CN107999909A - 柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具 - Google Patents

Abstract

一种柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具，包括承重板、滚压刀主轴、旋转盘、滚柱、电极主轴、旋转接头和柔性电极，所述滚压刀主轴可转动的安装在承重板的右侧上，所述滚柱可转动的安装在旋转盘上，所述旋转盘通过环形盖子可旋转的安装在滚压刀主轴的下端上，所述电极主轴可转动的安装在承重板的左侧上，所述柔性电极可伸缩的安装在电极夹具上，所述电极夹具安装在电极主轴的下端上，所述旋转接头的内圈固定在电极主轴的上端上。本发明提供了一种柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具，该刀具可以在金属材料制备一层纳米晶，同时进行柔性电极电火花沉积加工，使得材料表面的质量得到大幅度的提升。

Description

柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具

技术领域

本发明涉及一种柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具。

背景技术

众所周知，金属材料在服役期间的失效大部分发生在材料表面。因此，材料表面质量决定了材料的使役性能。表面工程是改善材料表面性能的一门工程技术。表面工程一共经历了三个发展阶段:第一代为传统的单一表面技术阶段、第二代为复合表面工程阶段、第三代是纳米表面工程阶段。纳米表面工程是以纳米材料和纳米加工技术为基础、通过特定的加工技术、组装方法，使材料表面纳米化、纳米结构化或功能化，从而使材料表面得以强化、改性，或赋予表面新功能的系统工程。表面自纳米化法加工后在材料表层制备出纳米梯度结构，使得材料的表层性能是渐变式而不是突变式，就使得不同特征尺寸的结构相互协调不至于产生较大的应力集中。并且渐变式的结构使纳米表层与基体间没有明显的界面，且纳米层不存在空隙和污染，工艺简单，可操作性强，具有较好的产业应用前景。

滚压法是表面自纳米化的一种具有广泛工业应用前景的方法。在滚压刀具的作用下，外力诱导金属材料表面发生强烈的塑性变形，强烈的塑性变形使得晶粒细化的同时在材料表面引入很多晶体缺陷，如高密度的位错墙、孔洞、孪晶、三叉晶界等，这些缺陷使得纳米晶产生很多独特的性能。通过滚压在材料表面制备出一层纳米层，纳米层具有独特的结构，晶粒细小、存在大量的晶界，尤其是三叉晶界的体积分数比较大，纳米晶界的原子排列无序、疏松、密度低成为原子扩散的短程快速扩散通道，提高了原子的扩散系数。此外，大量的晶界具有较高的储存能。原子沿晶界的迁移只需移动少量的空位即可完成，甚至不需要空位的反向移动，迁移能较低。而大量的三叉晶界更有利于原子的扩散，即使是在低温条件下，原子也可沿三叉晶界进行扩散。晶界处间断而又弥散分布的空位和较低的空位形成能和迁移能增强了纳米材料的扩散能力，原子脱离束缚的能力加强，这也有助于其扩散能力的提高。这为在材料表面进行电火花沉积打下了良好的基础。电火花沉积是直接利用电能的高密度能量对金属的表面进行沉积处理的工艺。它是直接利用火花放电的能量，将电极材料转移至工作表面，构成沉积层的沉积方法。电极材料与工件材料产生冶金结合形成沉积层。由于形成含电极材料的合金化的表面沉积层，使工件表面的物理性能、化学性能和力学性能得到改善，而其心部的组织和力学性能不发生变化。但传统的电火花沉积在小范围内骤冷骤热，使沉积层具有较高的拉应力，甚至存在潜在的微裂纹，沉积层厚度小、沉积效率低、表面粗糙度低，而且表面质量差，均匀性也较差。

发明内容

为了克服现有电火花沉积技术存在沉积效率较低、均匀性较差等的缺陷，本发明提供了一种柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具，该刀具可以在金属材料制备一层纳米晶，同时进行柔性电极电火花沉积加工，使得材料表面的质量得到大幅度的提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具，包括承重板、滚压刀主轴、旋转盘、滚柱、电极主轴、旋转接头和柔性电极，所述滚压刀主轴通过滚珠轴承可转动的安装在承重板的右侧上，所述滚柱可转动的安装在旋转盘上，所述旋转盘通过环形盖子可旋转的安装在滚压刀主轴的下端上，所述电极主轴通过滚珠轴承可转动的安装在承重板的左侧上，所述柔性电极可伸缩的安装在电极夹具上，所述电极夹具安装在电极主轴的下端上，所述旋转接头的内圈固定在电极主轴的上端上，所述旋转接头的外圈通电且通过电线与所述柔性电极电连接；

所述滚压刀主轴在承重板的下方处设有齿轮，所述电极主轴在承重板的下方处也设有齿轮，所述滚压刀主轴上的齿轮与电极主轴上的齿轮啮合，所述滚压刀主轴的上端与机床连接。

进一步，所述承重板的左右两侧上分别设有台阶孔，左侧的台阶孔的台阶设置在下端，右侧的台阶孔的台阶设置在上端，用于安装滚压刀主轴的滚珠轴承由下向上安入承重板的右侧台阶孔中，用于安装滚压刀主轴的滚珠轴承外圈顶到承重板上，然后将第一弹性挡圈承安装在用于安装滚压刀主轴的滚珠轴承的下方的台阶孔内，然后将第一挡圈从上向下套入滚压刀主轴，通过螺纹连接使滚压刀主轴固定；

用于安装电极主轴的滚珠轴承由上向下安入承重板的左侧台阶孔中，用于安装电极主轴的滚珠轴承外圈顶到承重板上，然后将第二弹性挡圈安装在用于安装电极主轴的滚珠轴承的上方的台阶孔内，然后将第二挡圈从上向下套入电极主轴，通过螺纹连接使电极主轴固定。

本发明的有益效果主要表现在：当材料表面进行滚压加工后，表面的粗晶细化成纳米晶，纳米晶体中存在大量的晶界、三叉晶界和非平衡缺陷，可以作为原子扩散的通道；纳米晶体中原子较常规粗晶具有更大的活性，大量晶界上的原子可动性很大，原子容易脱离晶格束缚，更易扩散；这样可以沉积厚度增加，沉积效率提高；同时采用柔性电极代替硬质电极进行电火花沉积，柔性电极由金属丝组成，电极是密集分布的，通过每一个电极丝进行放电，放电坑细小且分布均匀，较硬质电极的大电坑材料的表面质量得到了很大的提高；柔性电极做高速旋转，不在同一点连续放电，防止材料表面的烧伤；众多的电极丝可以实现稳定均匀的放电，使得镀层的质量比较平均且效率得到进一步提高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

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1，一种柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具，包括承重板5、滚压刀主轴1、旋转盘8、滚柱6、电极主轴11、旋转接头15和柔性电极9，所述滚压刀主轴1通过滚珠轴承3可转动的安装在承重板5的右侧上，所述滚柱6可转动的安装在旋转盘8上，所述旋转盘8通过环形盖子7可旋转的安装在滚压刀主轴1的下端上，所述电极主轴11通过滚珠轴承12可转动的安装在承重板5的左侧上，所述柔性电极9可伸缩的安装在电极夹具10上，所述电极夹具10安装在电极主轴11的下端上，所述旋转接头15的内圈固定在电极主轴11的上端上，所述旋转接头15的外圈通电且通过电线与所述柔性电极9电连接；

所述滚压刀主轴1在承重板5的下方处设有齿轮，所述电极主轴11在承重板的下方处也设有齿轮，所述滚压刀主轴1上的齿轮与电极主轴上11的齿轮啮合，所述滚压刀主轴1的上端与机床连接。

进一步，所述承重板5的左右两侧上分别设有台阶孔，左侧的台阶孔的台阶设置在下端，右侧的台阶孔的台阶设置在上端，用于安装滚压刀主轴1的滚珠轴承3由下向上安入承重板5的右侧台阶孔中，用于安装滚压刀主轴1的滚珠轴承外圈顶到承重板5上，然后将第一弹性挡圈承安装在用于安装滚压刀主轴1的滚珠轴承3的下方的台阶孔内，然后将第一挡圈从上向下套入滚压刀主轴1，通过螺纹连接使滚压刀主轴1固定；

用于安装电极主轴11的滚珠轴承12由上向下安入承重板5的左侧台阶孔中，用于安装电极主轴11的滚珠轴承12外圈顶到承重板5上，然后将第二弹性挡圈安装在用于安装电极主轴11的滚珠轴承12的上方的台阶孔内，然后将第二挡圈从上向下套入电极主轴11，通过螺纹连接使电极主轴11固定。

如图1所示，一种柔性电极电火花沉积复合滚压刀具，通过图中右侧的滚压刀具在材料表面进行滚压，在材料表面制备出纳米层，在滚压的同时在左侧进行电火花沉积，将滚压表面纳米化和电火花沉积的优势互补，使材料表面性能大幅度提高。

滚压刀具通过滚柱6在材料表面高速率的运动，在材料表面引入高速率应变，使得材料表面晶粒细化。为了防止摩擦生热使刀具和材料表面灼伤，滚柱6在自转的同时也可以绕滚压刀具的中轴线公转。盖子7中间安装有旋转盘8，旋转盘8只有绕盖子7中轴线旋转一个自由度。所以滚柱6安装在旋转盘8中可以满足要求。滚柱6安装好后将盖子7旋入滚压刀主轴1。滚压刀主轴1上端与机床连接，机床传递转速和力给滚压刀主轴1，滚压刀主轴1再将转速和力传递给滚柱6，同时通过滚压刀主轴1上面的齿轮将转速传递给电极主轴11。

在装配复合刀具时，是以承重板5为基础装配的。承重板5上面有两个台阶孔，分别安装滚压刀主轴1和电极主轴11，使两者的齿轮相互啮合，将滚压刀主轴1的转速传递给电极主轴11。在加工时，承重板5依靠滚压刀主轴1向上的支撑力固定，所以承重板5右侧的台阶孔是朝下的，电极主轴11是依靠向上的支撑力固定，所以承重板5左侧的台阶孔是朝上的。承重板5右侧的孔先将滚珠轴承3从下向上的嵌入到台阶孔中，滚珠轴承3外圈与孔底的小凸台碰到，然后将弹性挡圈4安入承重板5右侧孔内的凹槽中，使得滚珠轴承3固定。将滚压刀主轴1从下向上穿过滚珠轴承3的内孔，将轴肩靠到滚珠轴承3的内圈上，再从上面将挡圈2旋入，将滚压刀主轴1固定在承重板5上。承重板5左侧的台阶孔先将滚珠轴承12从上向下的嵌入到孔中，滚珠轴承12外圈与孔顶的小凸台碰到，然后将弹性挡圈13安入承重板5左侧台阶孔内的凹槽中，使得滚珠轴承12固定。将电极主轴11从下向上穿过滚珠轴承12的内孔，将轴肩靠到滚珠轴承12的内圈上，再从上面将挡圈14旋入，将电极主轴11固定在承重板5上。

将旋转接头15从上向下安装在电极主轴11的上端，用挡圈16将旋转接头15固定在电极主轴11上。旋转接头15内圈固定在电极主轴11上，在加工时跟随电极主轴11转动，外圈不转动。在外圈通上电，让电通过内圈传到与内圈连接的电线上，电线通过电极主轴11上的轴通孔连接到柔性电极9上，使得柔性电极9通电。将电极夹具10安装在电极主轴11下端，柔性电极9被电极夹具10夹持。柔性电极9的长度可调，在加工前调整柔性电极9长度，使得电火花沉积顺利进行。

本发明是一种实现第三代表面工程技术的复合刀具。

Claims (2)

1.一种柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具，其特征在于：包括承重板、滚压刀主轴、旋转盘、滚柱、电极主轴、旋转接头和柔性电极，所述滚压刀主轴通过滚珠轴承可转动的安装在承重板的右侧上，所述滚柱可转动的安装在旋转盘上，所述旋转盘通过环形盖子可旋转的安装在滚压刀主轴的下端上，所述电极主轴通过滚珠轴承可转动的安装在承重板的左侧上，所述柔性电极可伸缩的安装在电极夹具上，所述电极夹具安装在电极主轴的下端上，所述旋转接头的内圈固定在电极主轴的上端上，所述旋转接头的外圈通电且通过电线与所述柔性电极电连接；

所述滚压刀主轴在承重板的下方处设有齿轮，所述电极主轴在承重板的下方处也设有齿轮，所述滚压刀主轴上的齿轮与电极主轴上的齿轮啮合，所述滚压刀主轴的上端与机床连接。

2.如权利要求1所述的柔性电极电火花沉积复合滚压加工刀具，其特征在于：所述承重板的左右两侧上分别设有台阶孔，左侧的台阶孔的台阶设置在下端，右侧的台阶孔的台阶设置在上端，用于安装滚压刀主轴的滚珠轴承由下向上安入承重板的右侧台阶孔中，用于安装滚压刀主轴的滚珠轴承外圈顶到承重板上，然后将第一弹性挡圈承安装在用于安装滚压刀主轴的滚珠轴承的下方的台阶孔内，然后将第一挡圈从上向下套入滚压刀主轴，通过螺纹连接使滚压刀主轴固定；

用于安装电极主轴的滚珠轴承由上向下安入承重板的左侧台阶孔中，用于安装电极主轴的滚珠轴承外圈顶到承重板上，然后将第二弹性挡圈安装在用于安装电极主轴的滚珠轴承的上方的台阶孔内，然后将第二挡圈从上向下套入电极主轴，通过螺纹连接使电极主轴固定。