【技术实现步骤摘要】
本专利技术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及金属滚压方法，属于机械加工领域。
技术介绍
1、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。
2、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。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术的目的在于提供一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具及金属滚压方法，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。
2、本专利技术采用如下的技术方案：
3、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、
4、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。
5、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。
6、所述的可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，滚珠刀头的直径1/3部分露出滚珠限位器。
7、所述的可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具，滚压刀具工作时，铣床刀柄带动滚压刀具自转，滚珠刀头随滚压刀具以滚压刀具中心做圆形运动，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；同时，滚珠刀头在滚珠限位器中自由低阻尼转动，滚珠刀头在工件表面滚动，并压平工件表面。
8、一种可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，金属滚压方法实现设备是表面机械滚压处理的表面纳米化加工系统，该加工系统包括转动系统、自动进给系统以及纳米化滚压刀具，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，待处理工件置于铣床夹持面。
9、所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，滚压刀具在设定转速v1下随铣床刀柄旋转，其上设有能够在工件表面进行滚压的球形滚珠刀头；在自动进给系统控制下，滚压刀具的球形滚珠刀头沿工件表面垂直方向以下压量ap垂直压入工件表面，并沿工件表面方向以速度v2移动；弹力平衡器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，使工件表层因高速塑性变形而获得梯度纳米结构。
10、所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，在滚压工件的过程中，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，滚压力的大小数值通过带滚压刀柄的力学传感器读取，同时根据滚压力的大小计算出纳米层的深度。
11、所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，滚珠限位器通过螺丝固定在滚压刀具外壳上，当滚压工件时，滚珠限位器会随着滚压刀具外壳一起绕着轴线旋转，转速为v1；此时滚珠刀头也会随之绕着滚压刀具轴线旋转，滚珠刀头下面与加工工件接触，滚珠刀头上面与滚珠支撑底座接触，滚珠刀头在两个摩擦副之间做滚动摩擦，在工件表面做非切削滚压塑性变形以实现表面纳米化。
12、所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，工件采用表面机械滚压处理后，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，最表层晶粒尺寸为10～60nm，整个梯度组织变形层厚度为500～1500μm；被加工金属工件经表面机械滚压处理后，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。
13、所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，根据被处理工件材质不同，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使用钴基碳化钨硬质合金、gcr15钢球或陶瓷硬质球，滚珠刀头直径为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v2在6～50mm/min，处理道次量为1～10次。
14、本专利技术的设计思想是：
15、本专利技术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专利技术刀具的进刀量，进而控制被加工材料的加工后纳米层深度。最后，本专利技术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。
16、与现有的提高奥氏体不锈钢表面性能的方法相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：
17、1.本专利技术可控制被加工平板类工件表层组织中的马氏体相含本文档来自技高网...
【技术保护点】
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：
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。
3.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，滚珠刀头的直径1/3部分露出滚珠限位器。
4.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，滚压刀具工作时，铣床刀柄带动滚压刀具自转，滚珠刀头随滚压刀具以滚压刀具中心做圆形运动，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
5.一种使用权利要求1至4之一所述滚压刀具的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，金属滚压方法实现设备是表面机械滚压处理的表面纳米化加工系统，该加工系统包括转动系统、自动进给系统以及纳米化滚压刀具，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，待处理工件置于铣床夹持面。
6.按照权利要求5所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，滚压刀具在设定转速V1下随铣床刀柄旋转，其上设有能够在工件表面进行滚压的球形滚珠刀头；在自动进给系统控制下，滚压刀具的球形滚珠刀头沿工件表面垂直方向以下压量ap垂直压入工件表面，并沿工件表面方向以速度V2移动；弹力平衡器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，使工件表层因高速塑性变形而获得梯度纳米结构。
7.按照权利要求6所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，在滚压工件的过程中，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，滚压力的大小数值通过带滚压刀柄的力学传感器读取，同时根据滚压力的大小计算出纳米层的深度。
8.按照权利要求6所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，滚珠限位器通过螺丝固定在滚压刀具外壳上，当滚压工件时，滚珠限位器会随着滚压刀具外壳一起绕着轴线旋转，转速为V1；此时滚珠刀头也会随之绕着滚压刀具轴线旋转，滚珠刀头下面与加工工件接触，滚珠刀头上面与滚珠支撑底座接触，滚珠刀头在两个摩擦副之间做滚动摩擦，在工件表面做非切削滚压塑性变形以实现表面纳米化。
9.按照权利要求6所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，工件采用表面机械滚压处理后，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，最表层晶粒尺寸为10～60nm，整个梯度组织变形层厚度为500～1500μm；被加工金属工件经表面机械滚压处理后，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。
10.按照权利要求6所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，根据被处理工件材质不同，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使用钴基碳化钨硬质合金、GCr15钢球或陶瓷硬质球，滚珠刀头直径为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V2在6～50mm/min，处理道次量为1～10次。
...【技术特征摘要】
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：
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。
3.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，滚珠刀头的直径1/3部分露出滚珠限位器。
4.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，滚压刀具工作时，铣床刀柄带动滚压刀具自转，滚珠刀头随滚压刀具以滚压刀具中心做圆形运动，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；同时，滚珠刀头在滚珠限位器中自由低阻尼转动，滚珠刀头在工件表面滚动，并压平工件表面。
5.一种使用权利要求1至4之一所述滚压刀具的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，金属滚压方法实现设备是表面机械滚压处理的表面纳米化加工系统，该加工系统包括转动系统、自动进给系统以及纳米化滚压刀具，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，待处理工件置于铣床夹持面。
6.按照权利要求5所述的可测力柔性旋转式纳米化金属滚压方法，其特征在于，滚压刀具在设定转速v1下随铣床刀柄旋转，其上设有能够在工件表面进行滚压的球形滚珠刀头；在自动进给系统控制下，滚压刀具的球形滚珠刀头沿工件表面垂直方向以下压量ap垂直压入工件表面，并沿工件表面方向以速度v2移动；弹力平衡器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，使工件表层因...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵东杨，张波，周宇，李秀艳，卢柯，徐伟，唐子超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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