一种实现工件表面纳米化的加工装置和曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实现工件表面纳米化的加工装置和曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法，属于金属材料表面强化技术领域。该加工装置包括刀柄、可旋转支撑刀架、表面纳米化加工刀头和球形加工滚珠，其中：所述可旋转支撑刀架设置在刀柄的加工端，所述可旋转支撑刀架能够旋转；所述纳米化加工刀头固定在可旋转支撑刀架上，所述球形加工滚珠设置于纳米化加工刀头上，且球形加工滚珠能够自由滚动。球形加工滚珠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。通过表面纳米化工艺参数的优化可在曲轴表面获得表面纳米组织结构层。

【技术实现步骤摘要】
一种实现工件表面纳米化的加工装置和曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法
本专利技术涉及金属材料表面强化
，具体涉及一种实现表面纳米化的加工装置和方法，尤其涉及一种实现工件表面纳米化的加工装置和曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法。
技术介绍
发动机工作时，曲轴承受较大的交变弯曲应力和扭转应力，且应力分布极不均匀，容易产生疲劳裂纹，导致疲劳断裂的发生。曲轴的连杆轴颈与曲柄的过渡圆角处应力集中程度最为严重，它们往往是疲劳裂纹的起裂源。现行提高曲轴性能的方法主要采用氮化、中频淬火、圆角滚压技术。但是，氮化作为一种对环境有影响的技术制约了其大规模的应用；中频淬火在曲轴行业中普遍采用，但是淬火工艺不易控制，淬硬层容易开裂，并且淬火曲轴易产生较大的变形；圆角滚压虽然能提高球墨铸铁曲轴的疲劳性能，但是其对于锻钢等材质的曲轴强化效果有限，往往达不到设计要求，并且圆角滚压技术得到的表层残余压应力在曲轴服役过程中容易释放，大幅度降低了强化效果。针对上述问题，考虑曲轴材料的表面可控复合强化技术。它是将热处理(调质处理或中频淬火+低温回火处理)与表面机械滚压纳米化处理(SMRT)相结合，对曲轴材料(如42CrMoA合金钢)进行表面可控复合强化处理，制备出表面梯度纳米结构层以对曲轴材料进行强化。然而，针对曲轴实体器件以及其他工业加工器件的特殊结构及尺寸，尤其是曲轴器件的连杆轴圆角及主轴圆角部位、曲柄臂立面等具有复杂的曲面结构，可操作空间有限，进行表面纳米化时受到很大的局限性。现有的加工技术如圆角滚压技术，是采用滚压头的滚轮随动式对圆角进行滚压，预置残余压应力层，但是达不到表面纳米化效果，不能产生表面梯度纳米结构层。而常规实现简单圆棒材料表面纳米化的加工系统结构较为简单(如专利ZL201510776845.4)，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表面纳米化处理。因此，如何进行曲轴实体器件的表面纳米化处理是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实现工件表面纳米化的加工装置和曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法，可实现器件的表面纳米化，并获得表面纳米组织结构层，从而提升器件的性能。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种实现工件表面纳米化的加工装置，包括刀柄、可旋转支撑刀架、表面纳米化加工刀头和球形加工滚珠，其中：所述可旋转支撑刀架设置在刀柄的加工端，所述可旋转支撑刀架能够旋转；所述纳米化加工刀头固定在可旋转支撑刀架上，所述球形加工滚珠设置于纳米化加工刀头上，且球形加工滚珠能够自由滚动。所述刀柄为条状结构，刀柄的加工端设有弧形板状凸起，该弧形板状凸起的一个表面上通过螺栓与所述可旋转支撑刀架连接。所述可旋转支撑刀架的底面与刀柄的加工端连接，可旋转支撑刀架上还开设柱状槽，柱状槽的一端开口另一端封闭；所述柱状槽内嵌入并固定所述纳米化加工刀头。所述纳米化加工刀头为圆柱状结构，其尺寸与所述柱状槽相适应；所述纳米化加工刀头的轴向设有润滑油孔，同时所述纳米化加工刀头的一端还设有球形加工滚珠，所述球形加工滚珠伸出所述柱状槽的开口端；所述球形加工滚珠用于对工件表面进行纳米化加工。当所述可旋转支撑刀架上的柱状槽的轴线与所述刀柄的轴线平行时，此时可旋转支撑刀架能够在刀柄的弧形板面上相对于所述刀柄的轴线进行-90°～+90°角度范围的旋转。所述柱状槽内通过螺纹连接和/或焊接的方式固定所述纳米化加工刀头。所述球形加工滚珠与纳米化加工刀头之间为可拆卸连接；所述可旋转支撑刀架可根据待加工工件轮廓特征适应性地进行不同旋转角度的切换。利用所述加工装置进行的曲轴器件表面梯度纳米化的加工方法，该加工方法通过工艺参数的优化在曲轴器件表面获得表面纳米组织结构层，具体为：所述加工过程由球形加工滚珠在曲轴表面的压入深度控制，根据曲轴表面轮廓特征进行加工路径的规划，球形加工滚珠沿曲轴表面切向进给，加工过程为不小于1次，每次加工的压入深度均比上一次的压入深度增加，以获得大应变及应变梯度，从而实现曲轴器件的表面纳米化。所述曲轴器件待加工部位为连杆轴、主轴、连杆轴圆角、主轴圆角和曲柄臂中的一个或多个部位表面。根据待加工曲轴轮廓特征对可旋转支撑刀架进行不同旋转角度的切换，使待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，获得不同的纳米结构层及表面质量，最终使曲轴具有表面梯度纳米结构层。本专利技术的优点和有益效果如下：本专利技术的表面纳米化加工装置及方法可以对曲轴实体器件进行加工处理，尤其是针对结构复杂的主轴圆角、连杆轴圆角、曲柄臂立面等部位，可以实现表面梯度纳米结构制备。具体来说，本专利技术的表面梯度纳米结构制备装置，充分考虑了曲轴实体器件的结构、型式、尺寸等特征参数，满足加工空间位置的可达性，避免与曲轴结构的干涉，优化了加工装置的结构型式，采用刀架式加工装置。球形加工滚珠放置于纳米化加工刀头中，可自由滚动，避免了球形加工滚珠保护罩的使用，以实现曲轴器件中连杆轴圆角、主轴圆角等空间狭小部位的表面纳米化处理。通过优化表面梯度纳米结构制备工艺参数(外圆线速度、压入深度、处理道次、进给速度等)，可成功实现曲轴器件的表面梯度纳米结构制备。同时，本专利技术的表面纳米化加工装置在运行时，待加工曲轴器件表面受力主要为正压力，最大限度地减小剪切力，从而提升了表面纳米化加工过程的稳定性，可以获得更深的纳米层及更优的表面质量。此外，本专利技术的表面纳米化加工装置可无缝嵌入到现有生产线中，表面纳米化工艺过程容易实现。经过本专利技术的表面纳米化方法及装置对曲轴实体器件包括圆角等部位进行处理后，表面晶粒尺寸达到纳米级(10纳米-100纳米)或亚微米级尺度(100纳米-1微米)，表面梯度纳米结构层及硬化层深度100微米-1000微米之间。曲轴圆角部位表面粗糙度值Ra达到0.01微米-0.6微米。不同的晶粒尺寸等级及表面梯度纳米结构层及硬化层深度等级、表面粗糙度值通过表面纳米化工艺参数的调整配合获得。与未经表面纳米化方法处理的曲轴相比，经过本专利技术的表面纳米化方法及装置进行对曲轴进行加工处理之后，曲轴获得了表面梯度纳米结构层，曲轴的表面光洁度大幅度提升，表面硬度显著提升，疲劳强度同样显著升高。需要指出的是，本专利技术的装置及方法可以实现圆角立面即曲柄臂立面的表面纳米化处理，现行的曲轴表面处理方法包括磨削方法等均难以实现该部位的加工或处理。附图说明图1为本专利技术表面纳米化加工装置整体结构示意图。图2为本专利技术表面纳米化加工装置中纳米化加工刀头的剖面图(部分)。图3为利用本专利技术表面纳米化加工装置进行曲轴器件表面加工过程示意图。图4为经过本专利技术刀架式面纳米化处理之后曲轴表面成形照片。图5为经过本专利技术刀架式表面纳米化处理之后曲轴横截面最表层结构TEM分析结果；其中：(a)明场像及选区电子衍射照片；(b)暗场像；(c)晶粒尺寸统计分布。图6为经过本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现工件表面纳米化的加工装置，其特征在于：该加工装置包括刀柄、可旋转支撑刀架、表面纳米化加工刀头和球形加工滚珠，其中：所述可旋转支撑刀架设置在刀柄的加工端，所述可旋转支撑刀架能够旋转；所述纳米化加工刀头固定在可旋转支撑刀架上，所述球形加工滚珠设置于纳米化加工刀头上，且球形加工滚珠能够自由滚动。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现工件表面纳米化的加工装置，其特征在于：该加工装置包括刀柄、可旋转支撑刀架、表面纳米化加工刀头和球形加工滚珠，其中：所述可旋转支撑刀架设置在刀柄的加工端，所述可旋转支撑刀架能够旋转；所述纳米化加工刀头固定在可旋转支撑刀架上，所述球形加工滚珠设置于纳米化加工刀头上，且球形加工滚珠能够自由滚动。


2.根据权利要求1所述的实现工件表面纳米化的加工装置，其特征在于：所述刀柄为条状结构，刀柄的加工端设有弧形板状凸起，该弧形板状凸起的一个表面上通过螺栓与所述可旋转支撑刀架连接。


3.根据权利要求2所述的实现工件表面纳米化的加工装置，其特征在于：所述可旋转支撑刀架的底面与刀柄的加工端连接，可旋转支撑刀架上还开设柱状槽，柱状槽的一端开口另一端封闭；所述柱状槽内嵌入并固定所述纳米化加工刀头。


4.根据权利要求3所述的实现工件表面纳米化的加工装置，其特征在于：所述纳米化加工刀头为圆柱状结构，其尺寸与所述柱状槽相适应；所述纳米化加工刀头的轴向设有润滑油孔，同时所述纳米化加工刀头的一端还设有球形加工滚珠，所述球形加工滚珠伸出所述柱状槽的开口端；所述球形加工滚珠用于对工件表面进行纳米化加工。


5.根据权利要求3所述的实现工件表面纳米化的加工装置，其特征在于：当所述可旋转支撑刀架上的柱状槽的轴线与所述刀柄的轴线平行时，此时可旋转支撑刀架能够在刀柄的弧形板面上相对于所述刀柄的轴线进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟华，吴成义，李秀艳，卢柯，谢世龙，王镇波，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21