在空心螺杆3-15和芯杆3-16上。刻度尺3-22通过螺纹固定在固定套管3-23上，测量套管3-21连接在空心螺杆3-15上。
小齿轮3-14、空心螺杆3-15及芯杆3-16等的数目为三个、四个、五个或六个等多个，本发明实施例中轧辊及对应小齿轮、空心螺杆和芯杆等的数目为三个，但并不意味着本发明的轧辊及对应零件数量仅限定于三个。
楔块3-1、连接块3-11、空心螺杆3-15、芯杆3-16、微调螺母3-18、锁紧螺母3-19和连接螺母3-20相互连接形成一个整体，空心螺杆3-15或芯杆3-16的前后运动都可推动楔块3-1的前后运动。所述手轮3-2转动时，与蜗杆3-5啮合的大齿轮3-6转动，其内齿带动小齿轮3-14转动，小齿轮3-14内螺纹发生旋转运动，与其啮合的空心螺杆3-15发生前后运动，推动楔块3-1前后运动，使得楔块3-1的斜面推动轴承座2-2(空心轴2-9)进退，进而实现轧辊的进退。
锁紧螺母3-19和连接螺母3-20松开、卸下后，旋转微调螺母3-18，与其通过螺纹啮合的芯杆3-16能够轻微的前后移动，轻微的推动楔块3-1前后移动，实现轧辊进退微调。所述测量套管3-21能够随空心螺杆3-15前后运动，确定轧辊与构件间隙为零的位置(零点)后，测量套管3-21外径最小的一端与刻度尺上交汇对应的读数(负数)为轧辊的压下量，正数表示轧辊与构件之间的间隙值。
轧辊1的辊面包括压下变形段和精整压光段两部分，压下变形段为一个或多个(两个、三个等)光滑球形圆弧曲面，精整压光段为圆柱面。轧辊1具有两种连接方式，可通过空心轴或实心轴连接。
如图6-1所示，为本发明辊面压下变形段为一个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图；如图6-2所示，为本发明辊面压下变形段为两个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图；如图6-3所示，为本发明辊面压下变形段为三个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图；如图6-4所示，为本发明空心轴换成实心轴后辊面压下变形段为一个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图；如图6-5所示，为本发明空心轴换成实心轴后辊面压下变形段为两个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图；图6-6为本发明空心轴换成实心轴后辊面压下变形段为三个光滑球形圆弧曲面的轧辊结构示意图。
本发明轧辊对金属构件表面旋轧碾压塑性变形的加工方法如下：
本发明轧辊对金属构件表面旋碾塑性变形是在车床上完成。首先将金属构件固定在车床的卡盘上，调整构件的装卡位置，使其中心线与车床主轴中心线重合(找正、对中)；然后将旋碾装置(本发明的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置)固定在车床走刀箱的中滑板上，摇动车床手轮，将金属构件插入旋碾装置的中心，摇动中滑板手柄调整旋碾装置的位置，使得旋碾装置中心线(中心)与金属构件的轴线(轴心)重合；摇动车床手轮，将旋碾装置从金属构件中退出，根据金属构件的直径选择合适直径的轧辊，采用紧固螺杆将轧辊固定到辊架上；摇动车床手轮，将金属构件插入三轧辊的中心，顺时针旋转轧辊进退调整机构的手轮3-2，使得三轧辊同步贴近金属构件，并采用塞尺测量每个轧辊到金属构件的间隙，松开、卸下锁紧螺母3-19和连接螺母3-20，转动微调螺母3-18，微调整每个轧辊的位置，使得每个轧辊到构件的间隙一致。然后，装上、拧紧锁紧螺母3-19和连接螺母3-20，并采用塞尺测量出轧辊与构件之间的间隙值。
转动刻度尺3-22，使得测量套管3-21外径最小的一端与刻度尺3-22上交汇对应的读数(正数)为间隙值；摇动车床手轮，将轧辊从金属构件中退出，顺时针旋转轧辊进退调整机构的手轮3-2，使得测量套管3-21外径最小的一端与刻度尺上的读数0(零)交汇，此时轧辊到金属构件的间隙为零；设计轧辊道次压下量(0.04mm～0.2mm)，顺时针旋转轧辊进退调整机构的手轮3-2，使得测量套管3-21外径最小的一端与刻度尺上交汇的读数(负数)为轧辊道次压下量(0.04mm～0.2mm)。
启动润滑冷却系统5，给试样浇润滑冷却液，开动车床，构件8高速转动，转速为2r/s～16r/s，走刀箱(轧辊)的轴向进给量为0.1mm/s～1.2mm/s，在构件8高速转动和轧辊1轴向进给的作用下，产生摩擦力使得轧辊1发生自转，轧辊1对构件8表层进行旋碾塑性变形(大剪切塑性变形)；旋碾完一道次后，逆时针旋转轧辊进退调整机构的手轮3-2，使得轧辊1与构件8之间有一定间隙，手摇车床手轮将构件8从轧辊1中退出，然后继续进行后续多道次的旋碾塑性变形，直到将表层粗大组织逐渐细化成微、纳米级超细梯度组织，对旋碾塑性变形后的构件8取样，采用TEM(HREM)、SEM(EBSD)和XRD测试微纳米梯度组织层的厚度和组织大小。
实施例1
采用本发明的旋轧碾压(旋碾)塑性变形技术，在大型卧式车床上处理直径为450mm的20号钢轴，轧辊直径为140mm，辊面压下变形段球形圆弧半径为14mm，车床主轴(构件)转速为4r/s，轧辊轴向进给量为0.48mm/s，轧辊道次压下量为0.08mm，采用乳化液润滑冷却，对20号钢轴的表面进行6道次旋碾塑性变形后，表层形成厚度约为960μm的微纳米梯度组织，表面层为尺寸小于100nm的纳米组织。
实施例2
采用本发明的旋轧碾压(旋碾)塑性变形技术，在大型卧式车床上处理直径为200mm的ZnAl合金棒材，轧辊直径为80mm，辊面压下变形段球形圆弧半径为6mm，车床主轴(构件)转速为14r/s，轧辊轴向进给量为1.68mm/s，轧辊道次压下量为0.06mm，采用乳化液润滑冷却，对ZnAl合金棒材的表面进行8道次旋碾塑性变形后，表层形成厚度约为600μm的微纳米梯度组织，表面层为尺寸小于100nm的纳米组织。
实施例3
采用本发明的旋轧碾压(旋碾)塑性变形技术，在大型卧式车床上处理外径为360mm、厚度为40mm的Monel400厚壁管，轧辊直径为120mm，辊面压下变形段球形圆弧半径为10mm，车床主轴(构件)转速为6r/s，轧辊轴向进给量为0.24mm/s，轧辊道次压下量为0.04mm，采用乳化液润滑冷却，对Monel400厚壁管的外表面进行10道次旋碾塑性变形后，表层形成厚度约为400μm的微纳米梯度组织，表面层为尺寸小于100nm的纳米组织。
实施例4
采用本发明的旋轧碾压(旋碾)塑性变形技术，在大型卧式车床上处理直径为220mm的镁锂合金棒材，轧辊直径为80mm，辊面压下变形段球形圆弧半径为6mm，车床主轴(构件)转速为3r/s，轧辊轴向进给量为0.18mm/s，轧辊道次压下量为0.07mm，采用乳化液润滑冷却，对ZnAl合金棒材的表面进行10道次旋碾塑性变形后，表层形成厚度约为850μm的微纳米梯度组织，表面层为尺寸小于100nm的纳米组织。
该方法采用能够自转的多个轧辊在旋转的金属构件表面同时进行多道次旋轧碾压(旋碾)塑性变形，能够在不同直径的大尺寸的轴类、管类、轧辊类、旋压芯模类等回转体金属构件的表层实现微、纳米级超细梯度组织。
本发明采用多个轧辊对构件同时旋轧碾压(旋碾)塑性变形，处理构件的表面质量高，制备效率高，易于实现批量化和环境友好生产，有助于推动金属材料表面纳米技术实现工业规模化生产和应用。

Claims (10)

1.一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，包括如下步骤：
(1)将加工构件装卡到机床上，调整构件中心线，使得其中心线与机床主轴中心线重合；
(2)将多个轧辊均匀安装在辊架上，根据构件的直径确定轧辊的位置，通过轧辊进退微调机构精确调整轧辊位置，使得每个轧辊与构件之间的间隙相同；
(3)采用塞尺测量轧辊到构件的间隙，调整轧辊进退调整机构刻度尺的位置，使得轧辊进退调整机构刻度尺显示的数据与塞尺测量数据一致；
(4)设计道次压下量，并采用多个同步轧辊进退调整机构，使得多个轧辊同步向被旋碾构件移动，实现多个轧辊对构件具有相同的压下量；然后，启动冷却润滑系统，对构件和轧辊进行冷却；
(5)启动机床，构件做高速旋转运动，轧辊和辊架一起沿构件轴向进给，多个轧辊在摩擦力的作用下同时自转，对构件同时进行旋碾塑性变形；
(6)对步骤(4)和(5)反复交替进行，对构件进行多道次旋碾，直到在构件表层获得一层微纳米级超细梯度组织。
2.根据权利要求1所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，其特征在于：所述轧辊的材料为GCr15轴承钢或Cr12MoV模具钢；所述轧辊的压下量为0.04mm～0.2mm；所述构件的转速为2r/s～16r/s，轧辊的轴向进给量为0.1mm/s～1.2mm/s。
3.根据权利要求1所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，其特征在于：所述构件经过多道次旋碾后，构件表层微纳米梯度组织的厚度为100μm～1000μm。
4.根据权利要求1所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的方法，其特征在于：所述轧辊进退调整机构刻度尺等分刻度的每一分度表示0.01mm，刻度尺准确到0.01mm；确定轧辊与构件间隙为零的位置后，刻度尺上的负数表示轧辊压下量，正数表示轧辊与构件之间的间隙值。
5.一种在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：主要包括轧辊、轧辊进退调整机构、辊架、辊架固定及进给机构以及润滑冷却系统，所述轧辊与所述轧辊进退调整机构相连接，所述轧辊进退调整机构与所述辊架相连接，所述辊架与所述辊架固定及进给机构相连接，所述辊架固定及进给机构与所述润滑冷却系统相连接。
6.根据权利要求5所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：所述轧辊的辊面包括压下变形段和精整压光段两部分，压下变形段为一个或多个光滑球形圆弧曲面，精整压光段为圆柱面；所述轧辊的直径为60mm～150mm；所述轧辊辊面压下变形段球形圆弧半径为6mm～15mm。
7.根据权利要求5所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：所述轧辊进退调整机构主要包括楔块、手轮、套、蜗杆盖、蜗杆、大齿轮、大轴承压环、紧固螺杆、大轴承、套盖、连接块、小轴承压环、小轴承、小齿轮、空心螺杆、芯杆、制动块、微调螺母、锁紧螺母、连接螺母、测量套管、刻度尺和固定套管；套与套筒之间采用螺杆连接，楔块和芯杆之间采用连接块连接，套内装有大轴承和小轴承，通过大轴承压环和小轴承压环和紧固螺杆固定；套盖内装有同样的大轴承和小轴承，同样通过压环和螺杆固定；将大齿轮和小齿轮的颈部插入套盖内的大轴承和小轴承内，并通过紧固螺杆将套盖固定在套上；蜗杆与大齿轮啮合，手轮与蜗杆连接，空心螺杆与小齿轮啮合，微调螺母和锁紧螺母通过螺纹安装在空心螺杆和芯杆上，刻度尺通过螺纹固定在固定套管上，测量套管连接在空心螺杆上；
所述辊架主要包括开口槽、轴承座、轴承、垫块、轴承、轴座后压盖、轴承压环、紧固螺母、空心轴、紧固螺杆、套筒、轴承座垫板和轴座前压盖；空心轴安装在轴承、垫块和轴承上，通过轴承压环和紧固螺母将轴承与空心轴固定；将装配好的空心轴与轴承放入轴承座，通过轴座前压盖固定在轴承座上，然后通过紧固螺杆将轴座后压盖固定在轴承座上，在轴承座的底端连接上轴承座垫板，带有垫板的多个轴承座位于套筒的开口槽上。
8.根据权利要求5所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：所述轧辊、小齿轮、空心螺杆及芯杆的数目为三个或六个。
9.根据权利要求5所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：所述轧辊进退调整机构具有每个轧辊单独进退微调和多个轧辊同步进退调整功能。
10.根据权利要求5所述的在金属构件表层制备微纳米梯度组织的装置，其特征在于：所述轧辊进退调整机构通过蜗轮蜗杆和楔块调整，通过大齿轮的外齿与蜗杆啮合形成蜗轮蜗杆传动，大齿轮的内齿同多个小齿轮啮合，小齿轮内螺纹与螺杆形成螺母螺杆传动；大齿轮跟随蜗杆转动，大齿轮的内齿带动多个小齿轮同步旋转，多个小齿轮同步旋转带动多个螺杆同步前后运动，推动连接在多个螺杆上的多个楔块同步前后运动，通过楔块前后运动推动多个轧辊同步向构件进退。
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