一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具制造技术

本实用新型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。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。采用本实用新型专利技术加工后，表面粗糙度Ra0.07μm，硬化层深度0.5～1.5mm。硬化层深度0.5～1.5mm。硬化层深度0.5～1.5mm。

【技术实现步骤摘要】
一种可测力柔性旋转式纳米化滚压刀具


[0001]本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，属于机械加工领域。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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V
m
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

[0004]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。
[0005]本技术采用如下的技术方案：
[0006]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：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]本技术的设计思想是：
[0010]本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。
[0011]与现有的提高奥氏体不锈钢表面性能的方法相比，本技术具有以下优点及有益效果：
[0012]1.本技术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，本技术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。
[0013]2.本技术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。
[0014]3.本技术中，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。
[0015]4.本技术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。
[0016]5.本技术加工方法适应性强，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。本技术除可用于平板加工外，也可以加工凸起型弧面。本技术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。
[0017]6.本技术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。采用本技术加工后的材料，可得表面粗糙度Ra0.07μm，硬化层深度为0.5～1.5mm。
附图说明
[0018]图1(a)
‑
图1(b)为本技术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；
[0019]图2为表面机械滚压处理(SMRT)的加工过程原理图；
[0020]图3为本专利技术的拆解结构示意图。
[0021]图4为304奥氏体不锈钢采用本技术双面加工8道次前后最表面X射线衍射(XRD)图谱。
[0022]图中附图标记：1带滚压刀柄的力学传感器；2弹力平衡器(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：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，...

【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：新型
国别省市：