CN206069939U - 一种旋压刀具 - Google Patents
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Abstract
一种旋压刀具，属于金属表面强化方法技术领域。旋压刀具采用柱形结构，刀头采用弧面结构；在刀头设置有1～30个开口；或旋压刀具的柱形结构的底面上设置有1个或多个金属半球。金属表面旋压强化方法：1)清除金属表面油污和腐蚀产物；2)使旋压刀具与金属表面接触，且旋压刀具轴线与金属表面垂直；3)旋压刀具高速旋转，金属表面在刀具下方经过，刀具相对于金属工件旋压运动，到达处理面积时停止操作。本实用新型方法，适用于各种金属材料及其合金，如低强钢和高强钢，可提升金属表面强度和硬度，获得梯度组织结构，提升疲劳寿命；同时实施简单，工艺不复杂，有利于推广，有利于实现节能减排。
Description
技术领域
本实用新型属于金属表面强化方法技术领域，特别涉及一种旋压刀具。
背景技术
通过调研和统计分析发现，疲劳断裂是导致金属构件失效的主要原因，占金属构件失效案例总数的60％以上，因金属构件在服役过程中发生疲劳断裂，每年都会给社会带来巨大的经济损失，有时甚至导致人员伤亡，所以其危害甚大。从定义上看，疲劳断裂是指金属构件在交变载荷或循环载荷作用下长时间服役后发生断裂破坏的一种失效现象。
金属构件疲劳开裂过程可以分为两个主要阶段：裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段。对于大多数在交变载荷或循环载荷条件下服役的金属构件，疲劳裂纹主要从金属构件表面萌生，随后向构件心部扩展。在裂纹萌生的最初阶段，它很难被肉眼观察到，等裂纹开始快速扩展后，构件很快就发生断裂失效。因此，疲劳断裂破坏是很难预知的，也具有一定的突然性。
从理论上看，金属构件的疲劳寿命主要由两部分构成：裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。根据这一原理，无论是提高裂纹萌生寿命还是提高裂纹扩展寿命都对提高金属构件的疲劳寿命有益。尤其，提高裂纹萌生寿命有助于降低构件疲劳开裂的风险，对抑制金属构件高周疲劳开裂具有明显的效果。怎样才能提高构件的疲劳裂纹萌生寿命呢？
通常提高材料的疲劳强度或者降低构件的应力水平可以提高材料的疲劳寿命。鉴于疲劳裂纹通常在构件表面萌生，提高金属构件的表面强度可以抑制疲劳裂纹萌生并改善构件疲劳性能，即表面强化。因此，金属构件表面强化是抑制疲劳裂纹萌生的重要手段。
人们最早认识金属表面强化的作用始于上世纪初期，在对金属构件表面进行锤击和冲击后，无意中发现金属构件的疲劳性能有显著提升。据最早文献报道：在1926年，美国汽车公司采用喷丸的方法改善汽车用曲轴的疲劳性能。从此以后，喷丸、抛丸、喷沙和表面滚压等方法得到了广泛关注。通过大量的研究发现，喷丸和轧制可以向金属表面引入残余压应力，从而提高构件的疲劳性能。目前通过冷加工进行表面强化的主要方法包括：滚压、轧制、挤压、喷丸等。毫无疑问，喷丸是当下最成熟的表面强化技术，适用范围广泛且优点突出，不受构件几何形状限制，对大多数金属材料表面强化效果比较好。然而，喷丸也有一些缺点。
首先，喷丸是以向金属构件表面引入残余压应力为主的表面强化方法，它的缺点之一在于在通过正面的高速粒子撞击并不能产生良好的晶粒细化效果，尤其对高强材料晶粒细化效果更差。从本质上是通过表面冲击变形，引入大量位错，位错的塞积可以阻碍自身运动，提高表面金属的强度。虽然喷丸具有一定的表层晶粒细化效果，但晶粒细化主并不是喷丸的主要强化机制。经喷丸的金属构件，在表面承受拉应力时，因为残余压应力的存在，降低了应力水平，最终提高了构件的疲劳寿命。
其次，高能金属、陶瓷或玻璃颗粒轰击金属构件表面，产生的加工表面较为粗糙。从表面完整性角度出发，虽然构件力学性能提升，但对构件表面几何形状的影响会导致表面粗糙，致使其抗疲劳效果下降，这一点是喷丸类技术的弱点。
第三，喷丸加工时，个别能量较高的弹丸容易造成构件表面微裂纹。在喷丸表面强化加工时，由于粒子是随机运动，每一个粒子所具有的能量不同，个别运动速度较高且能量较大的粒子对构件表面轰击时，会对构件表面造成损伤，产生微裂纹，图1中给出了一种基体平均显微硬度为480HV的高强度钢表面喷丸后的样品截面形貌，图片的上边为喷丸表面，向下为基体。从图1中可以看到，形变层很薄，经统计，变形层平均深度为12μm。更值得注意的是，个别喷丸冲击的弹坑内虽然变形较大，但出现了微裂纹如图2所示，这种微裂纹对构件的疲劳性能影响很大，可能演化成为疲劳裂纹核心。微裂纹在构件表面相当于“缺口”，在这些微裂纹处随后可能萌生疲劳裂纹。
第四，采用喷丸处理高强度金属材料时表面强化效果较差。因为喷丸过程中，高能弹珠能量部分被反弹回去，部分转化成声波和热能，留在金属表面并且用于强化的能量会大大降低，这样强化效果就不理想，强化效率也较低。
据文献报道，喷丸对金属材料表面硬度提升效果为60％至150％，材料的强度越高，这种硬度提升效果越小。图3给出了过去十余年间，已发表文献中关于喷丸的学术论文数据统计结果，包括钢材、铝合金等多种金属材料。从图2中可以清楚看到喷丸对不同强度金属材料表面显微硬度的提升效果。图中方块代表基体平均显微硬度，而圆点代表喷丸后金属材料表面的显微硬度。总体上看，不同材料和不同工艺获得的表面强化效果也不尽相同，低强度材料喷丸强化效果较好，高强度材料喷丸表面强化效果略差。在现今的表面强化技术领域，对一些形状不规则的金属构件，喷丸是一种非常有效的表面强化方法。对于一些采用高强度金属材料制备的形状规则的金属构件，喷丸强化能力略显不足，这是其技术特点决定的，因而它不再是一种最为理想的强化手段。对于一些规则构件的表面强化需要考虑构件的表面完整性，主要包括两方面因素：表面力学性能和表面光洁度。因为缺口是影响高强度金属材料疲劳性能的重要因素，所以降低表面粗糙度可有效提升材料疲劳性能。
在传统表面强化方法中，应用最广的也是最成熟的方法就是喷丸强化。采用钢丸、陶瓷丸或玻璃丸，快速击打构件表面，从而使表面发生塑性变形，主要向构件表层金属中引入压应力，实现表面强化。它的优点是可适用于各种形状的构件，不受构件形状限制。它的缺点是，喷丸后金属构件表面粗糙，表层金属晶粒细化效果略差，个别能量较高的弹丸击打被加工金属表面容易随机产生表面微裂纹，尤其对高强度金属材料表面强化效果不理想。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种旋压刀具及金属表面旋压强化方法，该方法是一种金属表面强化技术，特别是一种通过旋压加工提高板类金属构件表面强度和硬度，实现梯度强化和硬化的加工方法。利用该方法对板类金属构件表面进行旋压加工可以获得具有硬度梯度的金属表层组织结构，实现金属表面强化和硬化。被加工金属构件能在交变载荷或循环载荷作用下长时间服役时，抑制疲劳裂纹在金属表面萌生，提高板类金属构件的耐磨性和疲劳寿命。
板类金属构件存在断裂失效问题：疲劳断裂是金属构件的主要失效方式，主要在金属构件承受交变载荷或循环载荷时发生，约占金属构件失效案例的60％以上。在机械装备制造过程中，经常会用到一些板类构件，如汽车的板簧等。然而，在对一些失效的板类构件进行分析后发现，板类构件的失效是由于在受拉力侧喷丸产生的微裂纹处萌生了疲劳裂纹，最终导致构件疲劳断裂。
延长疲劳寿命。金属构件疲劳断裂失效过程主要分为两个阶段：裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段。改善金属构件的疲劳寿命要着重改善裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。尤其，抑制裂纹萌生更有利于延长金属构件的疲劳寿命，从而降低金属构件的使用成本。金属构件的疲劳裂纹一般都从表面萌生，如果在加工过程中和使用过程中产生表面损伤，就更容易萌生疲劳裂纹，因而提高金属构件的表面强度是抑制疲劳裂纹萌生的有效方法，同时也有利于提高金属构件表面的耐磨性，降低外来损伤几率。
本实用新型提供了一种金属表面强化方法：金属表面旋压强化方法。这种表面强化方法适用于各种金属材料，对低强度金属材料制备的金属构件表面强化效果非常显著，尤其适用于高强度金属材料制备的金属构件，在高强金属构件表面强化领域优势突出。金属表面旋压强化方法适用于各种强度的铁合金、钛合金、铜合金、铝合金和镁合金材料，它能够显著提升金属的表面强度和硬度，抑制疲劳裂纹萌生并提高金属构件服役安全性，改善金属构件的疲劳寿命。金属表面旋压强化方法的主要目的包括：a.提高金属构件表面强度和硬度，尤其是实现板类金属构件的表面强化。b.提高金属构件表面的耐磨性，减轻表面摩擦损伤。c.通过金属表面旋压强化抑制疲劳裂纹萌生，提升金属构件(如板簧)的疲劳性能，延长金属构件在交变载荷或循环载荷条件下的服役寿命。d.增加金属构件的科技含量，增加金属构件的科技附加值。
本实用新型的旋压刀具，所述刀具采用柱形结构，刀头采用弧面几何结构。
所述的旋压刀具的刀头设置有开口。
所述旋压刀具的开口数量为1～30个，且沿周向均布设置。所述的旋压刀具的柱形的底面上设置有凸出的金属半球，金属半球的弧面作为刀头。
所述旋压刀具的金属半球数量为1～500个，且沿柱形底面周向均布设置。
所述旋压刀具材料的硬度高于被加工金属初始表面硬度。
所述旋压刀具的材料为碳钢、高温合金、高速工具钢或陶瓷材料中的一种。
采用上述的旋压刀具，进行金属表面旋压强化方法为：
步骤1：对金属表面除油、除污、和除腐蚀产物；
步骤2：使旋压刀具与金属表面接触，且旋压刀具轴线与被加工金属表面垂直；
步骤3：旋压刀具高速旋转，金属表面在刀具下方经过，刀具相对于金属工件旋压运动，到达处理面积时停止操作；其中，旋压刀具的下压量为0.000001～5mm，进刀速度为0.000001～3.0m/min，刀具转数为1～10000转/分钟。
所述的步骤1，采用喷沙的方法清除金属表面的油污和腐蚀产物。
所述的步骤3中，采用铣床使旋压刀具快速旋转，向金属表面施加剪切应力，引入残余压应力，实现表层晶粒细化，获得梯度微观组织，实现加工硬化。
本实用新型的金属表面旋压强化方法，根据材料学中细晶强化和加工硬化的原理：实际使用的金属结构材料大多是多晶体，可以采用细晶强化和加工硬化提高材料强度。Hall 1951和Petch 1953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。金属表面旋压加工后，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。
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：
σ0＝σj+αGbρ-1/2 (公式2)
式中，σ0，加工硬化后金属强度，MPa；σj，加工硬化前金属强度，MPa；G，剪切模量；ρ，位错密度；b，伯氏矢量。根据公式2，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。
金属表面旋压强化充分利用了上述两种强化机制，提升板类金属构件的表面强度和硬度，抑制疲劳裂纹萌生，提高构件疲劳寿命，同时也改善了构件的耐磨性。
本实用新型的金属表面旋压强化方法，与现有技术相比，有益效果为：
(1)采用本实用新型的金属表面旋压强化方法加工低强钢和高强钢等金属材料均可以显著提升表面强度和硬度。
(2)采用本实用新型的金属表面旋压强化方法加工低强钢和高强钢等金属材料可以获得梯度组织结构。
(3)采用本实用新型的金属表面旋压强化方法加工低强钢和高强钢等金属材料可以提升弯曲疲劳寿命。
(4)本实用新型的金属表面旋压强化方法对金属构件实施表面强化，可以大幅度提高金属构件疲劳寿命，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。金属表面旋压强化技术是一种冷加工表面强化技术，该技术可以通过大幅度提升金属表面硬度和强度，最终提高板类金属构件的疲劳寿命。这会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。金属表面旋压强化方法实施比较简单，工艺不复杂，有利于推广。
附图说明：
图1喷丸构件截面弹坑处组织形貌；
图2喷丸构件表面损伤处的微裂纹截面形貌；
图3喷丸对不同金属材料的表面硬度的提升效果统计图；
图4本实用新型实施例1的旋压刀具结构示意图；
图5本实用新型实施例1的旋压刀具结构示意图；
图6本实用新型实施例1的金属表面旋压强化方法的示意图；
图7本实用新型实施例1的金属表面旋压强化方法的强化原理示意图；
图8本实用新型实施例1的金属表面旋压强化处理后的60Si2Mn弹簧钢表面宏观形貌；
图9 60Si2Mn弹簧钢不同处理条件下的显微硬度分布曲线；
图10本实用新型实施例1的金属表面旋压强化处理后的60Si2Mn弹簧钢截面不同位置显微硬度梯度关系；
具体实施方式
实施例1
一种旋压刀具，如图4所示，所述刀具采用圆柱形结构，刀头采用弧面几何结构，在刀头设置有4个开口，如图5所示，开口位置沿周向均布设置。设置开口的作用是将磨损产生的少量金属细屑从刀具中心甩离，同时加速刀具冷却，减少加工产生的少量金属屑和加工产生的温度对刀具的危害。
所述旋压刀具的材料为W18Cr4V高速工具钢，待处理的金属基体为平均显微硬度为480HV，抗拉强度1600MPa的60Si2Mn弹簧钢。
采用上述的旋压刀具，进行60Si2Mn弹簧钢表面旋压强化方法为：
步骤1：采用喷沙的方法清除60Si2Mn弹簧钢表面的油污和锈层；
步骤2：使旋压刀具与60Si2Mn弹簧钢表面接触，且旋压刀具轴线与被加工的60Si2Mn弹簧钢表面垂直；
步骤3：采用铣床使旋压刀具快速旋转，刀具相对于60Si2Mn弹簧钢旋压运动，向60Si2Mn弹簧钢表面施加剪切应力，即引入残余压应力，实现表层晶粒细化，实现加工硬化，获得梯度微观组织，达到处理面积时停止操作；其中，旋压刀具的下压量为300μm，进刀速度为500μm/min，刀具转数为600转/分。
本实施例的金属表面旋压强化方法，其旋压强化加工强化示意图如图6所示：60Si2Mn弹簧钢表面旋压加工机构核心主要由旋压刀具和被加工金属平板构成；通过设备给旋压刀具施加下压载荷；利用刀具自身旋转向构件表层金属中引入剪切应力；构件沿着垂直于刀具轴线的方向在刀具下方匀速运动。
其旋压表面强化原理示意图如图7所示：60Si2Mn弹簧钢表面旋压强化基本原理是通过刀具与金属构件表面紧密接触，利用刀具的旋转对工件施加剪切应力使金属表面晶粒细化实现细晶强化，利用刀具的下压向工件表层引入残余压应力实现加工硬化。
本实施例加工后的60Si2Mn弹簧钢表面宏观形貌如图8所示，加工后的60Si2Mn弹簧钢显微硬度分布曲线，如图9中曲线3S-300所示，表面显微硬度的显著提升，表面显微硬度提升了21％，同时，获得了硬度梯度，根据显微硬度梯度判断，硬化层深度达到150μm，金属表面旋压强化的效果明显优于传统喷丸强化效果；图9中曲线(Shot peening)为喷丸强化加工后60Si2Mn弹簧显微硬度分布曲线，对比图9曲线3S-300可见，旋压强化与喷丸强化后表面硬度梯度层相比较，旋压强化表面强度更高；硬度梯度层更深，表明旋压强化具有良好的强化效果，尤其说明在高强钢强化上，更具有明显优势。本实施例的金属表面旋压强化处理后的60Si2Mn弹簧钢截面不同位置显微硬度梯度关系如图10所示。
Claims (5)
1.一种旋压刀具，其特征在于，所述的刀具采用柱形结构，刀头采用弧面几何结构；所述的柱形结构为四棱柱结构、六棱柱结构或圆柱形结构；在刀头设置有开口；所述的旋压刀具的柱形结构的底面上设置有凸出的金属半球。
2.根据权利要求1所述的旋压刀具，其特征在于，所述旋压刀具的开口数量为1～30个，且沿周向均布设置。
3.根据权利要求1所述的旋压刀具，其特征在于，所述旋压刀具的金属半球数量为1～500个，且沿周向均布设置。
4.根据权利要求1所述的旋压刀具，其特征在于，所述旋压刀具材料的硬度高于被加工金属初始表面硬度。
5.根据权利要求1所述的旋压刀具，其特征在于，所述旋压刀具的材质为碳钢、高温合金、高速工具钢或陶瓷材料中的一种。
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2016
- 2016-05-27 CN CN201620507842.0U patent/CN206069939U/zh not_active Expired - Fee Related
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