CN113084743A - 一种用于金属表面功能再造的改性工具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于金属表面功能再造的改性工具及其制造方法，属于表面工程领域。所述改性工具结构主要包括柄部和工具末端，柄部为棒状；末端由n个关于轴线中心对称的头部组成，每部分一端较高为过渡1/4球面，另一端较低为平缓曲面，由高到低平滑过渡形成完整曲面。其设计及制造步骤为：设定改性工具外径；确定工具末端的头部数量n,即n个头部关于轴线中心对称；运用车削和铣削工艺加工所述改性工具；对工具末端进行精磨和表面强化处理。所述工具末端与被改性材料多点接触，增加了接触面积，大幅度提升了改性效率，且可对工件表面加工出复杂的纹理结构。可改变所述工具末端的旋转方向，以改变工具末端与工件的挤压方式，调整改性效果。

Description

一种用于金属表面功能再造的改性工具及其制造方法
技术领域
本发明属于表面工程领域，尤其涉及一种用于金属表面功能再造的改性工具及其制造方法。
背景技术
表面工程技术无需改变产品的全部材料，只需对产品表层材料进行改进，可大幅度提升产品表面的性能。例如在飞机表面构造减阻纹理结构，不同的刀具头可加工出不同纹理形状的表面，达到不同的减阻效果。表面工程与微纳米技术结合而形成的表面微纳改性技术为当前表面工程研究的一个崭新领域。在表面微纳工艺中传统的改性工具是单一的球头圆棒，为单点接触，效率低、产量低、加工出纹理形状较为单一。因此有必要设计出一种可提高改性效率又可加工出复杂纹理结构的改性工具。
发明内容
本发明提出一种用于金属表面功能再造的改性工具的设计及制造方法，该改性工具可对具有复杂外形的工件表面可设计地改性，同时大幅提高改性效率。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于金属表面功能再造的改性工具，所述改性工具包含柄部以及工具末端；所述柄部为棒状，所述工具末端由关于轴线中心对称的n个头部组成，1<n<5，各头部之间的角度为360°/n，每个头部一端较高为过渡1/4球面，另一端较低为平缓曲面，由高到低平滑过渡形成完整曲面，并且每两个完整曲面相贯，中间形成一条相贯线；在加工工件的过程中，改性工具的实际工作部分为头部的最高点及其周围区域，即工作中实际与工件发生挤压作用的区域，通过工作部分与工件表面接触旋转摩擦而工作。
以上所述结构中，所述改性工具结构中，柄部外径为6～16mm，柄部长度为30～80mm；末端过渡1/4球面的半径为1.5～4mm，末端高度为1.5～4mm；末端材料采用YG6x。
一种用于金属表面功能再造的改性工具的制造方法，包括以下步骤：
(1)选取基体材料，对基体材料进行车削加工，加工为圆柱状，留出下一步的加工余量；
(2)对基体材料进行铣削或车削加工，得到改性工具末端的轮廓；
(3)对工具末端进行精磨和表面处理，提高其耐用度，得到改性工具。
以上所述步骤中，步骤(1)中圆柱外径为改性工具的柄部外径2R，2R为6～16mm，圆柱的长度为35～85mm；
步骤(2)对基体材料进行铣削或车削加工的要求为：
(a)改性工具末端由n个头部组成,各头部关于改性工具轴线中心对称，各头部之间的角度为360°/n，各头部由1/4球面和平滑过渡曲面构成；
(b)设定柄部半径为R，各1/4球面半径为r(R＝2r)；
(c)在改性工具末端与柄部的过渡平面上，以改性工具的轴线与平面的交点为坐标原点建立坐标系，定义路径3，如式(1)所示：
Figure BDA0002977022920000021
其中，(x,y)为轨迹曲线二维轨迹曲线点，θ为参变量；
(d)设定平滑过渡曲面的一侧与1/4圆球面平滑连接，法向截面为半圆，其半径按照式(1)从r线性变化为0；平滑过渡曲面的法向截面的最高点的高度即为1/4球面半径。
有益效果：本发明提供了一种用于金属表面功能再造的改性工具及其制造方法，与现有技术相比，本发明的改性工具中工具末端可以根据需要进行设计，可对具有复杂外形的工件表面可设计地改性，所述工具末端与被改性材料多点接触，增加了接触面积，大幅度提升了改性效率。所述改性工具可也可在工件表面加工出复杂的纹理结构。可改变所述工具末端的旋转方向，以改变工具末端与工件的挤压方式，调整改性效果。
在工作时，工具末端可通过改变改性工具的旋转方向来选择改性工具挤压工件的方式，可顺时针或逆时针旋转；顺时针旋转一圈，相当于头部的平滑过渡曲面挤压工件n次；逆时针旋转一圈，相当于头部的1/4圆球面挤压工件n次。由于平滑过渡曲面的高度下降比1/4球面下降更为平缓，故平滑过渡曲面挤压工件时，挤压作用更强；1/4圆球面挤压工件时，塑性流动作用更强。本发明可以通过提高基本组成部分数量n来成倍增大改性工具与工件的接触面积，大幅度提高改性效率。当n＝1时，改性工具无法提高改性效率，且改性工具的结构会随着n的增加而变的复杂，故设定n的范围为(1<n<5)。
附图说明
图1为本发明实施例中路径原理图；
图2为本发明实施例中工具末端中头部原理图；
图3为本发明实施例中n＝3时改性工具向视图；
图4为本发明实施例中n＝3时改性工具轴测图；
图中，1为
Figure BDA0002977022920000031
球面与平面交线、2为平滑过渡曲面与平面交线、3为路径曲线、4为
Figure BDA0002977022920000032
球面、5为平滑过渡曲面、6为柄部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：
本实施例提供一种金属表面功能再造的改性工具及其制造方法，以头部数量n＝3为例，其步骤包括：
(a)设定相关参数:柄部半径为R＝5mm；，各1/4圆球半径为r＝2.5mm；(R＝2r)；
(b)如图1所示：将r＝2.5mm代入路径3的表达式：
Figure BDA0002977022920000033
其中，(x,y)为轨迹曲线二维轨迹曲线点，θ为参变量，则图1中曲线即为路径3；
(c)平滑过渡曲面的一侧与1/4圆球面平滑连接。法向截面为半圆，其半径按照公式(1)从2.5mm线性变化为0；
(d)设定头部数量n＝3,来增加改性工具末端与工件表面接触点，扩大工具末端与工件表面的接触面；
(e)规定改性工具旋转方向为由平缓曲面到1/4球面旋转为顺时针旋转；通过改变旋转方向可以改变工具末端与工件表面的接触方式、挤压角度等工艺参数，进而改变加工性能；
(f)选取棒状YG6x基体材料，对基体材料进行车削加工，加工为圆柱状，要求圆柱外径为改性工具的柄部外径10mm(2R)，长度为35～85mm，留出下一步的加工余量；
(g)对圆柱状基体材料进行铣削加工，加工出所述改性工具末端；
(h)并对工具末端进行精磨和表面处理，提高其耐用度。
所述改性工具可对具有复杂外形的工件表面可设计地改性，同时大幅提高改性效率。所述改性工具包括所述改性工具包含柄部以及工具末端；如图4所示，柄部为棒状，工具末端关于轴线中心对称，形似阴阳鱼，所述工具末端由关于轴线中心对称的n个头部组成，各头部之间的角度为360°/n，每个头部一端较高为过渡1/4球面，另一端较低为平缓曲面，由高到低平滑过渡形成完整曲面，并且每两个完整曲面相贯，中间形成一条相贯线；改性工具柄部外径为10mm，柄部长度为50mm。末端过渡1/4球面的半径为2.5mm，末端高度为2.5mm，工具材料采用YG6x；在加工工件的过程中，改性工具的实际工作部分为头部的最高点及其周围区域，即工作中实际与工件发生挤压作用的区域，通过工作部分与工件表面接触旋转摩擦而工作。工作端为高处的圆头顶点，通过最高点与工件表面接触旋转摩擦工作，改性工具工作时，可顺时针或逆时针旋转；顺时针旋转一圈，相当于头部的平滑过渡曲面挤压工件n次；逆时针旋转一圈，相当于头部的1/4圆球面挤压工件n次。由于平滑过渡曲面的高度下降比1/4球面下降更为平缓，故平滑过渡曲面挤压工件时，挤压作用更强；1/4圆球面挤压工件时，塑性流动作用更强；在工作时改性工具绕轴线旋转，同时包含工具进给运动，工具末端的凸起头部跟进式旋转挤压工件，使工件表面的材料发生塑形流动，会产生晶粒细化和组织强化，达到改性目的，改性工具旋转一周的过程中，会挤压工件材料n次，提升改性效率，而且可以在工件表面加工出复杂的纹理结构；以金属表面功能再造为例，本实施例的应用过程如下：首先通过数控的方式驱动该改性工具沿设定的路径微接触植入功能相的金属表面并作往复性振动旋转摩擦运动；诱导材料发生强烈的塑性流变，并产生纹理结构。
以上仅为本发明优选实施例，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于金属表面功能再造的改性工具，其特征在于，所述改性工具包含柄部以及工具末端；所述柄部为棒状，所述工具末端由关于轴线中心对称的n个头部组成，各头部之间的角度为360°/n，每个头部一端较高为过渡1/4球面，另一端较低为平缓曲面，由高到低平滑过渡形成完整曲面，并且每两个完整曲面相贯，中间形成一条相贯线。
2.根据权利要求1所述的用于金属表面功能再造的改性工具，其特征在于，所述柄部外径为6～16mm，柄部长度为30～80mm。
3.根据权利要求1所述的用于金属表面功能再造的改性工具，其特征在于，所述工具末端高度为1.5～4mm。
4.根据权利要求1或3所述的用于金属表面功能再造的改性工具，其特征在于，所述过渡1/4球面的半径为1.5～4mm。
5.根据权利要求1所述的用于金属表面功能再造的改性工具，其特征在于，1<n<5。
6.根据权利要求1所述的用于金属表面功能再造的改性工具，其特征在于，所述工具末端材料采用YG6x。
7.一种用于金属表面功能再造的改性工具的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取基体材料，对基体材料进行车削加工，加工为圆柱状，留出下一步的加工余量；
(2)对圆柱状基体材料进行铣削加工，得到改性工具末端的轮廓；
(3)对工具末端进行精磨和表面处理。
8.根据权利要求7所述的用于金属表面功能再造的改性工具的制造方法，其特征在于，步骤(1)中圆柱外径为改性工具的柄部外径2R，2R为6～16mm，圆柱长度为35～85mm。
9.根据权利要求7或8所述的用于金属表面功能再造的改性工具的制造方法，其特征在于，步骤(2)中对圆柱状基体材料进行铣削加工的参数设置为：
(a)改性工具末端由n个头部组成,各头部关于改性工具轴线中心对称，各头部之间的角度为360°/n，各头部由1/4球面和平滑过渡曲面构成；
(b)设定柄部半径为R，各1/4球面半径为r，其中R＝2r；
(c)在改性工具末端与柄部的过渡平面上，以改性工具的轴线与平面的交点为坐标原点建立坐标系，定义路径3，如式(1)所示：
Figure FDA0002977022910000021
其中，(x,y)为轨迹曲线二维轨迹曲线点，θ为参变量；
(d)设定平滑过渡曲面的一侧与1/4圆球面平滑连接，法向截面为半圆，其半径按照式(1)从r线性变化为0，平滑过渡曲面的法向截面的最高点的高度即为1/4球面半径。
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