一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具制造技术

本实用新型专利技术涉及无切屑加工领域，具体是一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具。滚压刀具包括纳米化用滚珠、滚珠限位器、滚珠支撑架、低阻尼轴承、销钉、刀柄等，滚珠和滚珠限位器内部接触，滚珠与滚珠支撑架接触，滚珠支撑架与轴承过盈配合，轴承通过销钉及螺丝与刀柄链接。整个装置结构简单，成本低廉，尤其是耗材成本极低，使用寿命大幅度延长，加工效率大幅度提高，加工材料后表面粗糙度也大幅度降低。在金属加工领域，如：实验室、航天、核电领域均有较高的推广价值。均有较高的推广价值。均有较高的推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具


[0001]本技术涉及无切屑加工领域，实现金属表面纳米化或金属表面抛光的表面处理技术，具体是一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，通过在车床上对轴类金属材料表层进行处理，在铣床上对平板材料进行处理，在金属材料表层形成纳米梯度组织以提高材料性能。

技术介绍

[0002]细化金属材料微观结构尺寸的方法主要是严重塑性变形技术。通过塑性变形在材料晶粒内部引入高密度的晶界(如：孪晶界、大角晶界和小角晶界)，从而实现晶粒细化。基于这一原理而开发的技术有：高压扭转(high pressure torsion，HPT)、动态塑性变形(dynamic plastic deformation，DPD)、等通道角挤压(equal channel angular pressing，ECAP)和累积叠轧(accumulative roll bonding，ARB)等。利用这些技术虽然可以制备出致密且无污染的块体纳米结构材料，但是设备工作效率低、成本高，以及处理材料的类型、形状和几何尺寸具有很大的局限性。此外，研究表明，对于熔点较低的高纯金属，已有的塑性变形处理技术不能有效的细化其微观结构尺寸。
[0003]以纯铝为例，通过HPT和ECAP技术处理获得的最小晶粒尺寸分别是1.2μm(参考文献1:C.Xu等,ActaMater.(材料学报),2007；55:203
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212)和0.5μm(参考文献2:Y.Iwahashi等,ActaMater.(材料学报),1998；46:3317
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3331)。进一步增加塑性变形时晶粒不再细化，微观结构趋于稳态达到极限晶粒尺寸。出现这一现象的原因是塑性变形主导的位错增殖与动态回复主导的位错湮灭达到动态平衡，进一步变形位错密度不再变化。如何突破极限晶粒尺寸限制，进一步强化金属材料，获得优异综合性能一直是纳米金属材料研究领域的重大难题之一。处理轴类金属材料表面形成梯度纳米结构的方法有：表面机械研磨处理方法、滚压方法、表面机械碾压方法。表面机械研磨处理方法是通过高速运动的弹丸撞击被处理材料表面，在材料表层产生强烈的塑性变形。缺点：被处理材料表面粗糙度较大。表面机械碾压方法是通过刀具对工件(试样)表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流变而使组织发生晶粒细化，从而提高工件表面的强度和耐磨性。缺点：加工后工件的表面光洁度还是不够好。
[0004]滚压技术加工原理：它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，利用滚压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到工件表面粗糙值降低。由于被滚压的表层金属塑性变形，使表层组织加工硬化和晶粒变细，形成致密的纤维状，并形成残余应力层，硬度和强度提高，从而改善了工件表面的耐磨性、耐蚀性和配合性。滚压是一种无切削的塑性加工方法。
[0005]滚压加工技术安全、方便，能精确控制精度，几大优点：
[0006]1、提高表面粗糙度，粗糙度基本能达到Ra≤0.04μm左右。
[0007]2、修正圆度，椭圆度可≤0.01mm。
[0008]3、提高表面硬度，使受力变形消除。
[0009]4、加工后有残余应力层，疲劳强度提高30％。
[0010]5、提高配合质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用反而降低。
[0011]滚压方法的实施主体是滚压刀具，它是一种压力光整加工，是利用金属在常温状态的冷塑性特点，通过滚压刀具对工件表面施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，而达到提高工件表面光洁度。缺点：现有滚压技术是不能使工件表面形成纳米晶体结构，现有滚压技术对材料表面加工的深度过浅，现有滚压技术加工速率过低。对提高工件的表面硬度是有限的。

技术实现思路

[0012]针对现有技术中存在的上述不足之处，本技术的目的在于提供一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，对金属材料表层进行处理提高材料性能，解决一般球型滚压方式压入深度不足、滚压速率过慢、滚压阻力过大，单轮滚压方式无法形成纳米尺度晶粒层，同时使得试样表面形成纳米晶体结构。
[0013]本技术采用如下的技术方案：
[0014]一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，该滚压刀具包括：滚珠、滚珠限位器、销钉、滚珠支撑架、轴承、支撑底座、刀柄，具体结构如下：
[0015]刀柄上设有支撑底座，支撑底座通过螺丝固定在刀柄上，滚珠支撑架通过轴承及轴承内销钉与支撑底座相连，轴承内圈通过销钉及螺丝固定在支撑底座上，滚珠支撑架内圈与轴承外圈过盈配合；滚珠支撑架和支撑底座的外围设置滚珠限位器，滚珠支撑架的外形为鼓形结构，其外弧面与滚珠限位器的上部内弧面相对应，支撑底座外圈为螺纹设计且与滚珠限位器的下部内圈通过螺纹连接；滚珠支撑架的外弧面顶部和底部分别设有凹槽，滚珠限位器的顶部开设与滚珠支撑架位于顶部凹槽对应的圆孔，滚珠安装于滚珠支撑架的凹槽和滚珠限位器的圆孔之间。
[0016]所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠支撑架的外弧面顶部和底部分别设有V型或者半圆型凹槽。
[0017]所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠限位器开设的圆孔直径小于滚珠直径，使滚珠既能露出1/3又不会掉出滚珠限位器，滚珠在滚珠支撑架的凹槽和滚珠限位器的圆孔之间自由滚动。
[0018]所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚压刀具由刀柄固定在车床或者铣床的刀架上。
[0019]所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，轴承选用低阻尼轴承，高精度低阻尼轴承的材质为高强度轴承钢。
[0020]所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠采用硬质合金球或高硬度陶瓷球，滚珠限位器与滚珠支撑架使用耐磨、高硬度、拥有良好韧性的轴承钢或模具钢。
[0021]所述的超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，滚珠的直径为Φ4～Φ20mm，滚珠限位器开设的圆孔直径为Φ3.5～Φ19.5mm。
[0022]一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具的使用方法，当加工轴类金属工件时，将滚压刀具固定在车床的车刀架上，欲加工金属工件固定在三爪卡盘上，将滚压刀具压入金属工件表面10～60μm，开动机床沿单方向加工金属工件，三爪卡盘转速为30～4000转/
分，加工完一道次，停止加工，将刀具移至金属工件的起始加工位置，加大进刀量继续加工金属工件；从而，通过硬质合金球在旋转的金属材料表面进行滚动，滚压刀具沿金属工件做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使金属工件材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织；
[0023]当加工平板金属工件时，将滚压刀具固定在铣床上，将滚压刀具压入金属工件表面10～60μm，开动铣床沿单方向加工金属工件，加工完一道次，停止加工，将刀具移至金属工件的起始加工位置，加大进刀量继续加工金属工件；从而，通过硬质合金球在旋转的金属材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高速深层金属纳米化的低阻尼滚压刀具，其特征在于，该滚压刀具包括：滚珠、滚珠限位器、销钉、滚珠支撑架、轴承、支撑底座、刀柄，具体结构如下：刀柄上设有支撑底座，支撑底座通过螺丝固定在刀柄上，滚珠支撑架通过轴承及轴承内销钉与支撑底座相连，轴承内圈通过销钉及螺丝固定在支撑底座上，滚珠支撑架内圈与轴承外圈过盈配合；滚珠支撑架和支撑底座的外围设置滚珠限位器，滚珠支撑架的外形为鼓形结构，其外弧面与滚珠限位器的上部内弧面相对应，支撑底座外圈为螺纹设...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东杨，张波，周宇，李秀艳，卢柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：新型
国别省市：