[发明专利]一种实现曲轴器件表面纳米化的加工方法及加工装置

说明书

本发明公开了一种曲轴器件的表面纳米化加工方法及加工装置，属于金属材料表面强化技术领域。表面纳米化加工装置为塔盘式表面纳米化加工装置，包括塔式刀盘、纳米化刀夹、纳米化加工刀头和球形加工滚珠。纳米化刀夹固定在塔式刀盘上，纳米化加工头连接在纳米化刀夹上，球形加工滚珠放置于纳米化加工刀头中，可自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工系统与曲轴器件的干涉。利用表面纳米化加工装置可实现空间狭小区域如曲轴器件圆角部位及曲柄臂的表面纳米化加工，通过工艺参数的优化可获得表面纳米组织结构层，从而提升曲轴的性能。

技术领域

本发明涉及金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种实现曲轴器件表面纳米化的加工方法及加工装置。

背景技术

曲轴是发动机主要的核心部件之一，它的服役性能及可靠性直接影响到发动机及重载车辆、轨道车辆、轮船等主机的安全性能及服役寿命。曲轴在服役过程中承受交变载荷，如交变弯曲应力和扭转应力，且应力分布极不均匀。如曲轴的连杆轴与曲柄臂的过渡圆角、主轴与曲柄臂的过渡圆角等位置容易产生较大的应力集中，这就容易在圆角区域诱导疲劳裂纹的产生，甚至出现曲轴的疲劳断裂失效。现行提升曲轴性能的方法主要包括喷丸、圆角滚压、氮化和中频感应淬火等。喷丸对曲轴性能提升的幅度有限，且表面粗糙度值较高。圆角滚压技术往往用于铸铁曲轴圆角的强化，而对于锻钢类曲轴的强化效果有限，并且圆角滚压获得的残余压应力在服役过程中容易释放，因此锻钢曲轴对于圆角滚压技术使用较少。利用氮化技术可在曲轴表面产生较高硬度的氮化层，以提高曲轴的性能。但是后续的精加工会去除掉一定厚度的氮化层，降低了曲轴的强化效果；同时，氮化层与基体具有明显的界面，在苛刻的使役环境中存在氮化层与基体剥离的风险。随着节能减排的要求越来越高，氮化技术的使用也收到了一定程度的制约。近年来中频感应淬火在曲轴制造中的应用越来越广泛，中频感应淬火之后的曲轴表面硬度提升幅度较大，同时曲轴的疲劳强度也有大幅度的提高。但是中频感应淬火技术本身也存在一定的局限性，比如对于一些硬度设计指标要求高的曲轴，淬火工艺不易控制，淬硬层容易开裂，并且淬火曲轴易产生较大的变形，为后续精加工带来技术难度。

基于现行方法技术存在的局限，提出一种曲轴材料的表面可控复合强化技术。该技术将前期热处理工艺与表面机械滚压纳米化处理(SMRT)相结合，可对曲轴材料(如42CrMoA合金钢等)进行表面可控复合强化处理。而这种复合强化方法的加工系统结构较为简单，如果对曲轴实体器件尤其是圆角等部位进行加工处理时，加工系统会与曲轴圆角周边的结构发生干涉，不能实现曲轴器件尤其是圆角、曲柄臂立面等部位的处理。因此，针对曲轴实体器件的特殊结构，比如狭小空间的复杂曲面部位(主轴圆角、连杆轴圆角、曲柄臂立面等)，如何进行表面纳米化是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现曲轴器件表面纳米化的加工方法及加工装置，可实现曲轴器件包括曲轴圆角等部位的表面纳米化，从而提升曲轴的性能。

本发明的技术方案是：

一种实现曲轴器件表面纳米化的加工装置，其特征在于：该加工装置为塔盘式表面纳米化系统，它主要包括塔式刀盘、纳米化刀夹、纳米化加工刀头和球形加工滚珠，纳米化刀夹固定在塔式刀盘上，纳米化加工头连接在纳米化刀夹上，球形加工滚珠放置于纳米化加工刀头中，可自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工系统与曲轴器件的干涉。

所述球形加工滚珠可在所述纳米化加工刀头中360度自由滚动。

所述球形加工滚珠可方便地从纳米化加工刀头中拆卸。

纳米化加工刀头在纳米化刀夹上的安装时，可根据待加工曲轴的不同部位选择不同的偏转角度，然后再固定于塔式刀盘的外侧的不同刀位上。

一种实现曲轴器件表面纳米化的加工方法，其特征在于：使用前述实现表面纳米化的加工装置，通过表面纳米化工艺参数的优化设计在曲轴器件可纳米化加工部位表面得到表面梯度纳米组织结构层。