CN115415735A - 一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无切屑加工领域，具体是一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具及使用方法。滚压刀具包括纳米化用滚珠、滚珠限位器、滚珠支撑架、低阻尼轴承、销钉、刀柄等，滚珠和滚珠限位器内部接触，滚珠与滚珠支撑架接触，滚珠支撑架与轴承过盈配合，轴承通过销钉及螺丝与刀柄链接。整个装置结构简单，成本低廉，尤其是耗材成本极低，使用寿命大幅度延长，加工效率大幅度提高，加工材料后表面粗糙度也大幅度降低。在金属加工领域，如：实验室、航天、核电领域均有较高的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及无切屑加工领域，实现金属表面纳米化或金属表面抛光的表面处理技术，具体是一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具及使用方法，通过在车床上对轴类金属材料表层进行处理，在铣床上对平板材料进行处理，在金属材料表层形成纳米梯度组织以提高材料性能。
背景技术
细化金属材料微观结构尺寸的方法主要是严重塑性变形技术。通过塑性变形在材料晶粒内部引入高密度的晶界(如：孪晶界、大角晶界和小角晶界)，从而实现晶粒细化。基于这一原理而开发的技术有：高压扭转(high pressure torsion，HPT)、动态塑性变形(dynamic plastic deformation，DPD)、等通道角挤压(equal channel angularpressing，ECAP)和累积叠轧(accumulative roll bonding，ARB)等。利用这些技术虽然可以制备出致密且无污染的块体纳米结构材料，但是设备工作效率低、成本高，以及处理材料的类型、形状和几何尺寸具有很大的局限性。此外，研究表明，对于熔点较低的高纯金属，已有的塑性变形处理技术不能有效的细化其微观结构尺寸。
以纯铝为例，通过HPT和ECAP技术处理获得的最小晶粒尺寸分别是1.2μm(参考文献1:C.Xu等,ActaMater.(材料学报),2007；55:203-212)和0.5μm(参考文献2:Y.Iwahashi等,ActaMater.(材料学报),1998；46:3317-3331)。进一步增加塑性变形时晶粒不再细化，微观结构趋于稳态达到极限晶粒尺寸。出现这一现象的原因是塑性变形主导的位错增殖与动态回复主导的位错湮灭达到动态平衡，进一步变形位错密度不再变化。如何突破极限晶粒尺寸限制，进一步强化金属材料，获得优异综合性能一直是纳米金属材料研究领域的重大难题之一。处理轴类金属材料表面形成梯度纳米结构的方法有：表面机械研磨处理方法、滚压方法、表面机械碾压方法。表面机械研磨处理方法是通过高速运动的弹丸撞击被处理材料表面，在材料表层产生强烈的塑性变形。缺点：被处理材料表面粗糙度较大。表面机械碾压方法是通过刀具对工件(试样)表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流变而使组织发生晶粒细化，从而提高工件表面的强度和耐磨性。缺点：加工后工件的表面光洁度还是不够好。
滚压技术加工原理：它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，利用滚压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到工件表面粗糙值降低。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织加工硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性。滚压是一种无切削的塑性加工方法。
滚压加工技术安全、方便，能精确控制精度，几大优点：
1、提高表面粗糙度，粗糙度基本能达到Ra≤0.04μm左右。
2、修正圆度，椭圆度可≤0.01mm。
3、提高表面硬度，使受力变形消除。
4、加工后有残余应力层，疲劳强度提高30％。
5、提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用反而降低。
滚压方法的实施主体是滚压刀具，它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，通过滚压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到提高工件表面光洁度。缺点：现有滚压技术是不能使工件表面形成纳米晶体结构，现有滚压技术对材料表面加工的深度过浅，现有滚压技术加工速率过低。对提高工件的表面硬度是有限的。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具及使用方法，对金属材料表层进行处理提高材料性能，解决一般球型滚压方式压入深度不足、滚压速率过慢、滚压阻力过大，单轮滚压方式无法形成纳米尺度晶粒层，同时使得试样表面形成纳米晶体结构。
本发明采用如下的技术方案：
一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，该滚压刀具包括：滚珠、滚珠限位器、销钉、滚珠支撑架、轴承、支撑底座、刀柄，具体结构如下：
刀柄上设有支撑底座，支撑底座通过螺丝固定在刀柄上，滚珠支撑架通过轴承及轴承内销钉与支撑底座相连，轴承内圈通过销钉及螺丝固定在支撑底座上，滚珠支撑架内圈与轴承外圈过盈配合；滚珠支撑架和支撑底座的外围设置滚珠限位器，滚珠支撑架的外形为鼓形结构，其外弧面与滚珠限位器的上部内弧面相对应，支撑底座外圈为螺纹设计且与滚珠限位器的下部内圈通过螺纹连接；滚珠支撑架的外弧面顶部和底部分别设有凹槽，滚珠限位器的顶部开设与滚珠支撑架位于顶部凹槽对应的圆孔，滚珠安装于滚珠支撑架的凹槽和滚珠限位器的圆孔之间。
所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠支撑架的外弧面顶部和底部分别设有V型或者半圆型凹槽。
所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠限位器开设的圆孔直径小于滚珠直径，使滚珠既能露出1/3又不会掉出滚珠限位器，滚珠在滚珠支撑架的凹槽和滚珠限位器的圆孔之间自由滚动。
所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚压刀具由刀柄固定在车床或者铣床的刀架上。
所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，轴承选用低阻尼轴承，高精度低阻尼轴承的材质为高强度轴承钢。
所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠采用硬质合金球或高硬度陶瓷球，滚珠限位器与滚珠支撑架使用耐磨、高硬度、拥有良好韧性的轴承钢或模具钢。
所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠的直径为Φ4～Φ20mm，滚珠限位器开设的圆孔直径为Φ3.5～Φ19.5mm。
一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具的使用方法，当加工轴类金属工件时，将滚压刀具固定在车床的车刀架上，欲加工金属工件固定在三爪卡盘上，将滚压刀具压入金属工件表面10～60μm，开动机床沿单方向加工金属工件，三爪卡盘转速为30～4000转/分，加工完一道次，停止加工，将刀具移至金属工件的起始加工位置，加大进刀量继续加工金属工件；从而，通过硬质合金球在旋转的金属材料表面进行滚动，滚压刀具沿金属工件做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使金属工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织；
当加工平板金属工件时，将滚压刀具固定在铣床上，将滚压刀具压入金属工件表面10～60μm，开动铣床沿单方向加工金属工件，加工完一道次，停止加工，将刀具移至金属工件的起始加工位置，加大进刀量继续加工金属工件；从而，通过硬质合金球在旋转的金属材料表面进行滚动，滚压刀具沿金属工件做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使金属工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。
所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具的使用方法，滚压刀具的工艺参数如下：滚压速度≥1800r/min，应变速率10～105s-1。
本发明的设计思想是：
利用高精度轴承的滚动摩擦阻力小的特点，由传统的滚压技术(SMRT)中滚压刀头的滑动摩擦转变为滚动摩擦，已知金属间滑动摩擦系数约为0.05～0.2，而角接触滚动轴承摩擦系数仅为0.0012～0.002，在本发明滚压技术摩擦阻力仅为传统滚压技术的1％～2.4％。根据相关文献报道，滚压技术中，影响被加工面表面光洁度及加工深度的最为主要的因素之一就是滚压刀头与被加工材料之间的摩擦阻力，摩擦阻力越小，得到的被加工材料表面光洁度越好。因此，相较于传统滚压技术，本发明可进行更多的加工次数，获得更深的纳米金属层，更高的加工效率(实验室保守测试可达原加工效率的5倍以上)，以及加工后材料获得更好的表面光洁度。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明涉及滚压技术，但又区别于传统滚压技术。本发明的关键在于所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，在对轴类及平板金属材料表层进行加工时，继承了滚压技术的优点，与传统滚压技术相比，本发明滚压刀具在加工轴类及平板类金属材料时大幅度的减小了被加工金属材料表层的晶粒尺寸，同时大幅度加深了纳米层厚度，使得被加工金属材料表层的强度也显著增强。
2、本发明滚压刀具通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时刀具沿试样做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。由于阻尼变小，因此可经行多次大深度滚压，同时获得的金属表面光洁度比传统滚压更高。
3、本发明滚压刀具投资少、耗材耐久度延长、耗材成本降低，操作简单方便。
4、本发明滚压刀具包括纳米化用滚珠、滚珠限位器、滚珠支撑架、低阻尼轴承、销钉、刀柄等，滚珠和滚珠限位器内部接触，滚珠与滚珠支撑架接触，滚珠支撑架与轴承过盈配合，轴承通过销钉及螺丝与刀柄链接。整个装置结构简单，成本低廉，尤其是耗材成本极低，使用寿命大幅度延长，加工速率大幅度提高，加工材料后表面粗糙度也大幅度提高。在金属加工领域，如：实验室、航天、核电领域均有较高的推广价值。
附图说明
图1(a)-(c)为本发明滚压刀具结构示意图。其中，图1(a)为主视图，图1(b)为图1(a)中的A-A剖视图，图1(c)为3D仿真透视图。图中附图标记：1滚珠，2滚珠限位器，3销钉，4滚珠支撑架，5轴承，6支撑底座，7刀柄，8凹槽。
图2为本发明滚压刀具的实际应用示意图。
图3为传统滚压刀具的工作示意图。图中附图标记：1滚珠，9传统滚压刀头，10润滑油路，11轴类试样。
图4为本发明滚压刀具的滚压件与传统滚压刀具的滚压件的性能对比图。图中，横坐标Depth代表深度(μm)，纵坐标Microhardness代表硬度(HV)。Φ24-9p为本发明滚压刀具，Φ6-6p为传统滚压刀具，被加工金属材料为304不锈钢。
图5为本发明轴类金属材料表面形成纳米梯度组织图。其中，A为试样图；B为变形层图；C为变形层放大图，GNG代表纳米晶粒层，Deformed CG代表细晶层，CG代表未变形粗晶层；D为纳米梯度组织图。
具体实施方式
下面，通过附图对本发明进一步详细描述。
如图1(a)-(c)、图2所示，本发明对金属材料表层进行处理提高材料性能的滚压刀具，主要包括：滚珠1、滚珠限位器2、销钉3、滚珠支撑架4、轴承5、支撑底座6、刀柄7，滚压刀具由刀柄7固定在车床或者铣床的刀架上，具体结构如下：
刀柄7上设有支撑底座6，支撑底座6通过螺丝固定在刀柄7上，滚珠支撑架4通过轴承5及轴承内销钉3与支撑底座6相连，滚珠支撑架4可绕轴承5自由旋转，轴承5内圈通过销钉3及螺丝固定在支撑底座6上，滚珠支撑架4内圈与轴承5外圈过盈配合。滚珠支撑架4和支撑底座6的外围设置滚珠限位器2，滚珠支撑架4的外形为鼓形结构，其外弧面与滚珠限位器2的上部内弧面相对应，支撑底座6外圈为螺纹设计且与滚珠限位器2的下部内圈通过螺纹连接。
滚珠支撑架4的外弧面顶部和底部分别设有V型或者半圆型凹槽8，滚珠在V型槽中的滚动稳定性更好，滚珠在半圆形槽中的损耗更低。滚珠限位器2的顶部开设与滚珠支撑架4位于顶部凹槽8对应的圆孔，滚珠1安装于滚珠支撑架4的凹槽8和滚珠限位器2的圆孔之间，滚珠限位器2开设的圆孔直径要小于滚珠1直径，使滚珠1既能露出约1/3又不会掉出滚珠限位器2，滚珠1在滚珠支撑架4的凹槽8和滚珠限位器2的圆孔之间自由滚动，所产生的摩擦力为滚动摩擦力。
其中，轴承5选用低阻尼轴承，低阻尼轴承的材质为：轴承钢，以SKF7201为例设计一种角接触球轴承，其技术指标如下：内径12mm，外径32mm，厚度10mm，因此滚珠1在滚珠支撑架4上的旋转阻尼非常低，在滚压的过程中可以达到较高的滚压速率。滚珠1一般使用硬质合金或高硬度陶瓷制作，本实施例采用钴基碳化钨(WC/Co)。滚珠限位器2与滚珠支撑架4需要使用耐磨、高硬度、拥有良好韧性的材料制作，如：轴承钢、淬火模具钢等。
如图3所示，传统滚压刀头9的前端安装滚珠1，滚动摩擦阻力很大，在传统滚压刀头9的中心开设润滑油路10与滚珠1相应，并通过其中的润滑油对滚珠1进行润滑，轴类试样11以转速V1转动的同时，传统滚压刀头9通过滚珠1对轴类试样11进行滚压，传统滚压刀头9在水平移动速率V2进行滚压加工。
本发明中，滚珠支撑架4因与滚珠1滚动摩擦，本发明滚压刀具在工作时，滚珠支撑架4与滚珠1的损耗都非常低，相比于图3中使用的传统滚压刀头9与其滚珠1之间的静摩擦方式，寿命大幅度延长，经过实验室测定，同种实验条件下，同材质滚珠1的使用寿命比传统滚珠1的使用寿命可延长约20倍，本发明滚压刀具(图1)中的刀具支撑架2与图3中传统滚压刀头9的使用寿命相比可延长约200倍以上。
本发明中，滚珠1的直径可为Φ4～Φ20mm，同时配套使用的滚珠支撑架4及滚珠限位器2也需要相应的调节尺寸，滚珠限位器2开设的圆孔直径约为Φ3.5～Φ19.5mm。实验证明：滚珠直径越小，其纳米晶粒尺度越小。单轮滚压由于其直径过大，导致金属材料表面应变速率过低，应力过小，因此无法形成纳米尺度晶粒。
如图1(a)-(c)、图2所示，以加工轴类(如：棒状)材料为例，该超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具的使用方法如下：
将本发明滚压刀具固定在车床的车刀架上，欲加工轴类金属试样固定在三爪卡盘上，将滚压刀具压入轴类金属试样表面10～60μm，开动机床沿单方向加工试样，三爪卡盘转速为30～4000转/分，加工完一道次，停止加工，将刀具移至试样的起始加工位置，加大进刀量继续加工试样；从而，通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，滚压刀具沿试样做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。
本发明滚压刀具的滚压线速度(效率)可提高至传统球型滚压刀具的5倍以上，以304不锈钢为实验材料，目前已测滚压速率可达到4000r/min，滚压速率上限未知，单次滚压深度可达200μm。对比专利：对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具及使用方法(公告号CN103074475B)，其最大滚压速率仅为600r/min，单次滚压最大深度也仅为40μm。采用本发明滚压刀具可极大的提高加工速率，节省时间的同时，加工速率提高，同时应变速率提高，晶粒细化效果也显著提高，表面光洁度对比传统滚压方式也大幅度提高。
本实施例中，滚压刀具的工艺参数如下：
滚压速度V1：2000r/min；
进刀速率V2:：0.05mm/r；
圆棒初始直径：20mm；
每道次滚压深度：40μm；
滚压球直径D：20mm
总滚压道次：9。
如图2所示，本发明滚压刀具在使用直径为Φ8mm的滚珠1滚压304不锈钢轴类试样时，单次压入深度为40μm，压入总次数为9道次，总压入深度达360μm，在此压入深度下，滚珠1依然可以良好运行，本发明滚压刀具(图1)的可滚压深度远超传统滚压刀具(图3)，获得纳米层深度也远超传统滚压方式。
如图4所示，本发明滚压刀具的滚压件与传统滚压刀具的滚压件的深度与硬度关系对比可以看出，本发明滚压刀具(图1)在使用直径为Φ8mm的滚珠1滚压304不锈钢轴类试样时，因为其特殊结构，滚珠滚动阻力极低，刀头处滚珠的损耗也相应降低，同时可对材料表面进行更大尺度的压入深度，使纳米层深度大幅度增厚，经测试，其滚压后304不锈钢轴类试样的纳米层影响深度可达2000μm(图4中24-9P)；对比传统滚压刀头(图3)深度为1200μm(图4中6-6P)，提升纳米层深度约80％。同时，相比于传统滚压刀具(图3)使用过程中需要使用油冷及润滑剂，本发明滚压刀具(图1)由于其特殊低阻尼结构，无需使用润滑剂，加工过程中使用滚动摩擦代替滑动摩擦，加工产生热量也大幅度降低，因此同时也解决了传统滚压技术中因材料摩擦生热导致细化晶粒增大的问题。
如图5所示，从本发明轴类金属材料表面形成纳米梯度组织图可以看出，金属材料晶粒尺度由表面向材料内部梯度逐渐增大，表层晶粒尺度小于50nm。
实施例结果表明，本发明滚压刀具相对与滚轮式滚压刀具(中国专利公开号CN202643780U)中所述，具有更小的滚压接触面积及更大的压应力，同等压入深度时，经计算，当滚轮直径为25mm时，同等加工速率下，本发明滚压刀具应变速率提高9倍以上。实验室测得应变速率越高，则晶粒细化效果越好。
Claims (9)
1.一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，该滚压刀具包括：滚珠、滚珠限位器、销钉、滚珠支撑架、轴承、支撑底座、刀柄，具体结构如下：
刀柄上设有支撑底座，支撑底座通过螺丝固定在刀柄上，滚珠支撑架通过轴承及轴承内销钉与支撑底座相连，轴承内圈通过销钉及螺丝固定在支撑底座上，滚珠支撑架内圈与轴承外圈过盈配合；滚珠支撑架和支撑底座的外围设置滚珠限位器，滚珠支撑架的外形为鼓形结构，其外弧面与滚珠限位器的上部内弧面相对应，支撑底座外圈为螺纹设计且与滚珠限位器的下部内圈通过螺纹连接；滚珠支撑架的外弧面顶部和底部分别设有凹槽，滚珠限位器的顶部开设与滚珠支撑架位于顶部凹槽对应的圆孔，滚珠安装于滚珠支撑架的凹槽和滚珠限位器的圆孔之间。
2.按照权利要求1所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，滚珠支撑架的外弧面顶部和底部分别设有V型或者半圆型凹槽。
3.按照权利要求1所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，滚珠限位器开设的圆孔直径小于滚珠直径，使滚珠既能露出1/3又不会掉出滚珠限位器，滚珠在滚珠支撑架的凹槽和滚珠限位器的圆孔之间自由滚动。
4.按照权利要求1所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，滚压刀具由刀柄固定在车床或者铣床的刀架上。
5.按照权利要求1所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，轴承选用低阻尼轴承，高精度低阻尼轴承的材质为高强度轴承钢。
6.按照权利要求1所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，滚珠采用硬质合金球或高硬度陶瓷球，滚珠限位器与滚珠支撑架使用耐磨、高硬度、拥有良好韧性的轴承钢或模具钢。
7.按照权利要求1所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，滚珠的直径为Φ4～Φ20mm，滚珠限位器开设的圆孔直径为Φ3.5～Φ19.5mm。
8.一种权利要求1至7之一所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具的使用方法，其特征在于，当加工轴类金属工件时，将滚压刀具固定在车床的车刀架上，欲加工金属工件固定在三爪卡盘上，将滚压刀具压入金属工件表面10～60μm，开动机床沿单方向加工金属工件，三爪卡盘转速为30～4000转/分，加工完一道次，停止加工，将刀具移至金属工件的起始加工位置，加大进刀量继续加工金属工件；从而，通过硬质合金球在旋转的金属材料表面进行滚动，滚压刀具沿金属工件做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使金属工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织；
当加工平板金属工件时，将滚压刀具固定在铣床上，将滚压刀具压入金属工件表面10～60μm，开动铣床沿单方向加工金属工件，加工完一道次，停止加工，将刀具移至金属工件的起始加工位置，加大进刀量继续加工金属工件；从而，通过硬质合金球在旋转的金属材料表面进行滚动，滚压刀具沿金属工件做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使金属工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。
9.按照权利要求8所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具的使用方法，其特征在于，滚压刀具的工艺参数如下：滚压速度≥1800r/min，应变速率10～105s-1。
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