一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化装置及工艺的制作方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面晶粒细化的技术，具体为一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置及工艺，该装置通过高速旋转的钢丝刷对金属材料表面进行形变处理，使金属表面形成晶粒细化层以及改善表面压应力层。

背景技术：

从金属材料失效的方式来看，许多破坏都是从金属表面开始的，金属表面最常见的失效与破坏形式主要有疲劳、磨损、腐蚀，金属材料的表面性能直接决定了其综合性能的好坏以及使用寿命的长短。大量的研究显示，表面晶粒细化可以改善金属材料的强度和塑性等性能，因此对金属材料表面进行形变处理诱导表层晶粒细化，可以提高金属材料的抗疲劳性、耐磨性、耐腐蚀性，改善金属材料的表面结构性能，从而提高金属材料的综合性能以及使用寿命。

金属材料实现表面晶粒细化有多种途径，其中一种是表面机械加工处理法，对需要晶粒细化的金属材料表面施加较大的重复载荷，使其发生剧烈变形，表面的晶粒组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米级。通过局部强烈塑性变形使金属表面组织的内部缺陷大量增殖，形成亚结构或再结晶，从而实现晶粒细化。

常见的金属材料表面晶粒细化的机械方法有高能喷丸、机械滚压、机械研磨等技术，通过上述机械方法获得的金属材料表面晶粒细化层沿厚度方向呈梯度变化，与基体组织间不存在明显界限，不会发生脱落和分离，从而大幅提高金属材料的使用性能，表面晶粒细化既适用于材料的整体，又使用于材料局部表面改性。但是上述方法也存在一定的局限性，比如工艺复杂、生产效率低、成本高、对工件的大小形状有一定限制等。

高能喷丸技术是通过喷丸机喷射高速弹丸到材料表面，使材料表面产生强烈塑性变形，形成具有纳米晶体结构的表面层。《1Cr18Ni9Ti不锈钢的喷丸表面纳米化及其对耐蚀性的影响》一文中对试样经喷丸处理后并进行XRD、TEM分析后发现，试样表面晶粒细化，实现了表面纳米化，并且诱发了马氏体相变，但是随着喷丸表面深度增大超过临界值时，尺寸晶粒逐渐增大，马氏体的体积分数逐渐减小。经耐蚀性研究表明，处理后的试样在NaCl溶液中更容易形成稳定的腐蚀钝化膜，其抗氯离子腐蚀性能明显增高。《高能喷丸表面纳米化技术提高接头疲劳强度的可行性研究》和《SS400钢焊接接头表层组织纳米均一化及硬度均一化处理》中对焊缝进行表面进行高能喷丸处理，并进行了XRD、TEM、SEM分析和疲劳试验，结果表明，试样经高能喷丸处理后形成了尺寸均匀且去向随机分布的纳米晶粒，并且焊缝表层硬度一致，且远高于处理前的硬度，并且提高了疲劳强度。这种技术的优点在于适用范围广泛，可对复杂形状工件进行强化；缺点是一般只能实现局部强化。

机械滚压技术是通过驱动特制的滚压工具(通常为淬火钢、硬质合金以及红宝石等高硬度材料制成的滚珠、滚珠或滚轮等形状的工具)在零件表面往复滚压，从而使金属表面晶粒细化。通过对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“摩擦滚压制备金属表面纳米层的方法”，公开号：101445862，公开日2009年6月3日，该专利涉及了一种通过机械滚压细化金属表面晶粒的技术，经处理后的工件获得了晶粒尺寸小于100nm的晶粒细化层。该工艺可以显著的降低金属工件表面的粗糙度，适合用于处理轴类、套筒类工件的内外表面，缺点是无法处理复杂形状的金属工件。

表面机械研磨技术的工作原理为将试样固定于放油大量球形弹丸的容器上部，容器下部与振动发生装置项链，工作时大量弹丸在容器内高速振动，并随机与样品发生表面发生碰撞，在大量弹丸冲击下，材料表面产生的强烈塑性变形是表层晶粒逐渐细化至纳米级。该方法的优点是设备简单，参数易控制，弹丸直径较大，能形成厚度较大的纳米表面纳米化层；缺点是工作时需要把试样放在密闭容器中，加工工件尺寸收到限制。

由此可见，在我国表面机械加工处理方法已经日渐成熟，多种不同的方法均可细化金属表面晶粒，形成纳米层。上述方法均有自己独特的优势，但又存在一定的缺点。

丝刷变形技术是通过采用钢丝刷高速旋转处理金属材料表面使金属表层产生强烈塑性变形，实现晶粒细化，从而获得纳米层的技术。《高速旋转丝变形表面纳米化》一文中采用普通角向磨光机自制的高速旋转丝塑性变形装置，对低碳钢表面进行了塑性变形处理，形成了厚度40μm的晶粒细化层，表层晶粒最小尺寸约为16nm，表层显微硬度显著提高，处理后的工件表面粗糙度Ra约为10μm。该技术工艺简单，对设备要求低，仅需钢丝轮就可以实现，生产成本低。但通过对现有论文与专利的文献检索发现，国内关于此技术的研究甚少。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置及工艺，该装置精度高，可以对大尺寸、形状复杂、精密度高的金属工件进行表面晶粒细化，不仅可以对金属工件局部进行剧烈塑性变形，同时还可以确保这种变形以更高的应变速率实现表面晶粒细化，提高生产效率，而且无需任何弹丸或微粒作为中间能量载体就可以对金属材料表面实现高能表面机械加工。采用该工艺处理后的金属表面更加光滑，力学性能更加优异，因此具有良好的工业化的可能性。

一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置，本发明是通过以下技术方案实现的:

一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置，包括底座、立柱、横梁、X轴运动组件、Y轴运动组件、Z轴运动组件、C轴运动组件、B轴运动组件、XY轴连接件、XZ轴连接件、钢丝刷组件。其中立柱安装在底座上，非工作端的两根立柱通过横梁连接固定；X轴运动组件安装在X轴横梁上与立柱连接，Y轴运动组件安装在Y轴横梁上与X轴通过XY轴连接件连接，Z轴运动组件安装在Z轴立柱上通过XZ轴连接件1、XZ轴连接件2连接，C轴运动组件安装在U型头上通过减速器底座与Z轴相连，B轴安装在U型头上，钢丝刷组件安装在B轴上。

所述的底座上安装有工作台，立柱共有6根，分别与底座通过螺栓连接，排列在底座两侧，底座非工作端的两根立柱与横梁通过螺栓固定连接。

所述的Y轴运动组件，包括Y轴横梁、Y轴减速器及电机、Y轴滚珠丝杠、Y轴联轴器、Y轴轴承座、Y轴直线导轨。Y轴横梁共有2根，下端有安装座，分别与3根立柱通过螺栓固定连接；Y轴横梁上端安装有2个轴承座，Y轴滚珠丝杠通过2个轴承座固定，一端通过Y轴联轴器与减速器及电机相连；Y轴横梁一端开有缺口，缺口内放置减速器及电机，减速器通过支架安装在Y轴横梁上；Y轴横梁上端安装有2根直线导轨，每个直线导轨上装有2个导轨滑块。

所述的XY轴连接件，将Y轴横梁和X轴横梁连接在一起。XY轴连接件下端有4个安装座，分别与Y轴直线导轨上的导轨滑块通过螺栓固定连接，XY轴连接件下端中间部位与Y轴滚珠丝杠上的丝杠副连接；XY轴连接件上端与与X轴通过螺栓紧固连接。

所述的X轴运动组件，包括X轴横梁、X轴减速器及电机、X轴滚珠丝杠、X轴联轴器、X轴轴承座、X轴直线导轨。X轴横梁两端打有通孔，上端安装有2个轴承座，X轴滚珠丝杠通过2个轴承座固定，一端通过X轴联轴器与减速器及电机相连；X轴横梁一端开有缺口，缺口内放置减速器及电机，减速器通过支架安装在X轴横梁上；X轴横梁上端安装有1根直线导轨，侧端装有1根直线导轨，每个直线导轨上装有2个导轨滑块。

所述的XZ轴连接件，将X轴横梁和Z轴立柱连接起来，包括XZ轴连接件1和XZ轴连接件2。XZ轴连接件1横板部分分别与X轴滚珠丝杠的丝杠副和X轴横梁上端的直线导轨上的导轨滑块相连，XZ轴连接件1的竖板部分与X轴横梁侧端的直线导轨上的导轨滑块连接，上述均为螺栓连接；XZ轴连接件2安装在XZ轴连接件1上，Z轴滚珠丝杠的丝杠副安装在XZ轴连接件2上，Z轴直线导轨上的导轨滑块安装在XZ轴连接件2上，Z轴液压缸支座安装在XZ轴连接件2上。

所述的Z轴运动组件，包括Z轴立柱、Z轴电机、Z轴电机支座、Z轴带轮、Z轴滚珠丝杠、Z轴轴承座、Z轴直线导轨、Z轴液压缸、Z轴液压缸支座。Z轴立柱上端装有电机支座，Z轴电机安装在Z轴电机支座上，Z轴立柱内侧装有2个Z轴轴承座，Z轴滚珠丝杠通过Z轴轴承座支撑固定，Z轴电机通过Z轴带轮驱动Z轴滚珠丝杠，Z轴电机和Z轴滚珠丝杠与带轮均为键连接；Z轴立柱内侧装有2根直线导轨，每个直线导轨上有2个导轨滑块；Z轴立柱两侧安装有Z轴液压缸。

所述的C轴运动组件包括C轴电机、C轴减速器底座、C轴减速器总成、U型头。C轴减速器底座通过螺栓固定在Z轴立柱下端，C轴减速器总成安装在C轴减速器底座上，C轴电机与C轴减速器总成安装在一起，C轴电机及C轴减速器总成均在Z轴立柱内部；U型头安装在C轴减速器总成下端，在C轴电机的驱动下U型头可在XY面360°旋转。

所述的B轴运动组件包括B轴电机、B轴轴承、B轴套筒、B轴轴承端盖、B轴空心轴。B轴电机在U型头外侧安装轴承端盖上，与B轴空心轴为键连接，U型头两侧开有大孔，孔上固定有B轴套筒，B轴套筒内通过B轴轴承固定B轴空心轴；钢丝刷电机通过两端的B轴空心轴固定连接，在B轴电机的驱动下可在YZ面做270°旋转。

所述的钢丝刷运动组件包括钢丝刷电机、钢丝刷连接轴、钢丝刷。钢丝刷电机安装在U型头内，钢丝刷与钢丝刷电机通过钢丝刷连接轴相连，钢丝刷在钢丝轮电机的带动下做高速旋转。

作为优化，所述的底座、立柱、横梁、X轴横梁、Y轴横梁、Z轴立柱、XY轴连接件、XZ轴连接件1、XZ轴连接件2、U型头均为铸造件，可以减少装置在工作时的震颤及变形；并且上述铸造件均开有减重孔，可以在不影响装置精度及性能的情况下减轻装置的自重；在上述部件与其他部件的连接部位均有定位台。

作为优化，所述的X轴横梁、Y轴横梁一端开有缺口，采用直角型减速器，伺服电机安装在X轴横梁、Y轴横梁内部，在不影响X、Y轴行程的前提下提高装置的安全性，减小装置的所占空间。

作为优化，为增强X轴横梁的刚度，减小变形量，提高装置性能及精度，在X轴横梁开有减重孔的面上铸有加强筋，并且在X轴横梁内部也铸有加强筋，经理论计算，X轴变形量在误差允许的范围内。

作为优化，2根X轴直线导轨分别安装在X轴横梁的上端与侧面。

作为优化，Z轴立柱、C轴减速器总成内部开有穿线孔，C轴电机、B轴电机以及钢丝刷电机的电线从穿线孔通过。

作为优化，U型头外侧铸有加强筋，提高结构刚度，U型头两侧开有大直径孔，便于钢丝刷电机的安装。

本发明装置的有益之处，与现有技术相比：

该装置整体安装在底座上，采用一体式结构，由于X轴行程长且X轴有变形，因此通过对工作台进行车削可以保证X轴和工作台的绝对平行，从而保证装置的精度。

该装置采用五轴联动，使钢丝刷实现五自由度移动，可以处理复杂金属工件的外表面；工作台足够大，并且钢丝刷高速旋转，可以确保这种变形以更高的应变速率实现表面晶粒细化，因此该装置也可以处理大尺寸工件；同时该装置也可以处理金属工件焊缝等。

该装置在处理金属工件时通过直接接触处理，不需要弹丸或微粒等其它的能量载体，接触压力等参数便于控制；可以根据金属工件形状、尺寸以及处理要求选择不同大小的钢丝轮，既可以实现对金属工件进行全部处理，也可以对金属工件进行局部处理。

通常金属表面的晶粒细化厚度一般在数十微米，而金属工件的塑性变形量更小，该装置的加工处理精度在微米级，因此可以保证处理后金属工件的精度。

该装置可以自动化的批量处理金属工件，因此具有较大的潜力实现工业化生产。

本发明提供的一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的工艺，其特征步骤如下：

金属工件固定在工作台上，钢丝刷以一定的压应力P与金属工件表面接触，在钢丝刷电机的带动下，钢丝刷高速旋转，同时钢丝刷以固定速率v1在平行于金属表面移动，此时金属表面不但受压应力，还受剪切力的作用，使金属表面产生剧烈塑性变形，从而实现金属表面晶粒细化。

其中，所述钢丝刷共五自由度，可以实现X、Y、Z三轴移动，XY、YZ面旋转，根据工件形状的不同，钢丝刷可以到达金属工件需要加工的任何表面。

所述钢丝刷的直径D可以根据处理金属工件的形状及大小进行调整,钢丝刷的钢丝的长度l与直径d要保证相同，确保在工作时金属工件表面受到的压应力和剪切力在允许误差范围内浮动，钢丝轮材质有不锈钢、黄铜、镀铜等，根据处理的金属工件的材质和表面硬度进行选择。

所述钢丝轮空载转速v2不低于10000r/min，钢丝轮在处理金属工件时的移动速度控制在1～5mm/s之间，金属工件表面每一处的处理时间在5～10min之间，钢丝轮对待处理金属工件表面的静压力范围50～100N。

所述金属工件可以为碳钢，采用正火加热，按照1mm厚度加热1～1.5min，将金属工件温度控制在Ae3～Ar3(Ae3～铁素体相变平衡温度，Ar3～冷却时铁素体相变开始温度)，使金属工件组织处于相变区，再通过表面喷火保温装置保持温度恒定，进行工件表面处理。

本发明的有益之处是，与现有技术相比：

本发明研究意义主要是在现有高能喷丸、机械滚压、机械研磨等实现金属表面晶粒细化技术的基础上，提供一种操作更加简便、应用范围更广的金属表面晶粒细化加工的新方法，进一步拓展金属表面晶粒细化技术的加工方法及应用范围。

通过上述发明装置控制钢丝轮可以保证钢丝轮对金属工件表面施加的压应力P不变，移动速率v1恒定，这样可以确保金属材料表面晶粒细化均匀，同时在处理复杂金属工件表面时使用，通过机械手臂控制的钢丝轮可以灵活的达到工件的任何位置，既可以对金属工件任何局部位置进行处理，也可以处理整个金属工件，处理效率高，通过该工艺处理后的金属材料表面结构性能更加优异，具有更长的服役寿命。

通过选取不同材质、不同规格的钢丝轮可以处理更多材质金属工件的表面，仅需更换不同的钢丝轮就可以实现一套装置处理不同材质、不同形状的金属工件，操作灵活、简便。

附图说明

图1为本发明装置的三维结构示意图；

图2位图1所示装置的主视图；

图3为图1所示装置中Z轴运动组件的局部示意图；

图4为图1所示装置中C轴、B轴以及钢丝刷运动组件的局部示意图；

图中：1、底座 2、立柱 3、Y轴滚珠丝杠 4、XY轴连接件 5、横梁 6、Y轴横梁 7、X轴减速器及电机 8、Y轴直线导轨 9、Y轴联轴器 10、Y轴减速器及电机 11、Y轴轴承座 12、X轴横梁 13、X轴联轴器 14、X轴滚珠丝杠 15、X轴直线导轨 16、XZ轴连接件2 17、XZ轴连接件1 18、Z轴液压缸 19、Z轴立柱 20、Z轴电机 21、Z轴电机支座 22、X轴轴承座 23、Z轴液压缸支座 24、Z轴带轮 25、Z轴滚珠丝杠 26、Z轴轴承座 27、Z轴直线导轨 28、C轴电机 29、C轴减速器底座 30、C轴减速器总成 31、U型头 32、B轴套筒 33、B轴轴承端盖 34、B轴空心轴 35、钢丝刷连接轴 36、钢丝刷 37、B轴电机 38、B轴轴承 39、钢丝刷电机；

图5为为Q235钢经正火热处理后再通过高速旋转丝处理的金属工件表面的金相组织图(a)和金属工件内部的金相组织图(b)。

具体实施方式

一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置的实施方式

如图1～4所示，一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的装置，包括：底座(1)、立柱(2)、Y轴滚珠丝杠(3)、XY轴连接件(4)、横梁(5)、Y轴横梁(6)、X轴减速器及电机(7)、Y轴直线导轨(8)、Y轴联轴器(9)、Y轴减速器及电机(10)、Y轴轴承座(11)、X轴横梁(12)、X轴联轴器(13)、X轴滚珠丝杠(14)、X轴直线导轨(15)、XZ轴连接件2(16)、XZ轴连接件1(17)、Z轴液压缸(18)、Z轴立柱(19)、Z轴电机(20)、Z轴电机支座(21)、X轴轴承座(22)、Z轴液压缸支座(23)、Z轴带轮(24)、Z轴滚珠丝杠(25)、Z轴轴承座(26)、Z轴直线导轨(27)、C轴电机(28)、C轴减速器底座(29)、C轴减速器总成(30)、U型头(31)、B轴套筒(32)、B轴轴承端盖(33)、B轴空心轴(34)、钢丝刷连接轴(35)、钢丝刷(36)、B轴电机(37)、B轴轴承(38)、钢丝刷电机(39)。

Y轴减速器及电机(10)为本发明装置Y轴行程的驱动装置，Y轴滚珠丝杠(3)为Y轴的传动装置，通过Y轴联轴器(8)传递Y轴减速器及电机(10)输出的转动力矩，Y轴滚珠丝杠(3)做旋转运动，Y轴滚珠丝杠(3)内的丝杠副带动XY轴连接件(4)及其所承载的部件做直线运动，Y轴直线导轨(8)起到了支撑与导向的作用。

X轴减速器及电机(7)为X轴行程的驱动装置，X轴滚珠丝杠(14)为X轴行程的传动装置，通过X轴联轴器(13)传递X轴减速器及电机(7)输出的转动力矩，X轴滚珠丝杠(14)做旋转运动，X轴滚珠丝杠(14)内的丝杠副带动XZ轴连接件1(17)及其所承载的部件做直线运动，X轴直线导轨(15)起到了支撑与导向的作用。

Z轴电机(20)为Z轴行程的驱动装置，Z轴滚珠丝杠(25)为Z轴行程的传动装置，二者通过Z轴带轮(24)连接传输转动力矩，Z轴滚珠丝杠(25)做旋转运动，由于Z轴滚珠丝杠(25)的丝杠副安装在XZ轴连接件2(16)上，XZ轴连接件2(16)与XZ轴连接件1(17)固定在一起，因此Z轴滚珠丝杠(25)的丝杠副跟随ZX轴连接件1(17)做X轴行程运动，在Z轴行程上无运动，所以Z轴滚珠丝杠(25)带动Z轴立柱(19)做直线运动，从而实现X轴行程的运动，Z轴滚珠丝杠(27)和Z轴液压缸(18)起到支撑和导向的作用。

C轴电机(28)为C轴行程的驱动装置，通过C轴减速器总成(30)进行减速增扭，C轴减速器(30)下端安装U型头(31)，使U型头(31)可以在XY面做360°旋转。

B轴电机(37)为B轴行程的驱动装置，B轴电机(37)通过B轴空心轴(34)带动钢丝刷电机(39)转动，钢丝刷电机(39)可以在YZ面做270°旋转，钢丝刷电机(39)通过钢丝刷连接轴(35)使钢丝刷(36)做高速旋转。

控制各行程运动的驱动装置均为伺服电机，通过编程实现装置自动化，在五轴联动下，钢丝刷可以到达工件的任意外表面。

一种通过高速旋转丝实现金属表面晶粒细化的工艺的实施方式。

以下结合实例、附图对本发明详细说明。

金属样品为Q235普通碳素结构钢，将金属工件加热到1150℃并保温，在冷却至840℃后，使金属组织处于相变区，将金属工件固定在工作台面上并启动喷火保温装置，钢丝轮材质为不锈钢，直径D为100mm，厚度为10mm，然后控制钢丝刷与金属工件接触，钢丝刷与金属工件的接触压力为60N；启动电机，钢丝刷空载转速为12000r/min，此处不移动钢丝轮，对金属工件表面的一处持续处理5min。对处理后的金属工件经抛光等工序处理后制成金相试样，金相图如图5所示。可以看出在金属工件试样表层150μm～200μm深度内铁素体组织形貌发生了明显的变化，晶粒形状规则且尺寸均匀。晶粒细化层的深度增加，细化效果更为明显，晶粒尺寸呈现出较为完美的梯度过渡，在表层40μm左右范围内晶粒尺寸已经达到纳米级别，实验结果表面本发明方法可以实现金属材料表面晶粒细化。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围之内。