CN216039703U - 一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具，包括旋压刀具、锁母、内压圈和滚珠；旋压刀具刀头的端面内设置有环形凹槽，刀头的外壁设置有外螺纹；锁母的一端设置有环形压板，锁母的内壁设置有内螺纹，锁母和旋压刀具通过内、外螺纹的配合而彼此连接，在刀头端面与环形压板之间具有容纳空间；内压圈设置在容纳空间内并由环形压板限位，内压圈上设置有通孔；滚珠顶抵在环形凹槽上且至少部分地经由通孔从内压圈突出。本实用新型适用于各种金属材料及合金，不仅使金属表面受到纳米化处理，提高试样表面的硬度和强度，达到细晶强化的目的，还在金属表面引入了残余压应力，提高材料的抗疲劳性能；同时实施简单，有利于大面积推广。

Description

一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具

技术领域

本实用新型涉及金属表面强化技术，特别涉及一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具。

背景技术

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失效的一种失效模式。通过调研和统计分析发现，金属材料的失效可能是由于自身强度不足导致的断裂失效，但更多的是由于金属表面或者焊接接头局部存在各类缺陷，继而在承载过程中疲劳断裂失效。这些缺陷在实际工程承载中成为整个结构的薄弱环节，疲劳裂纹几乎全部从表面缺陷处启裂。

此外，相较于未经强化处理的结构表面，经过表面强化和致密化处理后的结构表面强度以及致密度都会被大幅度提高，服役时的表面耐磨性和抗腐蚀能力都会随之得到改善。

CN101012493公开了一种《金属表面纳米化的方法》，该方法将刚性圆柱体垂直放置在金属材料上，并将该刚性圆柱体旋转摩擦金属材料表面，旋转摩擦使金属材料表面产生强烈的塑性变形，导致晶粒细化，最终实现金属材料表面纳米化。该发明通过移动圆柱体或被加工工件或试样实现持续反复加工，将纳米材料的优异性能很好地嫁接到普通金属材料上面。但是使用圆柱体直接摩擦金属表面，会对金属表面造成严重的损伤，这些损伤会严重降低结构的承载，尤其抗疲劳能力；此外，由于使用单个刚性圆柱体碾压速度和强度都较低，所以金属材料表面的强化、纳米化程度都比较低。

目前对于金属表面的强化的主要方法包括：滚压、轧制、挤压和喷丸等。喷丸是当下最成熟的表面强化技术，适用范围广且优点突出，不受构件几何形状限制，对于大多数金属材料的表面强化效果良好。但是，喷丸也导致一定数量的缺陷。

第一，喷丸通过正面的高速粒子碰撞来实现表面强化，这种方式是以引入残余压应力为主的一种表面强化方式，表面晶粒的细化程度有限，尤其是对于高强材料的晶粒细化效果更为有限。经喷丸的金属构架，在服役过程承受疲劳载荷时，由于残余压应力的存在，降低了疲劳应力水平，最终提高了构件的疲劳寿命。

第二，高能金属、陶瓷或玻璃颗粒等轰击金属表面，虽然引入了残余压应力，但是加工表面较为粗糙；同时，喷丸处理过程中，个别能量高的弹丸容易造成表面微裂纹，这些对于结构服役的疲劳性能都有很大影响。其中，微裂纹的影响更为显著，可能演化成为疲劳裂纹核心，萌生疲劳裂纹。

第三，喷丸处理对于高强度金属材料的表面强化效果较差，因为喷丸过程中，高能弹珠的能量部分被耗散，转化为声波和热能，用于强化金属的能量会大大降低，强化效率降低，故而强化效果也不甚明显。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具，通过对金属表面进行流畅滚压，使金属构件表面得到强化和硬化。当构件在服役过程中承受交变载荷或者循环载荷时，疲劳裂纹在金属表面的萌生受到抑制，构件表面的耐磨性、抗蚀性也得到了提高。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具，包括：

旋压刀具，所述旋压刀具具有刀头，在所述刀头的端面内设置有环形凹槽，所述刀头的外壁设置有外螺纹；

锁母，在所述锁母的一端设置有在径向方向上向内伸出的环形压板，所述锁母的内壁设置有内螺纹，所述锁母和所述旋压刀具通过所述内螺纹和所述外螺纹的配合而彼此连接，并且在所述刀头端面与所述环形压板之间具有容纳空间；

内压圈，所述内压圈设置在所述容纳空间内并由所述环形压板限位，所述内压圈上设置有通孔；以及，

滚珠，所述滚珠顶抵在所述环形凹槽上且至少部分地经由所述通孔从所述内压圈突出，其中，所述滚珠的直径大于所述通孔的直径。

进一步地，所述滚珠的数量与所述通孔的数量相同。

进一步地，所述滚珠在圆周上均匀分布。

进一步地，所述滚珠的直径大于所述环形凹槽底部到所述锁母顶部的距离。

进一步地，所述内压圈与所述旋压刀具之间光滑接触，使得所述内压圈与所述旋压刀具之间能发生相对转动，保障所述滚珠灵活滚动。

进一步地，所述内压圈的直径与所述旋压刀具刀头的直径相同，并且，所述内压圈的直径大于所述环形压板的内直径。

进一步地，所述通孔为在纵向上直径减缩的圆台形结构，所述通孔靠近所述环形凹槽的一侧的直径大于远离所述环形凹槽的一侧的直径，从而保障所述滚珠的流畅转动。

进一步地，所述容纳空间的高度大于所述内压圈的厚度，使得所述锁母与所述内压圈之间存在间隙，从而保障所述滚珠转动的灵活性。

本实用新型的有益效果是：

相比于现有技术，本实用新型是基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具，操作简单，加工方便，并且可以根据加工金属材料表面的种类置换不同材质的滚珠。金属材料表面加工后，表面强化效果明显，致密性提高，表面的耐磨性、抗蚀性等性能得到显著改善；此外，本实用新型最大的优点在于滚珠流畅转动，表面处理后的粗糙度明显低于现有其他技术处理金属材料表面的粗糙度，能够在引入残余压应力的同时保证材料表面的光滑形貌，从而对于金属构件疲劳性能有显著的提升作用。

附图说明

图1：本实用新型基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具结构示意图；

图2：本实用新型基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具使用示意图；

图3：金属表面经本实用新型工具的滚珠辊压处理后表面成形示意图；

附图标注：

100——表面强化工具； 200——试样

1——旋压刀具； 11——环形凹槽；

12——外螺纹；

2——锁母； 21——环形压板；

22——内螺纹；

3——内压圈； 31——通孔；

4——滚珠。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1至图2所示，一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具100，由旋压刀具1、滚珠4、锁母2和内压圈3组成。

所述旋压刀具1可装在机床、搅拌摩擦焊刀柄上，用顶丝固定；机床或者搅拌摩擦焊的刀柄要垂直于板材的表面。所述旋压刀具1采用柱形结构，在所述旋压刀具1的刀头的端面内加工有光滑的环形凹槽11。所述刀头的外壁设置有外螺纹12。

在所述锁母2的一端设置有在径向方向上向内伸出的环形压板21，所述螺母的内壁设置有内螺纹22，所述锁母2和所述旋压刀具1通过所述内螺纹22和所述外螺纹12的配合而彼此连接，并且在所述刀头端面与所述环形压板21之间具有容纳空间，所述容纳空间的高度大于所述内压圈3的厚度，即，所述锁母2 的深度适当高于所述旋压刀具1外螺纹部分的高度，可以保障所述锁母2旋紧后与所述内压圈3之间仍留有合适的空隙，使得所述锁母2与所述内压圈3之间为间隙配合，从而保障所述滚珠4可以流畅转动。

所述内压圈3设置在所述容纳空间内并由所述环形压板21限位，所述内压圈3与所述旋压刀具1之间光滑接触，并未锁死，使得所述内压圈3与所述旋压刀具1之间能发生相对转动，保障所述滚珠4可以灵活滚动。所述内压圈3的直径与所述旋压刀具1刀头的直径相同，并且，大于所述环形压板21的内直径。所述内压圈3上设置有用于放置滚珠4的通孔31，且所述通孔31加工为在纵向上直径减缩的圆台形，所述通孔31靠近所述环形凹槽11的一侧的直径大于远离所述环形凹槽11的一侧的直径，从而保障所述滚珠4的流畅转动。

所述滚珠4顶抵在所述环形凹槽11上且至少部分地经由所述通孔31从所述内压圈3突出，其中，所述滚珠4的直径大于所述通孔31的直径，并且，所述滚珠4的直径大于所述环形凹槽11底部到所述锁母2顶部的距离，使得所述滚珠4能突出至所述锁母2顶部外并且可以接触到板材表面。所述滚珠4可以根据需要选择合适数量，所述滚珠4的数量与所述通孔31的数量相同；所述滚珠4 在圆周上均匀分布。

所述旋压刀具1和所述滚珠4选用材料的硬度高于背景金属初始表面硬度。所述旋压刀具1的材料为Cr12MoV，所述滚珠4的材料为GCr15轴承钢。

所述旋压刀具1装在机床、搅拌摩擦焊刀柄上后，将所述滚珠4放置在所述旋压刀具1的环形凹槽11内，所述滚珠4的数量根据需要选择合适数量，但要保障在圆周上均匀分布。所述内压圈3加工有一定数量的通孔31，将所述内压圈3置于所述环形凹槽11上同时确保所述滚珠4位于其通孔31内，用于固定所述滚珠4，但是，所述内压圈3不与所述环形凹槽11锁死以保障所述滚珠4可以灵活滚动。最后将带有螺纹的所述锁母2旋于所述旋压刀具1之上，用于固定所述内压圈3，旋紧后锁母2与内压圈3之间仍存在适当的间隙，进一步保障滚珠4转动的灵活性。

本实用新型基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具100的使用方法： (1)清理金属试样200表面的碎屑、油污，可以在待处理表面或者旋压刀具1 的环形凹槽11中添加适量的润滑油保障滚珠4的灵活转动；(2)在调整旋压刀具1的轴线与待处理试样200表面垂直后，使旋压刀具1与试样200表面接触，根据要求设置合适下压量；(3)旋压刀具1高速转动，滚珠4滚过试样200表面施加压力，当完成处理要求时停止操作。图3为采用本实用新型工具滚珠4辊压处理6082-T6铝合金表面效果图。

本实用新型适用于各种金属材料及合金，不仅使金属表面受到纳米化处理，提高试样表面的硬度和强度，达到细晶强化的目的，还在金属表面引入了残余压应力，大大提高材料的抗疲劳性能；同时该工具实施简单，有利于大面积推广。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，包括：

旋压刀具(1)，所述旋压刀具(1)具有刀头，在所述刀头的端面内设置有环形凹槽(11)，所述刀头的外壁设置有外螺纹(12)；

锁母(2)，在所述锁母(2)的一端设置有在径向方向上向内伸出的环形压板(21)，所述锁母(2)的内壁设置有内螺纹(22)，所述锁母(2)和所述旋压刀具(1)通过所述内螺纹(22)和所述外螺纹(12)的配合而彼此连接，并且在所述刀头端面与所述环形压板(21)之间具有容纳空间；

内压圈(3)，所述内压圈(3)设置在所述容纳空间内并由所述环形压板(21)限位，所述内压圈(3)上设置有通孔(31)；以及，

滚珠(4)，所述滚珠(4)顶抵在所述环形凹槽(11)上且至少部分地经由所述通孔(31)从所述内压圈(3)突出，其中，所述滚珠(4)的直径大于所述通孔(31)的直径。

2.根据权利要求1所述的基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，所述滚珠(4)的数量与所述通孔(31)的数量相同。

3.根据权利要求1所述的基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，所述滚珠(4)在圆周上均匀分布。

4.根据权利要求1所述的基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，所述滚珠(4)的直径大于所述环形凹槽(11)底部到所述锁母(2)顶部的距离。

5.根据权利要求1所述的基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，所述内压圈(3)与所述旋压刀具(1)之间光滑接触，使得所述内压圈(3)与所述旋压刀具(1)之间能发生相对转动，保障所述滚珠(4)灵活滚动。

6.根据权利要求1所述的基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，所述内压圈(3)的直径与所述旋压刀具(1)刀头的直径相同，并且，所述内压圈(3)的直径大于所述环形压板(21)的内直径。

7.根据权利要求1所述的基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，所述通孔(31)为在纵向上直径减缩的圆台形结构，所述通孔(31)靠近所述环形凹槽(11)的一侧的直径大于远离所述环形凹槽(11)的一侧的直径，从而保障所述滚珠(4)的流畅转动。

8.根据权利要求1所述的基于流畅滚压设计的金属材料表面强化工具(100)，其特征在于，所述容纳空间的高度大于所述内压圈(3)的厚度，使得所述锁母(2)与所述内压圈(3)之间存在间隙，从而保障所述滚珠(4)转动的灵活性。

Images