CN108372432A - 板材表面微纳米化机械多重碾摩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，是在CNC加工机床上用碾摩头对板材待加工表面进行碾摩加工，其工艺步骤为：将碾摩头安装在CNC加工机床的主轴上，将板材装夹在CNC加工机床的工作台上；调整好碾摩头下端多条碾压凸棱与板材待表面以及与侧面之间的位置关系，即完成对刀确定碾摩头相对于板材的起始原点；根据起始原点位置设定加工路径并编制好数控加工程序；在0.05～0.5mm范围内设定碾摩头对板材待加工表面的碾压深度，在200～2000rpm范围内设定主轴的转速，在20～500mm/min范围内设定碾摩头的进给速度；启动CNC加工机床，使碾摩头按照设定加工路径对板材待加工表面进行碾摩。

Description

板材表面微纳米化机械多重碾摩方法

技术领域

本发明涉及金属板材表面显微硬化处理，具体为一种板材表面微纳米化机械多重碾摩方法。

背景技术

工程中应用的零件一般用表面粗糙度Ra、表层应力状态、表层组织结构和表层显微硬度来表征其使用性能。对于一般的工作表面要求其有较低的粗糙度Ra、表层残存应力最好是压应力和表层有较高的显微硬度。

为使工件获得上述表面状况，科学家先后提出了高能喷丸法、超声波强化、滚压加工、表面碾压以及快速多重旋转碾压等加工方法，并且有些加工方法已经得到了广泛应用。如滚压技术在汽车曲轴滚动副加工方面上得到了广泛地应用；表面碾压加工技术，以使轧辊具有更高的耐磨性。

但是，由于高能喷丸法、超声波强化、表面碾压加工和滚压加工等方法的局限性，不是产生的塑形变性层很薄，达不到很好的强化效果，就是使用范围仅限于回转体加工或尺寸较小的零件；再者就是工艺复杂、效率低、产品的质量难于控制。因此，表面塑形变形强化方法仍处于研究阶段，工业应用尚需时日。

针对目前我国大飞机项目研发、高铁、航天航空设备的蒙皮，以及风力发电设备的外罩对比强度要求越来越高，开发一种强化方法简便，成本低廉、工艺简单，并能充分开发商用金属及其合金使用性能，并适用于航空、航天、交通运输工具和船舶制造领域的大尺寸成型工件以及大尺寸曲面薄壳类成型工件的加工工艺方法迫在眉睫。

材料表面机械微纳米化是解决这一问题最可行的方法，但是以有的加工方法由于原理等方面的限制不适于大尺寸薄壁板材的加工。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种改进以往板材表层塑性变形强化加工方法的不足，并推动其工业化应用进程的板材表面微纳米化机械多重碾摩方法。

能够解决上述技术问题的板材表面微纳米化机械多重碾摩装置及碾摩方法，是在CNC加工机床上用碾摩头对板材的待加工表面进行碾摩加工，其工艺步骤为：

1、将碾摩头竖直安装在立式主轴上，将板材装夹在CNC加工机床的工作台上。

2、调整好碾摩头下端多条碾压凸棱与板材待表面以及与侧面之间的位置关系，即完成对刀确定碾摩头相对于板材的起始原点。

3、根据起始原点位置设定加工路径并编制好数控加工程序。

4、在0.05mm～0.5mm范围内设定碾摩头对板材(2)待加工表面的碾压深度，在200rpm～2000rpm的范围内设定主轴的转速，在20mm/min～500mm/min的范围内设定碾摩头的进给速度。

5、启动CNC加工机床，使碾摩头按照设定的加工路径对板材的待加工表面进行一遍以上的碾摩。

所述设定的加工路径优选交叉形、或优选螺旋形、或优选顺序型。

进一步的限定为：多条碾压凸棱圆周径向布置，各条碾压凸棱的内端均向同一方向偏离圆心且与相邻碾压凸棱的棱体连接。

各条碾压凸棱优选采用弧度一致的弯棱。

常规上，采用二轴联动方式碾摩加工板材的待加工平面。

常规上，采用三轴联动方式碾摩加工板材的待加工曲面。

本发明的有益效果：

1、本发明板材表面微纳米化机械多重碾摩方法的显著特点是利用数控加工机床(CNC)的主轴夹持机械多重碾摩头，按照事先编制好的数控加工程序对成型板材表面完成塑性变形加工，使表层产生一层厚度可达上百μm的空间梯度微纳米结构层，以达到提高工件抗疲劳强度、抗腐蚀能力和同时提高材料强塑化的目的。

2、本发明作业效率高，应变率大且可调节，具有良好的工业应用可能性，适合平板和各种成型的曲面板材的表面塑形强化加工。

3、本发明适合于对铝、铜、镍、铁等纯金属及其合金的加工，同时也适用于对2024、2124、2E24、7075等商用铝合金、钛合金的加工。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的立体结构图。

图2(a)为图1中碾摩头的第一种加工路径图。

图2(b)为图1中碾摩头的第二种加工路径图。

图3(a)为图1中碾摩头的第三种加工路径图。

图3(b)为图1中碾摩头的第四种加工路径图。

图4(a)为图1实施方式中碾摩头的结构示意图。

图4(b)为图4(a)的仰视图。

图号标识：1、碾摩头；1-1、碾压凸棱；2、板材；3、主轴；4、工作台。

具体实施方式

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，是在CNC加工机床上用碾摩头1对板材2的待加工表面(平面或曲面)进行碾摩加工，如图1所示，CNC加工机床的三轴联动方式可以为立式主轴3的上、下移动和工作台4的左、右移动，也可为工作台4的不动而立式主轴3的上、下和左、右的移动，其工艺步骤为：

1、将碾摩头1竖直安装在立式主轴3上，将清洗后的板材2装夹在CNC加工机床的工作台4上。

2、调整好碾摩头1下端多条碾压凸棱1-1与板材2待表面以及与侧面之间的位置关系，即完成对刀确定碾摩头1相对于板材2的起始原点，通常将起始原点设定在板材2的一角端处或设定在板材2的中央。

3、根据起始原点位置设定加工路径并编制好数控加工程序。

常规的加工路径有四种

①、顺序型，如图2(a)所示，从板材2左下角端的起始原点开始：从前向后——从后向右——从后向前——从前向右——从前向后——从后向右——从后向前。

在顺序加工过程中，碾摩头1向右的每次折返距离的进给量大小应小于碾摩头的半径。

②、交叉型，如图2(b)所示，为十字相交的两个顺序型路径。

③、直线螺旋型，如图3(a)所示，从板材2中央的起始原点开始，通过不同方向的直线行走而逐渐向外围扩展直至板材2的左上角。

④、弧线螺旋型，如图3(b)所示，从板材2中央的起始原点开始，通过螺旋线行走而逐渐向外围扩展直至板材2的右侧。

4、在0.05mm～0.5mm范围内设定碾摩头1对板材2待加工表面的碾压深度，在200rpm～2000rpm的范围内设定主轴3的转速，在20mm/min～500mm/min的范围内设定碾摩头1的进给速度。

5、启动CNC加工机床，使碾摩头1按照设定的加工路径对板材2的待加工表面进行一遍以上的碾摩。

采用二轴联动方式碾摩加工板材2的待加工平面。

采用三轴联动方式碾摩加工板材2的待加工曲面(曲面工件装夹到工作台4上的专用模具上)。

碾摩头1每走完一遍加工路径，就对板材2加工表面完成一次剪切摩擦塑性变形加工，就会在板料表面制得微纳米变形层。

板材2的碾摩加工过程中对温度变化要求较高，可采用喷洒冷却液的方法或置于液氮环境下控制加工过程中的温升。

采用交叉型和螺旋型碾摩加工后的板材2，其力学性能不易出现各项异性现象，顺序型板材2加工后板材2易于产生各项异性，因而应根据板材2的具体用途来合理选择加工路径。

所述碾摩头1底部的工作部位结构为：多条碾压凸棱1-1圆周径向布置，各条碾压凸棱1-1的内端均向同一方向偏离圆心且与相邻碾压凸棱1-1的棱体连接，各条碾压凸棱1-1为弧度一致的弯棱，如图4(a)、图4(b)所示。

Claims (6)

1.板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，其特征在于是在CNC加工机床上用碾摩头(1)对板材(2)的待加工表面进行碾摩加工，其工艺步骤为：

①、将碾摩头(1)竖直安装在CNC加工机床的立式主轴(3)上，将板材(2)装夹在CNC加工机床的工作台(4)上；

②、调整好碾摩头(1)下端多条碾压凸棱(1-1)与板材(2)待表面以及与侧面之间的位置关系，即完成对刀确定碾摩头(1)相对于板材(2)的起始原点；

③、根据起始原点位置设定加工路径并编制好数控加工程序；

④、在0.05mm～0.5mm范围内设定碾摩头(1)对板材(2)待加工表面的碾压深度，在200rpm～2000rpm的范围内设定主轴(3)的转速，在20mm/min～500mm/min的范围内设定碾摩头(1)的进给速度；

⑤、启动CNC加工机床，使碾摩头(1)按照设定的加工路径对板材(2)的待加工表面进行一遍以上的碾摩。

2.根据权利要求1所述的板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，其特征在于：所述设定的加工路径为交叉形、或为螺旋形、或为顺序型。

3.根据权利要求1所述的板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，其特征在于：多条碾压凸棱(1-1)圆周径向布置，各条碾压凸棱(1-1)的内端均向同一方向偏离圆心且与相邻碾压凸棱(1-1)的棱体连接。

4.根据权利要求3所述的板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，其特征在于：各条碾压凸棱(1-1)为弧度一致的弯棱。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，其特征在于：采用二轴联动方式碾摩加工板材(2)的待加工平面。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的板材表面微纳米化机械多重碾摩方法，其特征在于：采用三轴联动方式碾摩加工板材(2)的待加工曲面。