CN109423543B - 一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法 - Google Patents

Abstract

一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法，属于金属表面处理领域。该螺旋辊，包括辊体和螺旋线加工刀刃，其装置包括上述的螺旋辊、工作台、中央控制系统、刀具位移传感器、刀具载荷传感器和金属构件位移传感器。用上述螺旋辊进行金属表面处理方法包括：调节金属构件与螺旋辊；螺旋辊自旋转运动和相对于金属构件表面法向运动；调节金属构件水平位移。利用该方法对金属构件进行表面处理，可以除去金属或金属构件表面的氧化皮以及脱碳层，同时可得到具有明显梯度特征的表层组织结构，实现金属表面强化，抑制金属构件在长时间交变载荷或循环载荷作用下服役过程中疲劳裂纹在金属表面的萌生，同时改善金属构件表面耐磨性，提高金属构件的服役寿命。

Description

一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法

技术领域

本发明涉及属于金属表面处理领域，尤其涉及一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法。

背景技术

金属表面处理是获得优异表面性能的重要技术手段。金属表面处理包括除油、除锈、磷化、防锈等基体前处理工艺，为了提高金属表面力学性能，也包括金属表面强化，使得金属表面有较高的硬度。金属表面处理工艺研究一直是本行业中的热点问题，目的是提高金属的抗疲劳性能和耐磨性能，有时还要达到表面除锈处理等目的。

通过表面处理提高疲劳性能是表面处理领域研究的热点之一。疲劳是金属构件在循环载荷或交变载荷作用下长期服役后发生的失效形式。金属构件的疲劳断裂一般分为三个阶段：第一阶段，金属在循环载荷或交变载荷作用下在局部产生疲劳损伤并萌生疲劳裂纹，尤其是表面缺陷或几何应力集中的位置，疲劳裂纹的萌生受表面氧化皮、表面几何形貌和表面力学性能等因素影响较大；第二阶段，裂纹扩展阶段，裂纹扩展速率遵循Paris公式，经过一段时间的扩展以后，构件剩余连接部分连接面积越来越小，因此应力也越来越大，裂纹扩展速率也越来越快；第三阶段，外加载荷超过剩余连接部分的断裂载荷，构件会发生失稳且突然断裂。

金属构件的疲劳断裂经常给企业带来巨大损失，尤其是一些关键构件，不但会造成巨大的经济损失，有时还会带来人员伤亡。如何提高金属构件的疲劳寿命一直是疲劳领域的重要研究课题。因为大多数金属构件的疲劳裂纹都在表面萌生，所以通过表面强化可以抑制裂纹萌生提高金属构件的疲劳寿命。通常，金属构件的表面强化可以分为两类，即热处理类表面强化和冷加工类表面强化。这种分法并不十分严格，有的会将两者结合起来，总体来说，人们通常会使用声、电、光、热和力等一种或多种能量来对金属表面进行改性，从而达到表面强化抑制疲劳裂纹萌生的目的。

热处理是一类较为成熟的金属表面强化技术，常见的有钢的表面淬火、表面渗碳淬火、表面渗氮淬火等等。然而，也有一些构件无法采用热处理强化，原因是在进行表面处理之前，为了使构件达到力学性能要求已经进行过调质处理等热处理。如果再采用热处理的方式进行表面强化，势必可能引起组织变化和力学性能退化，这样的问题是非常严重的，甚至可能导致产品力学性能不合格。对于这样的构件就需要采用冷加工的方式进行表面强化。常用的冷加工表面强化的方法有锤击、喷丸、超声喷丸、表面滚压强化等。

在现有的冷加工表面强化工艺中，锤击和喷丸的历史最为久远，喷丸相当于采用很多个锤头同时击打构件表面产生塑性变形区并引入残余压应力。对强度较低的金属，表面强化效果非常明显，对提高低强度金属构件疲劳寿命也有显著效果，这方面的报道较多，早在上个世纪50年代就有大量的研究，产业化进展也非常好，现在国内有很多生产喷丸设备的厂家，工业化应用有良好的基础，在汽车工业、铁路工业等领域都有大规模应用。喷丸的最大优点就是工艺简单和成本低，这些优点极大地方便了其工程应用进程，深受欢迎。喷丸也有缺点，就是在高强度金属表面强化方面劣势很突出，一方面高强金属表面强化非常困难，喷丸过程中大部分能量无法转换成表面形变能，而是通过热量、声音等能量形式消耗掉；此外，喷丸使用的弹丸冲击表面形成了弹坑，甚至在一些弹坑下面产生了微裂纹，喷丸表面粗糙度较大，一般在Ra 5-15μm之间，本质上高强度金属对表面缺陷就很敏感，因此喷丸对高强度金属表面强化和抗疲劳效果大打折扣。此外，喷丸还容易产生粉尘，给环境带来污染，给操作人员带来身体伤害。

表面滚压强化的目的是提高金属表面的光洁度，同时引起少量的表层金属塑性变形，从而也可以提高金属构件的疲劳寿命。在早期，工业革命期间，人们发生火车车轴疲劳寿命较低，采用了表面滚压强化以后，火车车轴的疲劳寿命大幅提升，满足了火车工业车轴生产的技术要求。

我们课题组在前期工作中开发出了一种金属表面强化方法，即金属表面旋压强化方法。这种方法可以在金属表面创造良好的梯度组织结构，同时形成良好的硬化层，但由于其施加载荷的方式为平面施加载荷，导致刀具在加工过程中有很大的振动，加工的工件表面粗糙度较大(Ra 5-10μm)，同时对于尺寸稍大的构件需要经过很多道次的加工才能覆盖整个金属构件表面，因而存在不同加工道次之间的接界问题，这样就制约了其工程应用和推广。还有一些其它表面强化方法，在这里就不进行了一一详述了。

经过文献总结不难发现，对于冷加工表面强化而言，过去人们一直使用压应力强化，如喷丸和滚压等，都是以压应力为主的表面强化方法，即通过向金属表面施加正的压应力使表面金属变形产生硬化层，如喷丸和锤击。然而，根据金属塑性加工理论，剪切应力更容易引起金属流动变形并产生加工硬化。施加压应力需转换为切应力才能使金属内部的晶粒产生形变。为了解决喷丸和滚压等采用正的压应力表面强化方法的不足，本专利开发了一种利用压应力和切应力复合的表面强化方法，成功弥补了喷丸和滚压表面强化方法的不足，同时与本课题组前期开发的金属表面旋压强化方法相比，大幅度提高了金属表面强化加工效率，对多种金属均有良好的表面强化效果，尤其是对高强钢表面强化效果更好，对高强钢构件的抗疲劳效果更佳。

很多构件在表面处理之前会经历热处理，在金属表面会产生一层氧化膜层或称为锈层，表面处理的另一项功能是除去在热处理过程中产生的氧化膜层和脱碳层。在金属表面除锈处理过程中，目前采用的大多数方法有：机械除锈法(喷射处理、抛丸处理)或者浸渍法(酸洗法)等。其中，机械除锈法不适合大规模除锈的需要，效率低。酸洗法的工艺过程中涉及酸的后处理，工艺复杂，环境友好性差，效率低。喷丸和滚压处理在除去表面脱碳层和铁锈层方面要么不彻底，要么做不到。本发明同步实现了表面除锈，表面除脱碳层和表面强化加工。

发明内容

本发明针对现有技术中出现的以下问题：1)喷丸对高强度金属表面强化效果不佳，如喷丸和滚压强化，在喷丸的过程中弹丸冲击金属表面，本质上向金属表面施加的是正应力，不利于金属表面产生塑性变形，滚压强化亦是如此，因此强化效果大打折扣；2)现有冷加工表面强化方法，如喷丸，获得的表面粗糙度较大，有时甚至有显著的微裂纹，容易诱发高强度金属材料萌生疲劳裂纹；3)一些常见的金属构件，如钢板，通常是在热处理之后进行表面强化，这时钢板表面会有一层氧化皮，甚至在氧化层下有一层脱碳层，氧化皮和脱碳层的存在降低了金属的表面性能，容易导致疲劳裂纹萌生，而现有的表面强化方法，对处理脱碳层不利，在消除氧化层的同时很难将脱碳层完全除去，不但脱碳层清除不彻底，在脱碳层上进行塑性变形强化效果更差。4)传统冷加工表面强化方法，如喷丸，在操作过程中，丸粒的回弹会带走大量的能量，这降低了能量的利用效率。5)金属表面除锈处理效率低、引入其他成分进行除锈后处理工艺复杂。

针对以上现有技术的问题，本发明提供了一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法，该处理方法采用一种螺旋辊，对金属表面进行螺旋加工处理。这种处理方法既能够实施金属表面除锈，也能够有效提高金属或金属构件疲劳寿命，是一种能实现表层金属梯度强化和硬化的加工处理方法。利用该处理方法对金属构件进行表面处理，可以除去金属或金属构件表面的氧化皮以及脱碳层，同时可以获得具有明显梯度特征的表层组织结构，实现金属表面强化，抑制金属构件在长时间交变载荷或循环载荷作用下服役过程中疲劳裂纹在金属表面的萌生，同时改善金属构件表面耐磨性，提高金属构件的服役寿命。

本发明的一种金属表面处理螺旋辊，包括辊体和螺旋线加工刀刃，所述的辊体表面设置有螺旋线加工刀刃；

所述的辊体的外表面为圆柱体表面，为回转体；所述的螺旋线加工刀刃的螺旋线为单螺旋线或多螺旋线；螺旋线之间为凹槽。

所述的螺旋线加工刀刃为立体的，其横截面为半圆形、半椭圆形、楔形、梯形、菱形或三角形中的一种。

所述的多螺旋线为螺旋线的个数至少为2条。

所述的凹槽可以使冷却液进入，同时可以将从被加工金属或金属构件表面加工下来的氧化皮或微小金属屑从凹槽间排出。

所述的金属表面处理螺旋辊的材料为金属或陶瓷。

所述的金属表面处理螺旋辊的两端底面中心设置有孔或设置有凸起的圆柱，目的在于将金属表面处理螺旋辊固定于金属表面处理装置上，从而对金属表面处理螺旋辊的运动进行控制。

所述的金属表面处理螺旋辊的长度、直径以及螺旋线加工刀刃的螺距依据被加工金属的尺寸和被加工金属表面粗糙度要求进行调节。

所述的螺旋线加工刀刃的螺距≤10000mm，螺旋辊的螺旋线加工刀刃的牙厚≤50mm，螺旋辊的螺旋凹槽深度与螺旋辊的螺旋线加工刀刃牙厚的比≤3。

本发明的一种金属表面处理装置，包括上述的金属表面处理螺旋辊、工作台、中央控制系统、金属或金属构件位移传感器、刀具载荷传感器和刀具位移传感器；

所述的金属表面处理螺旋辊设置在工作台上方，中央控制系统分别与金属表面处理螺旋辊、工作台、刀具位移传感器、刀具载荷传感器、金属或金属构件位移传感器相连；

所述的刀具位移传感器设置在金属表面处理螺旋辊上，所述的刀具载荷传感器设置在金属表面处理螺旋辊上，所述的金属或金属构件位移传感器设置在工作台下。

其中，中央控制系统对整个金属表面处理装置实现程序化控制；

中央控制系统的输出信号实现螺旋辊的上下位移移动、旋转速度及下压载荷大小的控制；

中央控制系统的输出信号实现放有待加工金属或金属构件的工作台的水平位移和移动速度的控制；

所述的刀具位移传感器将螺旋辊的上下位移信息传输给中央控制系统，从而实现螺旋辊的精准控制；

所述的刀具载荷传感器将螺旋辊的载荷大小信息传输给中央控制系统，从而实现螺旋辊的精准控制；

所述的金属或金属构件位移传感器将放有金属或金属构件的工作台的水平位移信息传输给中央控制系统，从而实现金属或金属构件的精准控制。

所述的金属表面处理装置中，金属表面处理螺旋辊采用电力驱动的方式进行驱动。

采用上述金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，按以下步骤进行：

步骤1，将螺旋辊设置在金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动，其中，相对于金属或金属构件表面的法向运动控制方式为以下两种中的一种：位移控制或载荷控制；

自旋转运动时，螺旋辊在扭矩作用下绕着螺旋辊的轴线进行旋转，螺旋辊的旋转速度≤10000r/min；

采用位移控制时，螺旋辊相对金属或金属构件的法向位移距离，根据待加工金属或金属构件的要求进行控制；

采用载荷控制时，螺旋线加工刀刃对金属或金属构件表面施加下压载荷，施加在金属或金属构件上的下压载荷为0.0001KN～1000KN；

步骤3，被加工金属或金属构件采用水平位移控制，水平位移控制时，固定着被加工金属或金属构件的工作台，其移动的位移取决于被加工金属或金属构件的尺寸，而被加工金属或金属构件的移动速度为0.0001mm/min～10000mm/min，被加工金属或金属构件可以根据加工需要在工作台的导轨上进行水平方向的前进移动和后退移动，从而完成金属或金属构件表面的处理。

所述的对金属或金属构件表面进行处理包括对金属或金属构件表面进行强化、去除金属或金属构件表面的氧化皮以及脱碳层。

所述的步骤2中，所述的相对于金属或金属构件表面的法向运动控制方式的位移控制中，向被加工金属表面运动指定的距离≤5mm。

所述的步骤2中，所述的自旋转运动是控制螺旋辊的自旋转方向和转速，从而完成金属或金属构件的表面处理的加工控制方式；

所述的位移控制是控制螺旋辊沿被加工金属或金属构件表面法线方向被加工金属表面运动指定的距离，从而完成金属或金属构件表面处理的加工控制；

所述的载荷控制是控制螺旋辊沿被加工金属或金属构件表面法线方向向被加工金属表面运动，它是在指定载荷下进行运动，一旦接触载荷超过了指定的载荷，螺旋辊沿被加工金属表面法向方向向被加工金属表面运动停止。

所述的步骤2中，螺旋辊的下压载荷形成了下压力，螺旋辊与金属或金属构件表面接触，通过自旋转运动产生了剪切应力，下压应力和剪切应力作用于金属或金属构件表面，对金属或金属构件表面进行处理。

所述的下压应力用于克服金属或金属构件的弹性变形，剪切应力促使金属或金属构件上的表层金属产生塑性流动，促使表层金属发生塑性变形和晶粒细化，达到表层金属晶粒细化和塑性形变强化的效果。

对于厚度均匀的钢板，可以采用位移控制，也可以采用载荷控制，位移控制的优点是加工精度高。对于表面不平，厚度不均匀的钢板，可以采用载荷控制，载荷控制的优点是不受位移限制，可以对金属表面的形状微小波动实现自适应。

本发明采用金属表面处理螺旋辊对金属进行表面处理方法的加工原理为金属在变形过程中，随着施加在其上面的载荷不断增加，先发生弹性变形，后发生塑性变形。当控制螺旋辊与被加工金属表面的距离或控制螺旋辊与被加工金属接触时施加在螺旋辊上的载荷(前提是被加工金属在法向没有位移)时，可以消除因被加工金属产生的弹性变形导致的加工不准确性，因为促进被加工金属表面发生塑性变形的主要应力是剪切应力，这种剪切应力主要来自于螺旋辊的螺旋线加工刀刃与被加工金属表面接触时产生的摩擦力。因此在加工过程中下压应力属性的载荷主要是抵消被加工金属的弹性变形，而剪切应力属性的载荷促使金属表面发生塑性变形。

采用上述金属表面处理螺旋辊对金属或金属构件的表面进行强化时，其强化原理为：细晶强化和加工硬化。实际使用的金属结构材料大多是多晶体。Hall 1951和Petch1953通过试验证实了在多晶金属中晶粒尺寸和屈服强度之间的关系并建立了经典的Hall-Petch关系式：

σ＝σ₀+k·d^-1/2  (公式1)

式中，σ，晶粒细化后金属强度，MPa；σ₀，晶粒细化前金属强度，MPa；k，HP常数；d，晶粒半径,μm。根据Hall-Petch关系式(公式1)，通过晶粒细化可以显著提升金属材料的屈服强度，这一原理称为细晶强化原理。采用金属表面处理螺旋辊对金属表面强化加工后，近表层金属中晶粒将显著细化同时强度提高，因而细晶强化是其主要强化机制之一。

通过冷加工变形也可以提高金属材料强度和硬度，这一原理称为加工硬化或应变强化。在室温条件下使金属冷加工变形会引入大量的位错，直接导致位错密度显著增加，因为位错会产生应变场，所以高密度位错可以阻碍位错运动：

σ_a＝σ_j+αGbρ^-1/2  (公式2)

式中，σ_a，加工硬化后金属强度，MPa；σ_j，加工硬化前金属强度，MPa；G，剪切模量；ρ，位错密度；α为常系数；b为柏氏矢量。

本发明的一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法，相比于现有技术，其优点体现在：

1)向螺旋辊施加下压载荷，使螺旋辊与被加工金属或金属构件紧密接触，通过下压载荷抵消被加工金属的弹性变形，充分发挥剪切应力的作用，利用剪切应力促使被加工金属构件表层金属发生较大的塑性变形，达到良好的表面晶粒细化效果，达到强化的目的，这一点弥补了传统冷加工表面强化工艺利用正应力强化的缺点；

2)相对于喷丸等表面强化技术，本发明通过优化螺旋辊的尺寸、采用旋滚加工各种强度的金属，达到了提高被加工金属表面光洁度的目的，降低被加工金属的表面粗糙度；经过验证，金属表面粗糙度可降至Ra 1.0-2.5μm。

3)采用螺旋辊加工可以同步除去金属表面的氧化皮和脱碳层，并使基体表层金属发生较大的塑性变形，达到表面强化的目的。

4)本发明采用螺旋辊与金属构件进行接触式的表面强化，其能量大多转化为金属表面的形变能储存在金属表面中，达到强化的目的，这可以高效地利用能源。

5)本发明的螺旋辊，其具有连续性和高效性、去除了道次接界，并且螺旋辊中设计的螺旋线加工刀刃在加工金属或金属构件时，不易出现共震现象，其螺旋辊的长度和直径可以根据被加工金属尺寸进行调节等特点。

6)对金属或金属构件表面粗糙度控制。加工过程中螺旋辊转速越快，金属或金属表面粗糙度越小；采用多螺旋线设计的刀刃加工出来的金属表面粗糙度小。

7)充分运用“细晶强化”原理和“加工硬化”原理实现被加工金属表面强化，提高被加工金属疲劳寿命；

8)螺旋辊上多点同时与被加工金属表面接触，利用点接触加大接触点的接触应力，进一步提升被加工金属表面晶粒细化效果和塑性变形水平；

9)利用冷却液带走被加工金属和螺旋辊在加工过程中产生的热量，冷却液在螺旋辊凹槽间流动提高冷却效率，同时冷却液的流动会带走旋滚加工产生的氧化皮碎屑和微小金属碎屑。

10)采用金属表面处理螺旋辊处理各种强度的金属均获得了良好的表面强化效果，表面显微硬度大幅提升，获得良好的梯度硬化层，而且极大地提高了金属产品或金属构件的表面耐磨性能。

12)采用金属表面处理螺旋辊处理带氧化皮和脱碳层的钢板，钢板表面的氧化皮全部被除去，脱碳层未发现残留。经过金属表面处理螺旋辊处理后，弹簧钢的弯曲疲劳极限大幅提高。这项发明将给企业和社会带来了巨大的经济效益，同时使板类金属构件更加安全，在消费者使用这类金属构件时，保障了消费者的财产和生命安全。

13)本发明采用金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其加工工艺简单，加工效率高，方便推广，容易操作，成本较低。尤其，相对其它技术可以极大的节能并且无污染。给企业和社会带来了巨大的经济效益，同时有利于实现节能减排。

附图说明

图1为本发明金属表面处理螺旋辊示意图；

其中，1为金属表面处理螺旋辊，1-1为辊体，1-2为螺旋线加工刀刃；

图2为本发明金属表面处理螺旋辊的立体结构示意图。

图3为金属表面处理螺旋辊与被金属或金属构件相互作用示意图；

其中，1为金属表面处理螺旋辊，2为金属或金属构件；

图4为金属表面处理装置中各个结构连接的框图；

其中，1为金属表面处理螺旋辊、3为工作台、4为中央控制系统、5为刀具位移传感器、6为刀具载荷传感器、7为金属或金属构件位移传感器；

图5为金属表面处理装置的立体结构示意图；

图6为本发明实施例1中，采用螺旋辊进行表层强化处理60Si2Mn钢在表层获得的梯度组织结构图；

图7为本发明实施例1中，采用螺旋辊进行表层强化处理60Si2Mn钢表面显微硬度对比图；

图8为本发明实施例3中，采用螺旋辊进行强化处理纯铜在表层获得的梯度组织结构图；

图9为本发明实施例3中，采用螺旋辊进行强化处理纯铜表面显微硬度梯度曲线图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种金属表面处理螺旋辊，包括辊体1-1和螺旋线加工刀刃1-2，所述的辊体1-1表面设置有螺旋线加工刀刃1-2；

所述的辊体的外表面为圆柱体表面，为回转体；所述的螺旋线加工刀刃的螺旋线为两条螺旋线；螺旋线之间为凹槽，其结构示意图见图1，其立体结构示意图见图2。

所述的螺旋线加工刀刃为立体的，其横截面为半圆形。

所述的凹槽可以使冷却液进入，同时可以将从被加工金属或金属构件表面加工下来的氧化皮或微小金属屑从凹槽间排出。

所述的金属表面处理螺旋辊的材料为金属。

所述的金属表面处理螺旋辊的两端底面中心设置有孔，目的在于将金属表面处理螺旋辊固定于金属表面处理装置上，从而对金属表面处理螺旋辊的运动进行控制。

所述的金属表面处理螺旋辊的长度、直径以及螺旋线加工刀刃的螺距依据被加工金属的尺寸和被加工金属表面粗糙度要求进行调节。

所述的螺旋线加工刀刃的螺距为8mm，螺旋辊的螺旋凹槽深度为螺旋螺旋线加工刀刃牙厚的1倍，螺旋辊的螺旋线加工刀刃的牙厚为4mm。

一种金属表面处理装置，其立体结构示意图见图5，该金属表面处理装置包括上述的金属表面处理螺旋辊1、工作台3、中央控制系统4、金属或金属构件位移传感器7、刀具位移传感器5和刀具载荷传感器6；其各个部件的连接关系见图4。

所述的金属表面处理螺旋辊1设置在放有金属或金属构件2的工作台3上方，中央控制系统4分别与金属表面处理螺旋辊1、工作台3、刀具位移传感器5、刀具载荷传感器6、金属或金属构件位移传感器7相连；

所述的刀具位移传感器5设置在金属表面处理螺旋辊1上，所述的刀具载荷传感器6设置在金属表面处理螺旋辊1上，所述的金属或金属构件位移传感器7设置在工作台2下。

其中，中央控制系统4对整个金属表面处理装置实现程序化控制；

中央控制系统4的输出信号实现螺旋辊1的上下位移移动、旋转速度及下压载荷大小的控制；

中央控制系统4的输出信号实现放有待加工金属或金属构件的工作台的水平位移和移动速度的控制；

所述的刀具位移传感器5将螺旋辊1的上下位移信息传输给中央控制系统4，从而实现螺旋辊的精准控制；

所述的刀具载荷传感器6将螺旋辊1的载荷大小信息传输给中央控制系统4，从而实现螺旋辊的精准控制；

所述的金属或金属构件位移传感器7将放有金属或金属构件的工作台3的水平位移信息传输给中央控制系统4，从而实现金属或金属构件的精准控制。

所述的金属表面处理装置中，金属表面处理螺旋辊1采用电力驱动的方式进行驱动。

采用上述金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，按以下步骤进行：

其中，所述的金属为平均显微硬度为480HV(抗拉强度1600MPa)的60Si2Mn弹簧钢。

步骤1，将60Si2Mn弹簧钢夹装固定在工作台上，将螺旋辊设置在金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动——位移控制；

在中央控制系统中输入螺旋辊下压量为200μm，螺旋辊自旋转运动的转速为700r/min，被加工金属件移动速度为30mm/min，然后启动设备进行加工，同时采用冷却液进行冷却。其中，螺旋辊与被金属或金属构件相互作用示意图见图3。

所述的自旋转运动是控制螺旋辊的自旋转方向和速度，从而完成金属或金属构件的表面处理的加工控制方式；

所述的位移控制是控制螺旋辊沿被加工金属或金属构件表面法线方向被加工金属表面运动指定的距离，从而完成金属或金属构件表面处理的加工控制；

步骤3，加工结束后，螺旋辊自动抬起，将金属件样品从工作台上拆卸下来。

步骤4，对加工后的金属件的硬化层微观组织和力学性能进行检测。

加工完成后取下工件，切取样品进行金相检测和硬度梯度测试，其中，采用螺旋辊进行表层强化处理60Si2Mn钢在表层获得的梯度组织结构图见图6；采用螺旋辊进行表层强化处理60Si2Mn钢表面显微硬度对比图见图7，在图7中，分别给出了采用本方法进行表面旋滚强化处理的60Si2Mn钢表面显微硬度和采用喷丸处理对60Si2Mn钢表面显微硬度，经过对比得到，经过旋滚表面强化加工的60Si2Mn钢表面显微硬度比用喷丸处理对60Si2Mn钢表面显微硬度至少提升240HV。

经表面旋滚强化加工后，表面氧化层全部被清除，在截面上未发现脱碳层，60Si2Mn弹簧钢的主要强化技术参数列于表1。

表1 60Si2Mn钢旋压强化技术参数统计表

项目	主要参数
		材料牌号	60Si2Mn
旋滚强化前抗拉强度	1500MPa
		旋滚强化前基体平均显微硬度	480HV
旋滚强化后金属流变层深度	约70μm
		旋滚强化后表层最高显微硬度	720HV
旋滚强化后显微硬度梯度层深度	约100μm
		旋滚强化后显微硬度提升最低百分比	50％
旋滚强化后表面粗糙度，Ra	1.8-2.2μm
		表面喷丸处理后疲劳寿命(最大载荷1100MPa，应力幅450MPa)	60000-80000周
表面旋滚强化处理后疲劳寿命(最大载荷1100MPa，应力幅450MPa)	≥1000万周

实施例2

一种金属表面处理螺旋辊，包括辊体和螺旋线加工刀刃，所述的辊体表面设置有螺旋线加工刀刃；

所述的辊体的外表面为圆柱体表面，为回转体；所述的螺旋线加工刀刃的螺旋线为两条螺旋线；螺旋线之间为凹槽。

所述的螺旋线加工刀刃为立体的，其横截面为楔形。

所述的凹槽可以使冷却液进入，同时可以将从被加工金属或金属构件表面加工下来的氧化皮或微小金属屑从凹槽间排出。

所述的金属表面处理螺旋辊的材料为陶瓷。

所述的金属表面处理螺旋辊的两端底面中心设置有凸起的圆柱，目的在于将金属表面处理螺旋辊固定于金属表面处理装置上，从而对金属表面处理螺旋辊的运动进行控制。

所述的金属表面处理螺旋辊的长度、直径以及螺旋线加工刀刃的螺距依据被加工金属的尺寸和被加工金属表面粗糙度要求进行调节。

所述的螺旋线加工刀刃的螺距为100mm，螺旋辊的螺旋凹槽深度为螺旋螺旋线加工刀刃牙厚的1倍，螺旋辊的螺旋线加工刀刃的牙厚为4mm。

一种金属表面处理装置，同实施例1，不同之处在于，金属表面处理螺旋辊采用本实施例所述的金属表面处理螺旋辊。

采用上述金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，按以下步骤进行：

其中，所述的金属为平均显微硬度为330HV(抗拉强度1000MPa)的30CrNi2.5MoV钢。

步骤1，将30CrNi2.5MoV钢夹装固定在工作台上，将螺旋辊设置在金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动——位移控制；

在中央控制系统中输入螺旋辊下压量为200μm，螺旋辊自旋转运动的转速为700r/min，被加工金属件移动速度为30mm/min，然后启动设备进行加工，同时采用冷却液进行冷却。

所述的自旋转运动是控制螺旋辊的自旋转方向和速度，从而完成金属或金属构件的表面处理的加工控制方式；

所述的位移控制是控制螺旋辊沿被加工金属或金属构件表面法线方向被加工金属表面运动指定的距离，从而完成金属或金属构件表面处理的加工控制；

步骤3，加工结束后，螺旋辊自动抬起，将金属件样品从工作台上拆卸下来。

表2 30CrNi2.5MoV钢旋压强化技术参数统计表

实施例3

一种金属表面处理螺旋辊，包括辊体和螺旋线加工刀刃，所述的辊体表面设置有螺旋线加工刀刃；

所述的辊体的外表面为圆柱体表面，为回转体；所述的螺旋线加工刀刃的螺旋线为三条螺旋线；螺旋线之间为凹槽。

所述的螺旋线加工刀刃为立体的，其横截面为梯形。

所述的凹槽可以使冷却液进入，同时可以将从被加工金属或金属构件表面加工下来的氧化皮或微小金属屑从凹槽间排出。

所述的金属表面处理螺旋辊的材料为金属。

所述的金属表面处理螺旋辊的两端底面中心设置有孔，目的在于将金属表面处理螺旋辊固定于金属表面处理装置上，从而对金属表面处理螺旋辊的运动进行控制。

所述的金属表面处理螺旋辊的长度、直径以及螺旋线加工刀刃的螺距依据被加工金属的尺寸和被加工金属表面粗糙度要求进行调节。

所述的螺旋线加工刀刃的螺距为1000mm，螺旋辊的螺旋凹槽深度为螺旋螺旋线加工刀刃牙厚的1倍，螺旋辊的螺旋线加工刀刃的牙厚为4mm。

一种金属表面处理装置，同实施例1。

采用上述金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，按以下步骤进行：

其中，所述的金属为平均显微硬度为70HV(抗拉强度250MPa)的纯铜。

步骤1，将纯铜夹装固定在工作台上，将螺旋辊设置在金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动——载荷控制；

在中央控制系统中输入螺旋辊下压载荷为2KN，螺旋辊自旋转运动的转速为500r/min，被加工金属件移动速度为80mm/min，然后启动设备进行加工，同时采用冷却液进行冷却；

所述的自旋转运动是控制螺旋辊的自旋转方向和速度，从而完成金属或金属构件的表面处理的加工控制方式；

所述的载荷控制是控制螺旋辊沿被加工金属或金属构件表面法线方向向被加工金属表面运动，它是在指定载荷下进行运动，一旦接触载荷超过了指定的载荷，螺旋辊沿被加工金属表面法向方向向被加工金属表面运动停止；

步骤3，加工结束后，螺旋辊自动抬起，将金属件样品从工作台上拆卸下来。

步骤4，对加工后的金属件的硬化层微观组织和力学性能进行检测。

加工完成后取下工件，切取样品进行金相检测和硬度梯度测试，其中，采用螺旋辊进行强化处理纯铜在表层获得的梯度组织结构图见图8；采用螺旋辊进行强化处理纯铜表面显微硬度梯度曲线图见图9；其中，平直部分为纯铜基体硬度，约为70HV，最高点为最大硬度，约为160HV，经旋滚强化加工的纯铜表面显微硬度至少提升90HV。

经表面旋滚强化加工后，纯铜的主要强化技术参数列于表2。

表3纯铜旋压强化技术参数统计表

项目	主要参数
		材料牌号	纯铜
旋滚强化前抗拉强度	250MPa
		旋滚强化前基体平均显微硬度	70HV
旋滚强化后金属流变层深度	约1000μm
		旋滚强化后表层最高显微硬度	164HV
旋滚强化后显微硬度梯度层深度	约1500μm
		旋滚强化后显微硬度提升最低百分比	134％
旋滚强化后表面粗糙度，Ra	1.5-2.1μm

实施例4

一种金属表面处理螺旋辊，同实施例1。

一种金属表面处理装置，同实施例1。

采用上述金属表面处理装置进行金属表面处理的处理方法，按以下步骤进行：

其中，所述的金属为平均显微硬度为140HV(抗拉强度400MPa)的Cu-11Al合金。

步骤1，将纯铜夹装固定在工作台上，将螺旋辊设置在金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动——载荷控制；

在中央控制系统中输入螺旋辊下压载荷为3KN，螺旋辊自旋转运动的转速为300r/min，被加工金属件移动速度为120mm/min，然后启动设备进行加工，同时采用冷却液进行冷却

所述的自旋转运动是控制螺旋辊的自旋转方向和速度，从而完成金属或金属构件的表面处理的加工控制方式；

所述的载荷控制是控制螺旋辊沿被加工金属或金属构件表面法线方向向被加工金属表面运动，它是在指定载荷下进行运动，一旦接触载荷超过了指定的载荷，螺旋辊沿被加工金属表面法向方向向被加工金属表面运动停止；

步骤3，加工结束后，螺旋辊自动抬起，将金属件样品从工作台上拆卸下来。

步骤4，对加工后的金属件的硬化层微观组织和力学性能进行检测。

表4Cu-11Al合金旋压强化技术参数统计表

项目	主要参数
		材料牌号	Cu-11Al合金
旋滚强化前抗拉强度	400MPa
		旋滚强化前基体平均显微硬度	140HV
旋滚强化后金属流变层深度	约200μm
		旋滚强化后表层最高显微硬度	240HV
旋滚强化后显微硬度梯度层深度	约800μm
		旋滚强化后显微硬度提升最低百分比	71％
旋滚强化后表面粗糙度，Ra	1.4-2.5μm

实施例5

一种金属表面处理螺旋辊，同实施例1。

一种金属表面处理装置，同实施例1。

采用上述金属表面处理装置进行金属表面处理的处理方法，按以下步骤进行：

其中，所述的金属为平均显微硬度为140HV(抗拉强度400MPa)的Cu-11Al合金。

步骤1，将金属或金属构件放置于工作台上，调节金属表面处理螺旋辊至金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，调节中央控制系统，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动，其中，相对于金属或金属构件表面的法向运动控制方式为以下两种中的一种：位移控制或载荷控制；

自旋转运动时，螺旋辊在扭矩作用下绕着螺旋辊的轴线进行旋转，螺旋辊的旋转速度为10000r/min；

采用位移控制时，螺旋辊相对金属或金属构件的法向位移距离，根据待加工金属或金属构件的要求进行控制；

采用载荷控制时，螺旋线加工刀刃对金属或金属构件表面施加下压载荷，施加在金属或金属构件上的下压载荷为0.001KN；

步骤3，被加工金属或金属构件采用水平位移控制，水平位移控制时，固定着被加工金属或金属构件的工作台，其移动的位移取决于被加工金属或金属构件的尺寸，而被加工金属或金属构件的移动速度为500mm/min，被加工金属或金属构件可以根据加工需要在工作台的导轨上进行水平方向的前进移动和后退移动，从而完成金属或金属构件表面的处理。

Claims (9)

1.一种金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，该金属表面处理螺旋辊包括辊体和螺旋线加工刀刃，所述的辊体表面设置有螺旋线加工刀刃；

所述的辊体的外表面为圆柱体表面；所述的螺旋线加工刀刃的螺旋线为单螺旋线或多螺旋线；螺旋线之间为凹槽；其特征在于，按以下步骤进行：

步骤1，将螺旋辊设置在金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动，其中，相对于金属或金属构件表面的法向运动控制方式为以下两种中的一种：位移控制或载荷控制；

自旋转运动时，螺旋辊在扭矩作用下绕着螺旋辊的轴线进行旋转，螺旋辊的旋转速度≤10000r/min；

采用位移控制时，螺旋辊相对金属或金属构件的法向位移距离，根据待加工金属或金属构件的要求进行控制；

采用载荷控制时，螺旋线加工刀刃对金属或金属构件表面施加下压载荷，施加在金属或金属构件上的下压载荷为0 .0001KN～1000KN；

步骤3，被加工金属或金属构件采用水平位移控制，水平位移控制时，固定着被加工金属或金属构件的工作台，其移动的位移取决于被加工金属或金属构件的尺寸，而被加工金属或金属构件的移动速度为0 .0001mm/min～10000mm/min，被加工金属或金属构件可以根据加工需要在工作台的导轨上进行水平方向的前进移动和后退移动，从而完成金属或金属构件表面的处理。

2.如权利要求1所述的金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其特征在于，所述的螺旋线加工刀刃为立体的，其横截面为半圆形、半椭圆形、楔形、梯形、菱形或三角形中的一种。

3.如权利要求1所述的金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其特征在于，所述的金属表面处理螺旋辊的两端底面中心设置有孔或设置有凸起的圆柱。

4.如权利要求1所述的金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其特征在于，所述的金属表面处理螺旋辊的材料为金属或陶瓷。

5.如权利要求1所述的金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其特征在于，所述的金属表面处理螺旋辊的长度、直径以及螺旋线加工刀刃的螺距依据被加工金属的尺寸和被加工金属表面粗糙度要求进行调节；

所述的螺旋线加工刀刃的螺距≤10000mm，螺旋辊的螺旋线加工刀刃的牙厚≤50mm，螺旋辊的螺旋凹槽深度与螺旋辊的螺旋线加工刀刃牙厚的比≤3。

6.如权利要求1所述的金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的相对于金属或金属构件表面的法向运动控制方式的位移控制中，向被加工金属表面运动指定的距离≤5mm。

7.如权利要求1所述的金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其特征在于，所述的对金属或金属构件表面进行处理包括对金属或金属构件表面进行强化、去除金属或金属构件表面的氧化皮以及脱碳层。

8.一种金属表面处理装置，其特征在于，包括权利要求1～5任意一项所述的金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法中采用的金属表面处理螺旋辊、工作台、中央控制系统、金属或金属构件位移传感器、刀具载荷传感器和刀具位移传感器；

所述的金属表面处理螺旋辊设置在工作台上方，中央控制系统分别与金属表面处理螺旋辊、工作台、刀具位移传感器、刀具载荷传感器、金属或金属构件位移传感器相连；

所述的刀具位移传感器设置在金属表面处理螺旋辊上，所述的刀具载荷传感器设置在金属表面处理螺旋辊上，所述的金属或金属构件位移传感器设置在工作台下。

9.一种金属表面处理螺旋辊进行金属表面处理的处理方法，其特征在于，采用权利要求8所述的金属表面处理装置，按以下步骤进行：

步骤1，将金属或金属构件放置于工作台上，调节金属表面处理螺旋辊至金属或金属构件待处理表面的一侧，调节金属或金属构件被加工表面与螺旋辊轴线平行，设置螺旋辊的上下位移，使螺旋辊的螺旋线加工刀刃接触待加工的金属或金属构件表面；

步骤2，调节中央控制系统，驱动螺旋辊运动，螺旋辊运动方式有两种：自旋转运动和相对于金属或金属构件表面的法向运动，其中，相对于金属或金属构件表面的法向运动控制方式为以下两种中的一种：位移控制或载荷控制；自旋转运动时，螺旋辊在扭矩作用下绕着螺旋辊的轴线进行旋转，螺旋辊的旋转速度≤10000r/min；

采用位移控制时，螺旋辊相对金属或金属构件的法向位移距离，根据待加工金属或金属构件的要求进行控制；

采用载荷控制时，螺旋线加工刀刃对金属或金属构件表面施加下压载荷，施加在金属或金属构件上的下压载荷为0 .0001KN～1000KN；

步骤3，被加工金属或金属构件采用水平位移控制，水平位移控制时，固定着被加工金属或金属构件的工作台，其移动的位移取决于被加工金属或金属构件的尺寸，而被加工金属或金属构件的移动速度为0 .0001mm/min～10000mm/min，被加工金属或金属构件可以根据加工需要在工作台的导轨上进行水平方向的前进移动和后退移动，从而完成金属或金属构件表面的处理。

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