CN218800248U - 一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及金属材料的表面强化技术，具体为一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具。该滚压刀具包括：带滚压刀柄的力学传感器、弹力平衡器、滚压刀具外壳、推力轴承、滚珠支撑底座、滚珠刀头、滚珠限位器，带滚压刀柄的力学传感器上端与铣床刀柄相连，带滚压刀柄的力学传感器下端与弹力平衡器的上端相连，弹力平衡器的下端连接滚压刀具外壳，滚压刀具外壳为带有柱状腔体的下凹槽形中空结构，滚压刀具外壳内部设有推力轴承，推力轴承下部与环形滚珠支撑底座相连，滚珠支撑底座的底部设置滚珠限位器，滚珠刀头可在滚珠支撑底座上进行低阻尼自由高速旋转。采用本实用新型加工后，表面粗糙度Ra0.07μm，硬化层深度0.5～1.5mm。

Description

一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具
技术领域
本实用新型涉及金属材料的表面强化技术，具体为一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，属于机械加工领域。
背景技术
纳米结构材料由于其优异的性能引起了广泛的研究，塑性变形方法是制备这类材料最为有效的方法之一。众所周知，大多数材料的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构层，即实现表面纳米化，以此通过表面组织和性能的优化可提高材料的整体力学性能和服役行为。
现有的平面金属纳米化滚压或抛光的方法通常为两种，其中：一种是滚针式抛光，存在的问题是抛光面会出现波浪纹，抛光后表面质量一般；另一种是专利公开号分别为CN107186432A和CN206393146U中所描述的滚轮式滚压刀具，其存在的问题是：只能对金属材料进行表面抛光，无法得到表面晶粒尺度小于100纳米的金属材料。有文章指出，只有当滚压刀头直径小于10mm，同时线速度Vm大于104mm/min时，才会出现金属晶粒纳米化现象，但是滚轮式抛光刀头很难做到直径10mm或以下，同时因为滚轮式刀头在小于10mm时难以润滑，几乎无法使用。
实用新型内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型的目的在于提供一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，通过普通铣床实施在金属表面形成梯度纳米结构表层，操作方便、工作效率高。
本实用新型采用如下的技术方案：
一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，该滚压刀具包括：带滚压刀柄的力学传感器、弹力平衡器、滚压刀具外壳、推力轴承、滚珠支撑底座、滚珠刀头、滚珠限位器，具体结构如下：
带滚压刀柄的力学传感器上端与铣床刀柄相连，带滚压刀柄的力学传感器下端与弹力平衡器的上端相连，弹力平衡器的下端连接滚压刀具外壳，滚压刀具外壳为带有柱状腔体的下凹槽形中空结构，滚压刀具外壳内部设有推力轴承，推力轴承下部与环形滚珠支撑底座相连，推力轴承、环形滚珠支撑底座自由转动，两个以上滚珠刀头均匀镶嵌于滚珠支撑底座底部相应的凹坑，且滚珠刀头在滚珠支撑底座上自由滚动，滚珠支撑底座的底部设置滚珠限位器，滚珠限位器通过螺丝与滚压刀具外壳底部连接固定，滚珠限位器上均匀开设与滚珠刀头对应的通孔，每个滚珠刀头限位于滚珠支撑底座的底部凹坑与滚珠限位器的通孔之间，滚珠刀头在滚珠支撑底座的底部凹坑与滚珠限位器的通孔之间自由滚动。
所述的可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，弹力平衡器为弹簧的顶部和底部分别连接上平衡环、下平衡环的组合结构，上平衡环、下平衡环的侧面开口；带滚压刀柄的力学传感器下端通过圆柱体插装于上平衡环中心孔，上平衡环的开口两侧穿设上螺栓并安装螺母拧紧，使带滚压刀柄的力学传感器与弹力平衡器紧固连接；滚压刀具外壳上端通过圆柱体插装于下平衡环中心孔，下平衡环的开口两侧穿设下螺栓并安装螺母拧紧，使滚压刀具外壳与弹力平衡器紧固连接。
本实用新型的设计思想是：
本实用新型通过用推力轴承润滑的方式，采用滚动摩擦代替传统机械滚压处理(SMRT)技术使用的滑动摩擦，摩擦力大幅度降低。同时，通过弹簧柔性连接的方式，使得滚压刀头能够在被加工材料表面并非完全平整的情况下依然时刻保持与接触面之间恒定的压力接触。弹簧后端加装测力装置，可以通过测力装置显示数值调整本实用新型刀具的进刀量，进而控制被加工材料的加工后纳米层深度。最后，本实用新型刀具在铣床的刀柄带动下进行高速旋转，进而加大被加工材料的应变速率，使得被加工材料的表面纳米化得以顺利进行。
与现有的提高奥氏体不锈钢表面性能的方法相比，本实用新型具有以下优点及有益效果：
1.本实用新型可控制被加工平板类工件表层组织中的马氏体相含量，通过采用表面机械滚压处理(SMRT)技术对被加工工件表面进行加工，其它表面纳米化工艺相比，本实用新型在工件表面产生的塑性变形大，得到的梯度纳米结构层厚，低温的时候生成的形变诱导马氏体含量高。
2.本实用新型被加工平板类工件梯度纳米结构表层的晶粒尺寸分布和厚度可控。由于表面机械滚压处理(SMRT)过程中材料表层受到梯度变化的应力应变作用，从而随层深的增加呈现为晶粒尺寸梯度变化的纳米晶(或纳米孪晶)、亚微米晶、微米晶粒、变形粗晶和原始粗晶组织。本方法除了可以控制梯度纳米结构表层中的马氏体相含量，还可以通过控制表面机械滚压处理(SMRT)的压下量和加工道次控制梯度纳米结构层的厚度和晶粒尺寸分布等。
3.本实用新型中，滚压刀具内部为推力轴承作为润滑系统，相比于传统的滚压方式，极大的降低了球型滚珠刀头在滚压加工平板类工件时的摩擦力。
4.本实用新型方法加工后的平板类工件表面质量高，强化层厚。表面机械滚压处理(SMRT)技术采用球形滚珠刀头对工件滚动碾压的变形方式，降低了加工刀具与工件表面接触的摩擦系数，极大地改善了材料的表面光洁度，表面质量明显高于喷丸、表面机械研磨等技术处理的表面质量。表面机械滚压处理(SMRT)技术通过反复滚压材料表面以及多道次压下量累积变形的特点，充分利用了工件塑性较好、易加工的优势，得以加工出纳米梯度结构层厚、硬化层深、综合性能优异的铜、铝、不锈钢、钛等金属工件。
5.本实用新型加工方法适应性强，操作方便，成本较低。所用滚压刀具可直接连接在铣车床上，操作方便高效，可在不同尺寸的被加工材料上进行表面机械滚压处理(SMRT)，从而可控制备出梯度纳米结构表层。本实用新型除可用于平板加工外，也可以加工凸起型弧面。本实用新型使用的球形滚珠刀头损耗小、成本较低，同时可使用铣床自带冷却系统进行加工控温，加工效率比较传统滚压加工效率大幅度提高，容易实现规模化生产加工。
6.本实用新型设置带有滚压刀柄的力学传感器，力学传感器的下端连接弹力平衡器，弹力平衡器的另一端连接滚压刀具外壳。加工材料时，滚压刀具随刀柄旋转。滚压刀具内部有一组推力轴承，推力轴承通过滚珠支撑底座与滚压刀具的滚珠刀头相接，滚珠刀头可在滚珠支撑底座上进行低阻尼自由高速旋转。从而，解决了：现有滚针式滚压刀具在大平面滚压时出现波纹状刀花的问题；在小范围复杂曲面滚压速率低，得不到纳米尺度金属层的问题。采用本实用新型加工后的材料，可得表面粗糙度Ra0.07μm，硬化层深度为0.5～1.5mm。
附图说明
图1(a)-图1(b)为本实用新型滚压刀具的结构示意图；其中，图1(a)为主视图，图1(b)为图1(a)中的A-A剖视图；
图2为表面机械滚压处理(SMRT)的加工过程原理图；
图3为本发明的拆解结构示意图。
图4为304奥氏体不锈钢采用本实用新型双面加工8道次前后最表面X射线衍射(XRD)图谱。
图中附图标记：1带滚压刀柄的力学传感器；2弹力平衡器(21上平衡环，22弹簧，23下平衡环，24上螺栓，25下螺栓)；3滚压刀具外壳；4推力轴承；5滚珠支撑底座；6滚珠刀头；7滚珠限位器；8变形层；9平板类工件。
具体实施方式
在具体实施过程中，本实用新型金属滚压方法实现设备是表面机械滚压处理(SMRT)的表面纳米化加工系统，该加工系统包括转动系统、自动进给系统以及本实用新型纳米化滚压刀具。其中：所述转动系统和自动进给系统利用铣床实现，分别用于控制所述滚压刀具沿轴向作旋转运动和进给运动，待处理奥氏体不锈钢平板类工件置于铣床平板夹持面。
如图1(a)-图1(b)、图3所示，本实用新型可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，主要包括：带滚压刀柄的力学传感器1、弹力平衡器2、滚压刀具外壳3、推力轴承4、滚珠支撑底座5、滚珠刀头6、滚珠限位器7，具体结构如下：
带滚压刀柄的力学传感器1上端与铣床刀柄相连，带滚压刀柄的力学传感器1下端与弹力平衡器2的上端相连，弹力平衡器2的下端连接滚压刀具外壳3，滚压刀具外壳3为带有柱状腔体的下凹槽形中空结构，滚压刀具外壳3内部设有推力轴承4，推力轴承4下部与环形滚珠支撑底座5相连，推力轴承4、环形滚珠支撑底座5可以自由转动，两个以上滚珠刀头6均匀镶嵌于滚珠支撑底座5底部相应的凹坑，且滚珠刀头6可在滚珠支撑底座5上自由低阻尼滚动，滚珠支撑底座5的底部设置滚珠限位器7，滚珠限位器7通过螺丝与滚压刀具外壳3底部连接固定，滚珠限位器7上均匀开设与滚珠刀头6对应的通孔，滚珠刀头6既能露出约1/3又不会掉出滚珠限位器7，每个滚珠刀头6限位于滚珠支撑底座5的底部凹坑与滚珠限位器7的通孔之间，滚珠刀头6在滚珠支撑底座5的底部凹坑与滚珠限位器7的通孔之间自由滚动，所产生的摩擦力为滚动摩擦力。因为本实用新型中所有的摩擦均为滚动摩擦，所以滚珠刀头的滚动阻尼非常小，滚珠刀头与加工样品之间摩擦力非常小，因此避免了传统滚压加工过程引起材料表面起皮开裂等问题。滚压刀具工作时，滚压刀具高速自转，滚珠刀头6随滚压刀具以滚压刀具中心做圆形运动，同时滚珠刀头6在滚珠限位器7中可以自由低阻尼转动，因此滚珠刀头6在工件表面以非常小的摩擦力滚动，并压平工件表面。
弹力平衡器2为弹簧22的顶部和底部分别连接上平衡环21、下平衡环23的组合结构，上平衡环21、下平衡环23的侧面开口；带滚压刀柄的力学传感器1下端通过圆柱体插装于上平衡环21中心孔，上平衡环21的开口两侧穿设上螺栓24并安装螺母拧紧，使带滚压刀柄的力学传感器1与弹力平衡器2紧固连接；滚压刀具外壳3上端通过圆柱体插装于下平衡环23中心孔，下平衡环23的开口两侧穿设下螺栓25并安装螺母拧紧，使滚压刀具外壳3与弹力平衡器2紧固连接。
本实用新型使用的滚压刀具在围绕自身中轴高速自转的同时，随着铣床刀柄沿着加工平面做直线运动。因此可加工大平面或者凸起曲面等。本实用新型使用的滚压刀具与被加工工件接触部分是滚珠刀头，滚珠刀头可360度自由旋转，因此避免了滚针式滚压刀具大面积滚压时出现的波纹状缺陷。滚压刀具在围绕自身中轴高速自转时，使得滚压刀具的滚珠刀头与被加工工件存在高速的相对速度。有相关文献实验结果表面，当滚压加工线速度大于5×103mm/min时，金属材料表面才会形成纳米晶粒。相比于传统的平面滚压方式滚压速率过低时无法形成纳米尺度晶粒，本实用新型可以实现相对被加工工件高速的滚压速率，当铣床刀柄自转速率V1≥700r/min，滚压刀具直径D≥100mm时，滚珠与被加工材料实际相对线速度Vm≥π*D*V1＝3.14*100*700＝219800mm/min，此时线速度Vm一般可达2×105mm/min以上。
如图2所示，采用本实用新型表面机械滚压处理(SMRT)方法对奥氏体不锈钢平板类工件的加工过程如下：
本实用新型滚压刀具在设定转速V1下随铣床刀柄旋转，其上设有能够在平板类工件9表面进行滚压的球形滚珠刀头6；在自动进给系统控制下，滚压刀具的球形滚珠刀头6沿工件表面垂直方向以一定下压量ap垂直压入奥氏体不锈钢表面，并沿工件表面方向以速度V2移动；弹力平衡器2保证滚压刀具在被处理工件加工表面上能够持续滚动接触，通过滚压刀具在工件表面反复滚动与碾压，使奥氏体不锈钢表层因高速塑性变形而获得梯度纳米结构的变形层8。在滚压工件的过程中，可控制铣床的刀柄高度调节以控制被加工工件表面滚压力的大小，滚压力的大小数值可通过带滚压刀柄的力学传感器1读取，同时根据滚压力的大小可以计算出纳米层的深度。滚珠限位器7通过螺丝固定在滚压刀具外壳3上，当滚压工件时，滚珠限位器7会随着滚压刀具外壳3一起绕着轴线旋转，转速为V1。此时滚珠刀头6也会随之绕着滚压刀具轴线旋转，滚珠刀头6下面与加工工件接触，滚珠刀头6上面与滚珠支撑底座5接触，滚珠刀头6在两个摩擦副之间做滚动摩擦，因滚珠支撑底座5的上端和推力轴承4相互连接，因此滚珠支撑底座5转动摩擦阻力极低。因为滚压刀具内部摩擦力均为滚动摩擦，摩擦力非常小，所以本实用新型滚压刀具可进行高速滚压，加工效率比较传统滚压刀具大幅度提高的同时，滚压后被加工工件表面光洁度也更好，同时可以进行更深度的滚压，获得更深的纳米层。
采用本实用新型方法对奥氏体不锈钢回转类工件的加工过程如下：
转动系统和刀具自动进给系统由商用铣床实现，加工前可先对装载的待处理不锈钢工件进行粗铣和精铣处理，以获得所设定的工件直径尺寸并保证其外圆同轴度，随后切换刀架至本实用新型纳米化滚压刀具对工件进行表面纳米化处理。
处理前，保持纳米化滚压刀具(图1)低速转动，进行对刀，开始对奥氏体不锈钢工件进行表面纳米化处理。利用铣床的转动系统带动滚压刀具以线速度V1旋转，开启冷却液润滑，本实用新型滚压刀具压入工件表面一定深度ap并沿工件表面以速度V2移动，在工件表面做多道次的非切削滚压塑性变形以实现表面纳米化。
奥氏体不锈钢采用表面机械滚压处理(SMRT)后，被加工工件表面形成的梯度结构，其晶粒尺寸由表层至芯部分别是纳米尺寸、亚微米尺寸、微米尺寸。梯度结构表层的奥氏体粗晶结构转变为具有马氏体含量的梯度纳米结构，马氏体相含量体积分数控制在0～90％范围内，且马氏体相含量随加工过程中温度的升高而减少。梯度结构表层厚度达300～800μm，梯度结构表层中晶粒尺寸小于100nm的纳米晶层厚度为10～120μm(优选为10～90μm)，最表层晶粒尺寸为10～60nm，整个梯度组织变形层(硬度提高的硬化层)厚度为500～1500μm。被加工金属工件经表面机械滚压处理(SMRT)后，被加工工件被加工前尺寸应有留有0.03～0.08mm的滚压余量，滚压后工件表面光洁度好，表面光洁度较车削态大幅提高，表面粗糙度Ra＜0.07μm。
另外，被处理工件根据其材质不同，所选滚压刀具旋转速度V1在500～4000r/min，滚压刀具的球形滚珠刀头6一般使用高硬度耐磨材料，如：钴基碳化钨(WC-Co)硬质合金、GCr15钢球或陶瓷等硬度高、耐磨性佳的硬质球，滚珠刀头6直径为4～12mm，每道次加工下压量在10～40微米，铣床刀柄的自转速率V1在500r/min～4000r/min，自动进给系统沿工件表面的移动速度(滚压刀具进给速度)V2在6～50mm/min，处理道次量为1～10次。全程可采用冷却液系统实现润滑及冷却效果。
下面，结合在两种典型奥氏体不锈钢材料(316L和304不锈钢)通过实施例说明本实用新型。
实施例1
本实施例中，处理板厚为10mm的316L奥氏体不锈钢平板类工件，其化学成分为(质量百分数)：C 0.03％，Si 0.03％，Cr 16.72％，Ni 10.7％，Mn 1.01％，Mo 2.12％，S0.016％，P 0.042％，Fe为余量。
316L不锈钢层错能：约40mJ/m2；
加工前原始晶粒尺寸：约100μm；
加工前组织结构：纯奥氏体组织；
加工设备：数控铣床；
主轴(本实用新型滚压刀具)转速V1：500r/min；
滚压刀具(图1)所使用的滚珠刀头6直径：8mm；
处理道次：8次；
每次下压量ap：40μm；
轴向进给速度V2：6mm/min；
处理温度：22℃。
本实施例经滚压加工处理后样品的表面光洁度优于精车削态(滚压加工前铣削痕迹)，经8道次处理后的316L奥氏体不锈钢截面形貌组织在扫描电镜下，整个梯度细化层厚度约为700μm。梯度细化层结构自下至上包括：变形粗晶结构(700～500μm)、变形孪晶结构(500～300μm)、纳米孪晶结构(300～70μm)、纳米晶结构(70～0μm)。不锈钢最表层晶粒细化至纳米量级，电子衍射分析表明最表层组织为以马氏体纳米晶为主导的两相组织，平均晶粒尺寸约55nm。横截面近表层硬度值最高达5.8GPa，硬度值随距表面深度的增加而逐渐下降，硬化层厚度约为1.5mm。
实施例2
本实施例中，处理商用冷轧厚度为8mm的304奥氏体不锈钢切割为150mm×140mm尺寸的工件，商用冷轧304奥氏体不锈钢的出厂状态为2B固溶酸洗，其化学成分为(质量百分数)：C 0.04％，Si 0.49％，Mn 1.18％，P 0.028％，S 0.002％，Cr 18.10％，Ni 8％，Fe为余量。加工前原始晶粒尺寸约为23μm，XRD结果表明处理前为奥氏体组织，未发现马氏体相。
加工设备：龙门钻床加工中心。
主轴道次压下量ap：40μm；
主轴(本实用新型滚压刀具)转速V1：500r/min；
滚压刀具(图1)所使用的滚珠刀头6直径：8mm；
处理道次：8次；
每次下压量ap：40μm；
轴向进给速度V2：6mm/min；
处理温度：22℃。
本实施例经滚压加工处理后样品的表面光洁度优于精车削态(滚压加工前铣削痕迹)，经8道次处理后的304奥氏体不锈钢截面形貌组织在扫描电镜下，整个梯度细化层厚度约为700μm。梯度细化层结构自下至上包括：变形粗晶结构(700～500μm)、变形孪晶结构(500～300μm)、纳米孪晶结构(300～70μm)、纳米晶结构(70～0μm)。不锈钢最表层晶粒细化至纳米量级，电子衍射分析表明最表层组织为以马氏体纳米晶为主导的两相组织，平均晶粒尺寸约59nm。横截面近表层硬度值最高达5.6GPa，如图4所示，XRD结果表明最表层几乎全部转变为马氏体硬度值随距表面深度的增加而逐渐下降，硬化层厚度约为1.3mm。
实施例结果表明，本实用新型的可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，同时解决了现有平面滚压的两种方式中所存在的问题，因为本实用新型刀头在横向移动时摩擦力为滚动摩擦，阻力非常小，不会产生滚针式滚压刀具在加工工件时在工件表面产生的波纹缺陷。同时，本实用新型滚珠刀头直径可以小于10mm，目前本实用新型已经做出的最小直径为4mm的滚珠刀头，因此加工金属工件后，工件表面可以形成高硬度、高耐磨性的纳米晶。本实用新型可以在金属表层制备出梯度纳米结构，其微观结构尺寸由表及里逐渐增大，依次为纳米尺寸、亚微米尺寸和微米尺寸。

Claims (2)

1.一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，其特征在于，该滚压刀具包括：带滚压刀柄的力学传感器、弹力平衡器、滚压刀具外壳、推力轴承、滚珠支撑底座、滚珠刀头、滚珠限位器，具体结构如下：
带滚压刀柄的力学传感器上端与铣床刀柄相连，带滚压刀柄的力学传感器下端与弹力平衡器的上端相连，弹力平衡器的下端连接滚压刀具外壳，滚压刀具外壳为带有柱状腔体的下凹槽形中空结构，滚压刀具外壳内部设有推力轴承，推力轴承下部与环形滚珠支撑底座相连，推力轴承、环形滚珠支撑底座自由转动，两个以上滚珠刀头均匀镶嵌于滚珠支撑底座底部相应的凹坑，且滚珠刀头在滚珠支撑底座上自由滚动，滚珠支撑底座的底部设置滚珠限位器，滚珠限位器通过螺丝与滚压刀具外壳底部连接固定，滚珠限位器上均匀开设与滚珠刀头对应的通孔，每个滚珠刀头限位于滚珠支撑底座的底部凹坑与滚珠限位器的通孔之间，滚珠刀头在滚珠支撑底座的底部凹坑与滚珠限位器的通孔之间自由滚动。
2.按照权利要求1所述的可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，其特征在于，弹力平衡器为弹簧的顶部和底部分别连接上平衡环、下平衡环的组合结构，上平衡环、下平衡环的侧面开口；带滚压刀柄的力学传感器下端通过圆柱体插装于上平衡环中心孔，上平衡环的开口两侧穿设上螺栓并安装螺母拧紧，使带滚压刀柄的力学传感器与弹力平衡器紧固连接；滚压刀具外壳上端通过圆柱体插装于下平衡环中心孔，下平衡环的开口两侧穿设下螺栓并安装螺母拧紧，使滚压刀具外壳与弹力平衡器紧固连接。
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