CN212504990U - 一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，属于金属材料表面强化技术领域。表面纳米化加工装置为塔盘式表面纳米化加工装置，包括塔式刀盘、纳米化刀夹、纳米化加工刀头和球形加工滚珠。纳米化刀夹固定在塔式刀盘上，纳米化加工头连接在纳米化刀夹上，球形加工滚珠放置于纳米化加工刀头中，可自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工系统与曲轴器件的干涉。利用表面纳米化加工装置可实现空间狭小区域如曲轴器件圆角部位及曲柄臂的表面纳米化加工，通过工艺参数的优化可获得表面纳米组织结构层，从而提升曲轴的性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置。
背景技术
曲轴是发动机主要的核心部件之一，它的服役性能及可靠性直接影响到发动机及重载车辆、轨道车辆、轮船等主机的安全性能及服役寿命。曲轴在服役过程中承受交变载荷，如交变弯曲应力和扭转应力，且应力分布极不均匀。如曲轴的连杆轴与曲柄臂的过渡圆角、主轴与曲柄臂的过渡圆角等位置容易产生较大的应力集中，这就容易在圆角区域诱导疲劳裂纹的产生，甚至出现曲轴的疲劳断裂失效。现行提升曲轴性能的方法主要包括喷丸、圆角滚压、氮化和中频感应淬火等。喷丸对曲轴性能提升的幅度有限，且表面粗糙度值较高。圆角滚压技术往往用于铸铁曲轴圆角的强化，而对于锻钢类曲轴的强化效果有限，并且圆角滚压获得的残余压应力在服役过程中容易释放，因此锻钢曲轴对于圆角滚压技术使用较少。利用氮化技术可在曲轴表面产生较高硬度的氮化层，以提高曲轴的性能。但是后续的精加工会去除掉一定厚度的氮化层，降低了曲轴的强化效果；同时，氮化层与基体具有明显的界面，在苛刻的使役环境中存在氮化层与基体剥离的风险。随着节能减排的要求越来越高，氮化技术的使用也收到了一定程度的制约。近年来中频感应淬火在曲轴制造中的应用越来越广泛，中频感应淬火之后的曲轴表面硬度提升幅度较大，同时曲轴的疲劳强度也有大幅度的提高。但是中频感应淬火技术本身也存在一定的局限性，比如对于一些硬度设计指标要求高的曲轴，淬火工艺不易控制，淬硬层容易开裂，并且淬火曲轴易产生较大的变形，为后续精加工带来技术难度。
基于现行方法技术存在的局限，提出一种曲轴材料的表面可控复合强化技术。该技术将前期热处理工艺与表面机械滚压纳米化处理(SMRT)相结合，可对曲轴材料(如42CrMoA合金钢等)进行表面可控复合强化处理。而这种复合强化方法的加工系统结构较为简单，如果对曲轴实体器件尤其是圆角等部位进行加工处理时，加工系统会与曲轴圆角周边的结构发生干涉，不能实现曲轴器件尤其是圆角、曲柄臂立面等部位的处理。因此，针对曲轴实体器件的特殊结构，比如狭小空间的复杂曲面部位(主轴圆角、连杆轴圆角、曲柄臂立面等)，如何进行表面纳米化是亟待解决的技术难题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，可实现曲轴器件包括曲轴圆角等部位的表面纳米化，从而提升曲轴的性能。
本实用新型的技术方案是：
一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，其特征在于：该加工装置为塔盘式表面纳米化系统，它主要包括塔式刀盘、纳米化刀夹、纳米化加工刀头和球形加工滚珠，纳米化刀夹固定在塔式刀盘上，纳米化加工头连接在纳米化刀夹上，球形加工滚珠放置于纳米化加工刀头中，可自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工系统与曲轴器件的干涉。
所述球形加工滚珠可在所述纳米化加工刀头中360度自由滚动。
所述球形加工滚珠可方便地从纳米化加工刀头中拆卸。
纳米化加工刀头在纳米化刀夹上的安装时，可根据待加工曲轴的不同部位选择不同的偏转角度，然后再固定于塔式刀盘的外侧的不同刀位上。
使用前述实现表面纳米化的加工装置，通过表面纳米化工艺参数的优化设计在曲轴器件可纳米化加工部位表面得到表面梯度纳米组织结构层。
所述曲轴器件可纳米化加工部位包括但不限于主轴颈、连杆轴颈、主轴圆角、连杆轴圆角和曲柄臂。
所述表面纳米化加工过程由纳米化加工刀头的球形加工滚珠在曲轴表面的压入深度控制，根据待加工曲轴表面的结构特征进行加工轨迹规划，保证每个加工道次内的压入深度是固定的；加工道次不小于1次，同时，每个加工道次的压入深度均比上一次有所增加，以获得大应变及应变梯度，实现曲轴器件的纳米化处理。
根据待加工曲轴表面结构特征通过切换塔式刀盘角度的方式进行纳米化刀夹及纳米化加工头加工角度的切换，以避免加工系统与曲轴器件的干涉，同时使曲轴加工表面主要受正压力以减少剪切力，提升纳米化过程稳定性，获得不同深度的纳米结构层及不同的表面粗糙度。
本实用新型的表面纳米化加工装置充分考虑了空间位置的布局，根据曲轴器件尤其是圆角部位的结构特征及尺寸大小，优化了加工装置的结构型式，避免与曲轴器件结构尤其是圆角等可操作空间非常狭小的区域发生干涉，既能够伸入连杆轴颈与曲柄臂过渡圆角进行纳米化加工，同时也可实现主轴颈与曲柄臂过渡圆角、主轴颈及连杆轴颈等部位的纳米化加工。通过表面纳米化工艺参数(线速度、压入深度、处理道次、进给速度等)，可成功实现曲轴器件圆角等部位的表面纳米化处理。同时，利用切换塔式刀盘角度的方式改变纳米化加工头的加工角度，使曲轴加工表面主要受正压力并减少剪切应力，以提升纳米化过程稳定性，提高处理表面的光洁度，从而获得更优的表面纳米化效果。此外，本实用新型的表面纳米化加工装置可无缝嵌入到现有生产线的数控机床中，也可根据本实用新型的表面纳米化加工装置结合曲轴具体的结构型式及尺寸大小，进行纳米化专机的制作，表面纳米化工艺过程容易实现。
附图说明
图1为曲轴器件的表面纳米化加工装置中的刀夹。
图2为曲轴器件的表面纳米化加工装置中的加工刀头。
图3为曲轴器件的表面纳米化加工装置中的塔式刀盘。
图4为曲轴器件的表面纳米化加工过程示意图。
图中：1-刀夹；2-塔式刀盘安装孔；3-加工刀头安装孔；4-加工刀头；5-润滑油孔；6-球形加工滚珠；7-塔式刀盘；8-曲轴器件；9-曲轴圆角。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本实用新型。
本实用新型提出一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，该加工装置的加工过程示意图如图1-4所示。本实用新型的表面纳米化加工装置为塔盘式，其主要包括塔式刀盘7、纳米化刀夹1、纳米化加工刀头4和球形加工滚珠6。所述塔式刀盘 7为中间具有安装孔的圆盘状结构，塔式刀盘的外边缘上等间距安装若干个纳米化刀夹1，纳米化加工刀头4连接在纳米化刀夹1上；球形加工滚珠6放置于纳米化加工刀头4中，可自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工系统与曲轴器件8的干涉。同时球形加工滚珠6可方便地从纳米化加工刀头4中拆卸。纳米化加工刀头4在纳米化刀夹1上安装时，可根据待加工曲轴器件8的不同部位(包括曲轴圆角9)选择不同的偏转角度，然后再固定于塔式刀盘7的外侧的不同刀位上。塔式刀盘7可自由旋转，带动纳米化刀夹1及纳米化加工刀头4旋转至待加工部位。
所述纳米化加工刀头与球形加工滚珠的具体连接方式为：所述纳米化加工刀头的一端开有与球形加工滚珠相适应的内凹槽，圆形槽口的直径略小于球形加工滚珠的直径，从而将球形加工滚球的大部分限定于内凹槽中，从而使得球形加工滚球能够在内凹槽中自由转动。
本实用新型的具体实施过程如下：
在塔式刀盘7上装上不少于2个纳米化刀夹1。根据待加工曲轴器件8表面轮廓及结构尺寸，通过切换塔式刀盘7周向角度的方式进行纳米化刀夹1及纳米化加工头4加工角度的切换，避免加工装置与曲轴器件8结构的干涉，使待加工表面尤其是曲轴圆角9主要承受正压力，减少剪切力，以提升表面纳米化过程的稳定性，获得更深的梯度纳米结构层及更优的表面质量。表面纳米化加工装置可使用自带油路5系统进行润滑与冷却，也可利用外置油冷系统。表面纳米化加工过程由纳米化加工刀头4的球形加工滚珠6在曲轴表面的压入深度控制，根据待加工曲轴器件8 表面的结构特征进行加工轨迹规划，保证每个加工道次内的压入深度是固定的；加工道次不小于1次，同时，每个加工道次的压入深度均比上一次有所增加，以获得大应变、高应变速率和应变梯度，实现曲轴器件8尤其是曲轴圆角9的表面纳米化处理。
实施例1：
目标曲轴器件的连杆轴直径约为88mm，其材质为42CrMoA钢，待处理的位置为连杆轴圆角及周边部位。采用本实用新型的塔盘式表面纳米化加工装置进行处理，以获得表面梯度纳米结构层。以球形加工滚珠球心的加工轨迹为目标点进行加工路径的规划，每个加工道次下始终保证加工滚珠在加工曲面上的压入深度为固定值。进行3个加工道次的处理，各加工道次的压入深度分别为n1(～60μm)、n2(～80 μm)、n3(～120μm)。曲轴的旋转速度为18.5m/min；加工滚珠在曲轴加工曲面上的进给速度为2.5mm/min。疲劳性能试验采用曲轴标准弯曲疲劳模式，循环加载次数极限为107。
通过上述表面纳米化处理之后，获得的曲轴连杆轴圆角部位(如图2)表面粗糙度Ra为～0.3μm。曲轴的疲劳性能大幅度提升，弯曲疲劳试验过程中，连杆轴圆角部位未发生断裂；在提升疲劳加载载荷的条件下，断裂失效发生在未进行纳米化处理的主轴圆角处。
尽管本说明书的具体实施方式部分主要对曲轴器件的表面纳米化工艺进行了详细的描述，但本领域技术人员在阅读了本说明书的全部内容并参照附图之后，能够意识到本申请所述的实现表面纳米化的加工装置也适用于其他工业加工器件，例如车轮轴、主轴、凸轮轴、连杆、活塞和缸体等。
Claims (5)
1.一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，其特征在于：该加工装置为塔盘式表面纳米化系统，包括塔式刀盘、刀夹、加工刀头和球形加工滚珠，其中：所述纳米化刀夹为多个，分别固定在塔式刀盘外边缘上；所述加工刀头连接在纳米化刀夹上，所述球形加工滚珠放置于所述加工刀头中，球形加工滚珠可自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工装置与曲轴器件的干涉。
2.根据权利要求1所述的实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，其特征在于：所述球形加工滚珠可在所述纳米化加工刀头中360度自由滚动。
3.根据权利要求1所述的实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，其特征在于：所述球形加工滚珠与纳米化加工刀头之间为可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，其特征在于：纳米化加工刀头在纳米化刀夹上安装时，根据待加工曲轴的不同部位选择不同的偏转角度，然后再固定于塔式刀盘的外侧的不同刀位上。
5.根据权利要求1所述的实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，其特征在于：所述曲轴器件可纳米化加工部位包括主轴颈、连杆轴颈、主轴圆角、连杆轴圆角和曲柄臂。
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| CN111850266A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种实现曲轴器件表面纳米化的加工方法及加工装置 |
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