專利名稱：對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在軸類金屬材料表層形成納米梯度組織的表面處理技術(shù)，具體是一種在車床上對軸類金屬材料表層進行處理提高材料性能的三球刀具及使用方法。
背景技術(shù)：
目前，處理軸類金屬材料表面形成梯度納米結(jié)構(gòu)的方法有:表面機械研磨處理方法、滾壓方法、表面機械碾壓方法。表面機械研磨處理方法是通過高速運動的彈丸撞擊被處理材料表面，在材料表層產(chǎn)生強烈的塑性變形。缺點:被處理材料表面粗糙度較大。表面機械碾壓方法是通過刀具對工件(試樣)表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流變而使組織發(fā)生晶粒細(xì)化，從而提高工件表面的強度和耐磨性。缺點:加工后工件的表面光潔度還是不夠好。滾壓技術(shù)加工原理:它是一種壓力光整加工，是利用金屬在常溫狀態(tài)的冷塑性特點，利用滾壓刀具對工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動，填入到原始?xì)埩舻牡桶疾ü戎?，而達(dá)到工件表面粗糙值降低。由于被滾壓的表層金屬塑性變形，使表層組織加工硬化和晶粒變細(xì)，形成致密的纖維狀，并形成殘余應(yīng)力層，硬度和強度提高，從而改善了工件表面的耐磨性、耐蝕性和配合性。滾壓是一種無切削的塑性加工方法。滾壓加工技術(shù)安全、方便，能精確控制精度，幾大優(yōu)點:1、提高表面粗糙度，粗糙度基本能達(dá)到Ra彡0.08 μ m左右。2、修正圓度,橢圓度可< 0.01mm。3、提高 表面硬度，使受力變形消除，硬度提高HV > 40°。4、加工后有殘余應(yīng)力層，提聞疲勞強度提聞30%ο5、提高配合質(zhì)量,減少磨損,延長零件使用壽命,但零件的加工費用反而降低。滾壓方法的實施主體是滾壓刀具，它是一種壓力光整加工，是利用金屬在常溫狀態(tài)的冷塑性特點，通過滾壓刀具對工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動，填入到原始?xì)埩舻牡桶疾ü戎校_(dá)到提高工件表面光潔度。缺點:現(xiàn)有滾壓技術(shù)是不可能使工件表面形成納米晶體結(jié)構(gòu)，對提高工件的表面硬度是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種對金屬材料表層進行處理提高材料性能的三球刀具及使用方法，解決單球滾壓方式和單輪滾壓方式容易使軸類金屬試樣變形的問題，同時使得試樣表面形成納米晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，該三球刀具固定在車床的刀架上，包括:固定座、硬質(zhì)合金球、固定桿、千分加力器，具體結(jié)構(gòu)如下:固定桿上設(shè)置固定座，固定座側(cè)面設(shè)置三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔，固定座的中心設(shè)置固定座中心孔，三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔分別與固定座中心孔相通，三個呈120°角分布的千分加力器分別安裝于三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔中，千分加力器與固定座中心孔之間設(shè)置硬質(zhì)合金球，硬質(zhì)合金球突出于固定座中心孔，固定桿和三個千分加力器在一個平面上。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，硬質(zhì)合金球的直徑小于其所在開口的直徑，使硬質(zhì)合金球直接通過固定座中心孔作用在試樣上。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，硬質(zhì)合金球的直徑為Φ6-Φ 12mm,固定座中心孔直徑為Φ 16mm,試樣直徑為Φ8-Φ15ι πι。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，千分加力器設(shè)有固定套管外管、固定套管內(nèi)管、測微螺桿及微分筒，固定套管內(nèi)管套設(shè)于測微螺桿上，固定套管外管套設(shè)于固定套管內(nèi)管上，微分筒的一端測微螺桿外側(cè)通過螺紋連接，微分筒的另一端位于固定套管外管的外側(cè)，測微螺桿的一端伸至千分加力器安裝孔中，測微螺桿的另一端設(shè)有螺帽，測微螺桿與固定套管內(nèi)管通過螺紋連接。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，固定套管內(nèi)管的一端伸至千分加力器安裝孔中，固定套管內(nèi)管與固定座交接處開有固定套管內(nèi)管固定孔，通過頂絲穿設(shè)于固定套管內(nèi)管固定孔，使固定套管內(nèi)管連接固定于固定座上。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，在三球刀具的硬質(zhì)合金球與試樣接觸時，微分筒端部與固定套管的刻度尺交接位置顯示的刻度即為三球刀具的進刀量；此時，旋轉(zhuǎn)測微螺桿帶動微分筒，微分筒的O刻度偏離刻度尺中心的尺寸，即為硬質(zhì)合金球壓入試樣的深度；微分筒與刻度尺的交接位置，指示三球刀具的進刀量以及硬質(zhì)合金球壓入試樣的深度。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，固定套管外管表面沿軸向方向由下至上刻有0-15mm的刻度尺,每Imm為一個刻度。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，微分筒通過螺帽固定在測微螺桿上，微分筒的外表面沿圓周刻有0-100均勻分布的微分筒刻度，一個刻度單位為
10μ m。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，固定桿與固定座為一體結(jié)構(gòu)，固定座表面設(shè)有與千分加力器安裝孔相通的注油孔，注油孔中安裝頂絲。所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具的使用方法，該三球刀具對軸類金屬材料表面的加工在車床上完成，具體如下:首先將軸類金屬材料固定在車床的卡盤上，選擇合適直徑的硬質(zhì)合金球放入三球刀具；然后將三球刀具固定在刀架上，給三球刀具注潤滑油，手搖刀架，將試樣從三球刀具的中心穿入，對刀使得三球刀具的中心與卡盤上試樣的軸心重合，手搖刀架將三球刀具移至試樣的加工位置，旋轉(zhuǎn)測微螺桿使得三球刀具的硬質(zhì)合金球壓入試樣10-40 μ m,給試樣澆潤滑油，開動機床沿單方向加工試樣，轉(zhuǎn)速為30-600轉(zhuǎn)/分，加工完一道次，停止加工，逆時針旋轉(zhuǎn)測微螺桿使得三球刀具的硬質(zhì)合金球退出，手搖刀架將三球刀具移至試樣的加工位置，繼續(xù)加工試樣；從而，通過硬質(zhì)合金球在旋轉(zhuǎn)的軸類金屬材料表面進行滾動，同時三球刀具沿試樣做單方向軸向運動， 在材料表層產(chǎn)生塑性變形，使試樣材料表層晶粒發(fā)生晶粒細(xì)化而形成梯度納米組織。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點和技術(shù)效果:
1、本發(fā)明涉及滾壓技術(shù)，但又區(qū)別于滾壓技術(shù)。本發(fā)明的關(guān)鍵在于設(shè)計出了一種三球刀具，在對軸類金屬材料表層進行加工時，繼承了滾壓技術(shù)的優(yōu)點，和滾壓技術(shù)相比三球刀具在加工軸類金屬材料時大幅度的減小了軸類金屬材料表層的晶粒尺寸，使得軸類金屬材料表層的強度也顯著增強。2、本發(fā)明三球滾壓刀具通過硬質(zhì)合金球在旋轉(zhuǎn)的軸類金屬材料表面進行滾動，同時三球刀具沿試樣做單方向軸向運動，在材料表層產(chǎn)生塑性變形，使試樣材料表層晶粒發(fā)生晶粒細(xì)化而形成梯度納米組織。由于三球刀具是三個方向加力(夾角為120°C)，使得在加工較細(xì)的軸類金屬材料表面時試樣不易彎曲，而單球或單輪刀具在加工較細(xì)的軸類金屬材料表面時試樣容易彎曲。3、本發(fā)明三球滾壓刀具投資少、操作簡單方便。


圖1為本發(fā)明二球刀具結(jié)構(gòu)不意圖；其中，Ca)圖為主視圖；(b)圖為俯視圖；(c)圖為剖視圖；(d)圖為立體圖。圖2為本發(fā)明三球刀具的測微螺桿結(jié)構(gòu)示意圖；其中，Ca)圖為主視圖；(b)圖為俯視圖；(c)圖為立體圖。圖3為本發(fā)明三球·刀具的固定套管外管結(jié)構(gòu)示意圖；其中，Ca)圖為主視圖；(b)圖為俯視圖；(c)圖為立體圖。圖4為本發(fā)明三球刀具的固定桿結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)圖為主視圖；(b)圖為俯視圖；(C)圖為(b)的A-A剖視圖；(d)圖為立體圖；(e)圖為仰體圖。圖5為本發(fā)明三球刀具的固定套管內(nèi)管結(jié)構(gòu)示意圖；其中，Ca)圖為俯視圖；(b)圖為剖視圖；(c)圖為立體圖。圖6為本發(fā)明三球刀具的微分筒結(jié)構(gòu)示意圖；其中，Ca)圖為主視圖；(b)圖為俯視圖；(c)圖為(b)圖的剖視圖；(d)圖為立體圖。圖7為本發(fā)明軸類金屬材料表面形成納米梯度組織圖。圖中，I頂絲I ;2測微螺桿；3固定套管外管；4頂絲II ；5固定座；6硬質(zhì)合金球；7固定套管內(nèi)管；8微分筒；9固定桿；10千分加力器；11注油孔；12螺帽；13刻度尺；14千分加力器安裝孔；15固定座中心孔；16固定套管內(nèi)管固定孔；17微分筒刻度。
具體實施例方式下面通過附圖對本發(fā)明進一步詳細(xì)描述。如圖1-6所示，本發(fā)明對金屬材料表層進行處理提高材料性能的三球刀具，固定在車床的刀架上，主要包括:固定座5、硬質(zhì)合金球6、固定桿9、千分加力器10等，具體結(jié)構(gòu)如下:固定桿9上設(shè)置固定座5,固定座5側(cè)面設(shè)置三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔14，固定座5的中心設(shè)置固定座中心孔15，三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔14分別與固定座中心孔15相通，三個呈120°角分布的千分加力器10分別安裝于三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔14中，千分加力器10與固定座中心孔15之間設(shè)置硬質(zhì)合金球6，硬質(zhì)合金球6突出于固定座中心孔15，硬質(zhì)合金球6的直徑略小于其所在開口的直徑，使硬質(zhì)合金球6能夠直接通過固定座中心孔15直接作用在試樣上。本發(fā)明中，固定桿9和三個千分加力器10在一個平面上。如圖1、圖2、圖4所示，千分加力器10設(shè)有固定套管(固定套管外管3、固定套管內(nèi)管7)、測微螺桿2及微分筒8，固定套管內(nèi)管7套設(shè)于測微螺桿2上，固定套管外管3套設(shè)于固定套管內(nèi)管7上，微分筒8的一端測微螺桿2外側(cè)通過螺紋連接，微分筒8的另一端位于固定套管外管3的外側(cè)，測微螺桿2的一端伸至千分加力器安裝孔14中，測微螺桿2的另一端設(shè)有螺帽12 (圖2)，測微螺桿2與固定套管內(nèi)管7通過螺紋連接。測微螺桿2的材料是由軸承鋼淬火得到，為了保證測微螺桿2頂端的耐磨性和螺扣的強度，測微螺桿2的頂端是六角螺帽12，加力方式可以通過手或扳手順時針旋轉(zhuǎn)，三個千分加力器10可以通過手或扳手控制測微螺桿2頂端的前進及后退量，來控制千分加力器測微螺桿2的進程，由測微螺桿2頂端給千分加力器安裝孔14內(nèi)的硬質(zhì)合金球6加力，測微螺桿2推動硬質(zhì)合金球6將力作用在試樣上。如圖1、圖3所示，固定套管外管3表面沿軸向方向由下至上刻有0-15mm的刻度尺13，每1_為一個刻度，通過微分筒8端部與刻度尺13交接位置，確定測微螺桿2的前進及
后退量。如圖1、圖4、圖5所示，固定套管內(nèi)管7的壁厚為5.5mm，固定套管內(nèi)管7內(nèi)壁設(shè)有螺紋，其材料是由軸承鋼淬火得到，保證螺扣的強度。固定套管內(nèi)管7的一端伸至千分加力器安裝孔14中，固定套管內(nèi)管7與固定座5交接處開有固定套管內(nèi)管固定孔16，通過頂絲
II4穿設(shè)于固定套管內(nèi)管固定孔16，使固定套管內(nèi)管7連接固定于固定座5上。如圖1、圖4所示，固定桿9與固定座5為一體結(jié)構(gòu)，均為不銹鋼材料。固定座5表面設(shè)有與千分加力器安裝孔14相通的注油孔11，注油孔11中安裝頂絲I I。根據(jù)需要取出頂絲I I，通過注油孔11給千分加力器安裝孔14中的硬質(zhì)合金球6注油，使得硬質(zhì)合金球6在力的作用下容易滾動，硬質(zhì)合金球6受力通過千分加力器10的測微螺桿2實施。如圖1、圖6所示，微分筒8通過螺帽12固定在測微螺桿2上，微分筒8的外表面沿圓周刻有0-100均勻分布的微分筒刻度17，一個刻度單位為ΙΟμπι。本發(fā)明中，微分筒8的作用是根據(jù)試樣的直徑，來選擇硬質(zhì)合金球壓入試樣的深度(10 μ m-40 μ m)。本發(fā)明中，硬質(zhì)合金球6的直徑為Φ6-Φ 12mm,固定座中心孔15直徑為Φ 16mm,試樣直徑為Φ8-Φ15ι πι。在三球刀具的硬質(zhì)合金球6與試樣接觸時，微分筒8端部與固定套管的刻度尺13交接位置顯示的刻度即為三球刀具的進刀量；此時，旋轉(zhuǎn)測微螺桿2帶動微分筒8，微分筒8的O刻度偏離刻度尺13中心的尺寸，即為硬質(zhì)合金球6壓入試樣的深度。微分筒8與刻度尺13的交接位置，指示三球刀具的進刀量以及硬質(zhì)合金球6壓入試樣的深度。例如:硬質(zhì)合金球6直徑為Φ8πιπι時，三球滾壓刀具的進刀量=10+ (試樣直徑-10)/2,單位mm。如果硬質(zhì)合金球是Φ6ι πι,需在公式的計算結(jié)果上加2 ;如果硬質(zhì)合金球是Φ7mm，需在公式的計算結(jié)果上加I。本發(fā)明三球刀具對軸類金屬材料表面的加工方法如下:本發(fā)明三球刀具對軸類金 屬材料表面的加工是在車床上完成的。首先將軸類金屬材料固定在車床的卡盤上，選擇合適直徑的硬質(zhì)合金球放入三球刀具；然后將三球刀具固定在刀架上，給三球刀具注潤滑油，手搖刀架，將試樣從三球刀具的中心穿入，對刀使得三球刀具的中心與卡盤上試樣的軸心重合，手搖刀架將三球刀具移至試樣的加工位置，旋轉(zhuǎn)測微螺桿使得三球刀具的硬質(zhì)合金球壓入試樣(10-40 μ m)，給試樣澆潤滑油(潤滑油的作用是冷卻和潤滑)，開動機床沿單方向加工試樣，轉(zhuǎn)速為30-600轉(zhuǎn)/分，加工完一道次，停止加工，逆時針旋轉(zhuǎn)測微螺桿使得三球刀具的硬質(zhì)合金球退出，手搖刀架將三球刀具移至試樣的加工位置，可繼續(xù)加工試樣。從而，通過硬質(zhì)合金球在旋轉(zhuǎn)的軸類金屬材料表面進行滾動，同時三球刀具沿試樣做單方向軸向運動，在材料表層產(chǎn)生塑性變形，使試樣材料表層晶粒發(fā)生晶粒細(xì)化而形成梯度納米組織。試樣的表面形貌與滾壓技術(shù)相當(dāng)，但軸類金屬材料表面會形成納米梯度組織(圖7)。而滾壓技術(shù)僅僅獲得變形組織或亞微米尺寸晶粒，主要是替代磨床的加工工序。`
權(quán)利要求
1.一種對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，該三球刀具固定在車床的刀架上，包括:固定座、硬質(zhì)合金球、固定桿、千分加力器，具體結(jié)構(gòu)如下: 固定桿上設(shè)置固定座，固定座側(cè)面設(shè)置三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔，固定座的中心設(shè)置固定座中心孔，三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔分別與固定座中心孔相通，三個呈120°角分布的千分加力器分別安裝于三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔中，千分加力器與固定座中心孔之間設(shè)置硬質(zhì)合金球，硬質(zhì)合金球突出于固定座中心孔，固定桿和三個千分加力器在一個平面上。
2.按照權(quán)利要求1所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，硬質(zhì)合金球的直徑小于其所在開口的直徑，使硬質(zhì)合金球直接通過固定座中心孔作用在試樣上。
3.按照權(quán)利要求1所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，硬質(zhì)合金球的直徑為Φ6-Φ 12mm,固定座中心孔直徑為Φ16ι πι,試樣直徑為Φ8-Φ 15mm。
4.按照權(quán)利要求1所 述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，千分加力器設(shè)有固定套管外管、固定套管內(nèi)管、測微螺桿及微分筒，固定套管內(nèi)管套設(shè)于測微螺桿上，固定套管外管套設(shè)于固定套管內(nèi)管上，微分筒的一端測微螺桿外側(cè)通過螺紋連接，微分筒的另一端位于固定套管外管的外側(cè)，測微螺桿的一端伸至千分加力器安裝孔中，測微螺桿的另一端設(shè)有螺帽，測微螺桿與固定套管內(nèi)管通過螺紋連接。
5.按照權(quán)利要求4所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，固定套管內(nèi)管的一端伸至千分加力器安裝孔中，固定套管內(nèi)管與固定座交接處開有固定套管內(nèi)管固定孔，通過頂絲穿設(shè)于固定套管內(nèi)管固定孔，使固定套管內(nèi)管連接固定于固定座上。
6.按照權(quán)利要求4所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，在三球刀具的硬質(zhì)合金球與試樣接觸時，微分筒端部與固定套管的刻度尺交接位置顯示的刻度即為三球刀具的進刀量；此時，旋轉(zhuǎn)測微螺桿帶動微分筒，微分筒的O刻度偏離刻度尺中心的尺寸，即為硬質(zhì)合金球壓入試樣的深度；微分筒與刻度尺的交接位置，指示三球刀具的進刀量以及硬質(zhì)合金球壓入試樣的深度。
7.按照權(quán)利要求4或6所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，固定套管外管表面沿軸向方向由下至上刻有0-15mm的刻度尺,每Imm為一個刻度。
8.按照權(quán)利要求4或6所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，微分筒通過螺帽固定在測微螺桿上，微分筒的外表面沿圓周刻有0-100均勻分布的微分筒刻度，一個刻度單位為10 μ m。
9.按照權(quán)利要求1所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，固定桿與固定座為一體結(jié)構(gòu)，固定座表面設(shè)有與千分加力器安裝孔相通的注油孔，注油孔中安裝頂絲。
10.一種權(quán)利要求1所述的對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具的使用方法，其特征在于:該三球刀具對軸類金屬材料表面的加工在車床上完成，具體如下: 首先將軸類金屬材料固定在車床的卡盤上，選擇合適直徑的硬質(zhì)合金球放入三球刀具；然后將三球刀具固定在刀架上，給三球刀具注潤滑油，手搖刀架，將試樣從三球刀具的中心穿入，對刀使得三球刀具的中心與卡盤上試樣的軸心重合，手搖刀架將三球刀具移至試樣的加工位置，旋轉(zhuǎn)測微螺桿使得三球刀具的硬質(zhì)合金球壓入試樣10-40 μ m,給試樣澆潤滑油，開動機床沿單方向加工試樣，轉(zhuǎn)速為30-600轉(zhuǎn)/分，加工完一道次，停止加工，逆時針旋轉(zhuǎn)測微螺桿使得三球刀具的硬質(zhì)合金球退出，手搖刀架將三球刀具移至試樣的加工位置，繼續(xù)加工試樣；從而，通過硬質(zhì)合金球在旋轉(zhuǎn)的軸類金屬材料表面進行滾動，同時三球刀具沿試樣做單方向軸向運動，在材料表層產(chǎn)生塑性變形，使試樣材料表層晶粒發(fā)生晶粒細(xì)化而形成梯度 納米組織。
全文摘要
本發(fā)明涉及在軸類金屬材料表層形成納米梯度組織的表面處理技術(shù)，具體是一種在車床上對軸類金屬材料表層進行處理提高材料性能的三球刀具及使用方法。在固定桿上設(shè)置固定座，固定座側(cè)面設(shè)置三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔，固定座的中心設(shè)置固定座中心孔，千分加力器安裝孔分別與固定座中心孔相通，三個呈120°角分布的千分加力器分別安裝于三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔中，千分加力器與固定座中心孔之間設(shè)置硬質(zhì)合金球，硬質(zhì)合金球突出于固定座中心孔。本發(fā)明通過硬質(zhì)合金球在旋轉(zhuǎn)的軸類金屬材料表面進行滾動，同時三球刀具沿試樣做單方向軸向運動，在材料表層產(chǎn)生塑性變形，使試樣材料表層晶粒發(fā)生晶粒細(xì)化而形成梯度納米組織。
文檔編號B23P9/02GK103074475SQ20131003399
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者斯曉, 陶乃镕, 盧柯 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所