专利名称：对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具及使用方法
技术领域：
本发明涉及在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的表面处理技术，具体是一种在车床上对轴类金属材料表层进行处理提高材料性能的三球刀具及使用方法。
背景技术：
目前，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。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。滚压加工技术安全、方便，能精确控制精度，几大优点:1、提高表面粗糙度，粗糙度基本能达到Ra彡0.08 μ m左右。2、修正圆度,椭圆度可< 0.01mm。3、提高 表面硬度，使受力变形消除，硬度提高HV > 40°。4、加工后有残余应力层，提闻疲劳强度提闻30%ο5、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。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:现有滚压技术是不可能使工件表面形成纳米晶体结构，对提高工件的表面硬度是有限的。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种对金属材料表层进行处理提高材料性能的三球刀具及使用方法，解决单球滚压方式和单轮滚压方式容易使轴类金属试样变形的问题，同时使得试样表面形成纳米晶体结构。本发明采用如下的技术方案:一种对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，该三球刀具固定在车床的刀架上，包括:固定座、硬质合金球、固定杆、千分加力器，具体结构如下:固定杆上设置固定座，固定座侧面设置三个呈120°角分布的千分加力器安装孔，固定座的中心设置固定座中心孔，三个呈120°角分布的千分加力器安装孔分别与固定座中心孔相通，三个呈120°角分布的千分加力器分别安装于三个呈120°角分布的千分加力器安装孔中，千分加力器与固定座中心孔之间设置硬质合金球，硬质合金球突出于固定座中心孔，固定杆和三个千分加力器在一个平面上。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，硬质合金球的直径小于其所在开口的直径，使硬质合金球直接通过固定座中心孔作用在试样上。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，硬质合金球的直径为Φ6-Φ 12mm,固定座中心孔直径为Φ 16mm,试样直径为Φ8-Φ15ι πι。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，千分加力器设有固定套管外管、固定套管内管、测微螺杆及微分筒，固定套管内管套设于测微螺杆上，固定套管外管套设于固定套管内管上，微分筒的一端测微螺杆外侧通过螺纹连接，微分筒的另一端位于固定套管外管的外侧，测微螺杆的一端伸至千分加力器安装孔中，测微螺杆的另一端设有螺帽，测微螺杆与固定套管内管通过螺纹连接。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，固定套管内管的一端伸至千分加力器安装孔中，固定套管内管与固定座交接处开有固定套管内管固定孔，通过顶丝穿设于固定套管内管固定孔，使固定套管内管连接固定于固定座上。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，在三球刀具的硬质合金球与试样接触时，微分筒端部与固定套管的刻度尺交接位置显示的刻度即为三球刀具的进刀量；此时，旋转测微螺杆带动微分筒，微分筒的O刻度偏离刻度尺中心的尺寸，即为硬质合金球压入试样的深度；微分筒与刻度尺的交接位置，指示三球刀具的进刀量以及硬质合金球压入试样的深度。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，固定套管外管表面沿轴向方向由下至上刻有0-15mm的刻度尺,每Imm为一个刻度。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，微分筒通过螺帽固定在测微螺杆上，微分筒的外表面沿圆周刻有0-100均匀分布的微分筒刻度，一个刻度单位为
10μ m。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，固定杆与固定座为一体结构，固定座表面设有与千分加力器安装孔相通的注油孔，注油孔中安装顶丝。所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具的使用方法，该三球刀具对轴类金属材料表面的加工在车床上完成，具体如下:首先将轴类金属材料固定在车床的卡盘上，选择合适直径的硬质合金球放入三球刀具；然后将三球刀具固定在刀架上，给三球刀具注润滑油，手摇刀架，将试样从三球刀具的中心穿入，对刀使得三球刀具的中心与卡盘上试样的轴心重合，手摇刀架将三球刀具移至试样的加工位置，旋转测微螺杆使得三球刀具的硬质合金球压入试样10-40 μ m,给试样浇润滑油，开动机床沿单方向加工试样，转速为30-600转/分，加工完一道次，停止加工，逆时针旋转测微螺杆使得三球刀具的硬质合金球退出，手摇刀架将三球刀具移至试样的加工位置，继续加工试样；从而，通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时三球刀具沿试样做单方向轴向运动， 在材料表层产生塑性变形，使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。本发明具有如下的优点和技术效果:
1、本发明涉及滚压技术，但又区别于滚压技术。本发明的关键在于设计出了一种三球刀具，在对轴类金属材料表层进行加工时，继承了滚压技术的优点，和滚压技术相比三球刀具在加工轴类金属材料时大幅度的减小了轴类金属材料表层的晶粒尺寸，使得轴类金属材料表层的强度也显著增强。2、本发明三球滚压刀具通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时三球刀具沿试样做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。由于三球刀具是三个方向加力(夹角为120°C)，使得在加工较细的轴类金属材料表面时试样不易弯曲，而单球或单轮刀具在加工较细的轴类金属材料表面时试样容易弯曲。3、本发明三球滚压刀具投资少、操作简单方便。
图1为本发明二球刀具结构不意图；其中，Ca)图为主视图；(b)图为俯视图；(c)图为剖视图；(d)图为立体图。图2为本发明三球刀具的测微螺杆结构示意图；其中，Ca)图为主视图；(b)图为俯视图；(c)图为立体图。图3为本发明三球·刀具的固定套管外管结构示意图；其中，Ca)图为主视图；(b)图为俯视图；(c)图为立体图。图4为本发明三球刀具的固定杆结构示意图；其中，(a)图为主视图；(b)图为俯视图；(C)图为(b)的A-A剖视图；(d)图为立体图；(e)图为仰体图。图5为本发明三球刀具的固定套管内管结构示意图；其中，Ca)图为俯视图；(b)图为剖视图；(c)图为立体图。图6为本发明三球刀具的微分筒结构示意图；其中，Ca)图为主视图；(b)图为俯视图；(c)图为(b)图的剖视图；(d)图为立体图。图7为本发明轴类金属材料表面形成纳米梯度组织图。图中，I顶丝I ;2测微螺杆；3固定套管外管；4顶丝II ；5固定座；6硬质合金球；7固定套管内管；8微分筒；9固定杆；10千分加力器；11注油孔；12螺帽；13刻度尺；14千分加力器安装孔；15固定座中心孔；16固定套管内管固定孔；17微分筒刻度。
具体实施例方式下面通过附图对本发明进一步详细描述。如图1-6所示，本发明对金属材料表层进行处理提高材料性能的三球刀具，固定在车床的刀架上，主要包括:固定座5、硬质合金球6、固定杆9、千分加力器10等，具体结构如下:固定杆9上设置固定座5,固定座5侧面设置三个呈120°角分布的千分加力器安装孔14，固定座5的中心设置固定座中心孔15，三个呈120°角分布的千分加力器安装孔14分别与固定座中心孔15相通，三个呈120°角分布的千分加力器10分别安装于三个呈120°角分布的千分加力器安装孔14中，千分加力器10与固定座中心孔15之间设置硬质合金球6，硬质合金球6突出于固定座中心孔15，硬质合金球6的直径略小于其所在开口的直径，使硬质合金球6能够直接通过固定座中心孔15直接作用在试样上。本发明中，固定杆9和三个千分加力器10在一个平面上。如图1、图2、图4所示，千分加力器10设有固定套管(固定套管外管3、固定套管内管7)、测微螺杆2及微分筒8，固定套管内管7套设于测微螺杆2上，固定套管外管3套设于固定套管内管7上，微分筒8的一端测微螺杆2外侧通过螺纹连接，微分筒8的另一端位于固定套管外管3的外侧，测微螺杆2的一端伸至千分加力器安装孔14中，测微螺杆2的另一端设有螺帽12 (图2)，测微螺杆2与固定套管内管7通过螺纹连接。测微螺杆2的材料是由轴承钢淬火得到，为了保证测微螺杆2顶端的耐磨性和螺扣的强度，测微螺杆2的顶端是六角螺帽12，加力方式可以通过手或扳手顺时针旋转，三个千分加力器10可以通过手或扳手控制测微螺杆2顶端的前进及后退量，来控制千分加力器测微螺杆2的进程，由测微螺杆2顶端给千分加力器安装孔14内的硬质合金球6加力，测微螺杆2推动硬质合金球6将力作用在试样上。如图1、图3所示，固定套管外管3表面沿轴向方向由下至上刻有0-15mm的刻度尺13，每1_为一个刻度，通过微分筒8端部与刻度尺13交接位置，确定测微螺杆2的前进及
后退量。如图1、图4、图5所示，固定套管内管7的壁厚为5.5mm，固定套管内管7内壁设有螺纹，其材料是由轴承钢淬火得到，保证螺扣的强度。固定套管内管7的一端伸至千分加力器安装孔14中，固定套管内管7与固定座5交接处开有固定套管内管固定孔16，通过顶丝
II4穿设于固定套管内管固定孔16，使固定套管内管7连接固定于固定座5上。如图1、图4所示，固定杆9与固定座5为一体结构，均为不锈钢材料。固定座5表面设有与千分加力器安装孔14相通的注油孔11，注油孔11中安装顶丝I I。根据需要取出顶丝I I，通过注油孔11给千分加力器安装孔14中的硬质合金球6注油，使得硬质合金球6在力的作用下容易滚动，硬质合金球6受力通过千分加力器10的测微螺杆2实施。如图1、图6所示，微分筒8通过螺帽12固定在测微螺杆2上，微分筒8的外表面沿圆周刻有0-100均匀分布的微分筒刻度17，一个刻度单位为ΙΟμπι。本发明中，微分筒8的作用是根据试样的直径，来选择硬质合金球压入试样的深度(10 μ m-40 μ m)。本发明中，硬质合金球6的直径为Φ6-Φ 12mm,固定座中心孔15直径为Φ 16mm,试样直径为Φ8-Φ15ι πι。在三球刀具的硬质合金球6与试样接触时，微分筒8端部与固定套管的刻度尺13交接位置显示的刻度即为三球刀具的进刀量；此时，旋转测微螺杆2带动微分筒8，微分筒8的O刻度偏离刻度尺13中心的尺寸，即为硬质合金球6压入试样的深度。微分筒8与刻度尺13的交接位置，指示三球刀具的进刀量以及硬质合金球6压入试样的深度。例如:硬质合金球6直径为Φ8πιπι时，三球滚压刀具的进刀量=10+ (试样直径-10)/2,单位mm。如果硬质合金球是Φ6ι πι,需在公式的计算结果上加2 ;如果硬质合金球是Φ7mm，需在公式的计算结果上加I。本发明三球刀具对轴类金属材料表面的加工方法如下:本发明三球刀具对轴类金 属材料表面的加工是在车床上完成的。首先将轴类金属材料固定在车床的卡盘上，选择合适直径的硬质合金球放入三球刀具；然后将三球刀具固定在刀架上，给三球刀具注润滑油，手摇刀架，将试样从三球刀具的中心穿入，对刀使得三球刀具的中心与卡盘上试样的轴心重合，手摇刀架将三球刀具移至试样的加工位置，旋转测微螺杆使得三球刀具的硬质合金球压入试样(10-40 μ m)，给试样浇润滑油(润滑油的作用是冷却和润滑)，开动机床沿单方向加工试样，转速为30-600转/分，加工完一道次，停止加工，逆时针旋转测微螺杆使得三球刀具的硬质合金球退出，手摇刀架将三球刀具移至试样的加工位置，可继续加工试样。从而，通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时三球刀具沿试样做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。试样的表面形貌与滚压技术相当，但轴类金属材料表面会形成纳米梯度组织(图7)。而滚压技术仅仅获得变形组织或亚微米尺寸晶粒，主要是替代磨床的加工工序。`
权利要求
1.一种对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，该三球刀具固定在车床的刀架上，包括:固定座、硬质合金球、固定杆、千分加力器，具体结构如下: 固定杆上设置固定座，固定座侧面设置三个呈120°角分布的千分加力器安装孔，固定座的中心设置固定座中心孔，三个呈120°角分布的千分加力器安装孔分别与固定座中心孔相通，三个呈120°角分布的千分加力器分别安装于三个呈120°角分布的千分加力器安装孔中，千分加力器与固定座中心孔之间设置硬质合金球，硬质合金球突出于固定座中心孔，固定杆和三个千分加力器在一个平面上。
2.按照权利要求1所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，硬质合金球的直径小于其所在开口的直径，使硬质合金球直接通过固定座中心孔作用在试样上。
3.按照权利要求1所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，硬质合金球的直径为Φ6-Φ 12mm,固定座中心孔直径为Φ16ι πι,试样直径为Φ8-Φ 15mm。
4.按照权利要求1所 述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，千分加力器设有固定套管外管、固定套管内管、测微螺杆及微分筒，固定套管内管套设于测微螺杆上，固定套管外管套设于固定套管内管上，微分筒的一端测微螺杆外侧通过螺纹连接，微分筒的另一端位于固定套管外管的外侧，测微螺杆的一端伸至千分加力器安装孔中，测微螺杆的另一端设有螺帽，测微螺杆与固定套管内管通过螺纹连接。
5.按照权利要求4所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，固定套管内管的一端伸至千分加力器安装孔中，固定套管内管与固定座交接处开有固定套管内管固定孔，通过顶丝穿设于固定套管内管固定孔，使固定套管内管连接固定于固定座上。
6.按照权利要求4所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，在三球刀具的硬质合金球与试样接触时，微分筒端部与固定套管的刻度尺交接位置显示的刻度即为三球刀具的进刀量；此时，旋转测微螺杆带动微分筒，微分筒的O刻度偏离刻度尺中心的尺寸，即为硬质合金球压入试样的深度；微分筒与刻度尺的交接位置，指示三球刀具的进刀量以及硬质合金球压入试样的深度。
7.按照权利要求4或6所述的对金属材料表层处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轴向方向由下至上刻有0-15mm的刻度尺,每Imm为一个刻度。
8.按照权利要求4或6所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，微分筒通过螺帽固定在测微螺杆上，微分筒的外表面沿圆周刻有0-100均匀分布的微分筒刻度，一个刻度单位为10 μ m。
9.按照权利要求1所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具，其特征在于，固定杆与固定座为一体结构，固定座表面设有与千分加力器安装孔相通的注油孔，注油孔中安装顶丝。
10.一种权利要求1所述的对金属材料表层处理提高材料性能的三球刀具的使用方法，其特征在于:该三球刀具对轴类金属材料表面的加工在车床上完成，具体如下: 首先将轴类金属材料固定在车床的卡盘上，选择合适直径的硬质合金球放入三球刀具；然后将三球刀具固定在刀架上，给三球刀具注润滑油，手摇刀架，将试样从三球刀具的中心穿入，对刀使得三球刀具的中心与卡盘上试样的轴心重合，手摇刀架将三球刀具移至试样的加工位置，旋转测微螺杆使得三球刀具的硬质合金球压入试样10-40 μ m,给试样浇润滑油，开动机床沿单方向加工试样，转速为30-600转/分，加工完一道次，停止加工，逆时针旋转测微螺杆使得三球刀具的硬质合金球退出，手摇刀架将三球刀具移至试样的加工位置，继续加工试样；从而，通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时三球刀具沿试样做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度 纳米组织。
全文摘要
本发明涉及在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的表面处理技术，具体是一种在车床上对轴类金属材料表层进行处理提高材料性能的三球刀具及使用方法。在固定杆上设置固定座，固定座侧面设置三个呈120°角分布的千分加力器安装孔，固定座的中心设置固定座中心孔，千分加力器安装孔分别与固定座中心孔相通，三个呈120°角分布的千分加力器分别安装于三个呈120°角分布的千分加力器安装孔中，千分加力器与固定座中心孔之间设置硬质合金球，硬质合金球突出于固定座中心孔。本发明通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动，同时三球刀具沿试样做单方向轴向运动，在材料表层产生塑性变形，使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织。
文档编号B23P9/02GK103074475SQ20131003399
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者斯晓, 陶乃镕, 卢柯 申请人:中国科学院金属研究所