[发明专利]一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法

说明书

本发明公开了一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法，属于金属材料表面强化技术领域。该装置包括刀柄、可旋转刀夹和球形加工滚珠。所述可旋转刀夹固定在刀柄上，球形加工滚珠放置于纳米化刀夹中，可自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工装置与曲面金属材料及器件的干涉。利用本表面纳米化加工装置可实现复杂曲面金属材料及器件的表面纳米化加工，获得表面纳米组织结构层。

技术领域

本发明涉及金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法。

背景技术

发动机工作时，曲轴承受较大的交变弯曲应力和扭转应力，且应力分布极不均匀，容易产生疲劳裂纹，导致疲劳断裂的发生。曲轴的连杆轴颈与曲柄的过渡圆角处应力集中程度最为严重，它们往往是疲劳裂纹的起裂源。现行提高曲轴性能的方法主要采用氮化、中频淬火、圆角滚压技术。但是，氮化作为一种对环境有影响的技术制约了其大规模的应用；中频淬火在曲轴行业中普遍采用，但是淬火工艺不易控制，淬硬层容易开裂，并且淬火曲轴易产生较大的变形；圆角滚压虽然能提高球墨铸铁曲轴的疲劳性能，但是其对于锻钢等材质的曲轴强化效果有限，往往达不到设计要求，并且圆角滚压技术得到的表层残余压应力在曲轴服役过程中容易释放，大幅度降低了强化效果。

针对上述问题，考虑曲轴材料的表面可控复合强化技术。它是将热处理(调质处理或中频淬火+低温回火处理)与表面机械滚压纳米化处理(SMRT)相结合，对曲轴材料(如42CrMoA合金钢)进行表面可控复合强化处理，制备出表面梯度纳米结构层以对曲轴材料进行强化。

然而，针对曲轴实体器件以及其他工业加工器件的特殊结构及尺寸，尤其是曲轴器件的连杆轴圆角及主轴圆角部位、曲柄臂立面等具有复杂的曲面结构，可操作空间有限，进行表面纳米化时受到很大的局限性。现有的加工技术如圆角滚压技术，是采用滚压头的滚轮随动式对圆角进行滚压，预置残余压应力层，但是达不到表面纳米化效果，不能产生表面梯度纳米结构层。而常规实现简单圆棒材料表面纳米化的加工系统结构较为简单(如专利ZL201510776845.4)，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表面纳米化处理。因此，如何进行曲轴实体器件的表面纳米化处理是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法，该方法可实现器件的表面纳米化，并获得表面纳米组织结构层，从而提升器件的性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有曲面结构的金属工件的表面纳米化加工方法，该方法是利用带有球形加工滚珠的表面纳米化加工装置进行，通过工艺参数的优化在具有曲面结构的金属工件表面获得表面纳米组织结构层，具体为：所述加工过程由球形加工滚珠在金属工件表面的压入深度控制，根据金属工件表面轮廓特征进行加工路径的规划，球形加工滚珠沿金属工件表面切向进给，加工道次为≥1次，每次加工的压入深度均比上一次的压入深度增加，以获得大应变及应变梯度，从而实现金属工件表面纳米化。

所述表面纳米化加工装置包括刀柄、可旋转刀夹和球形加工滚珠，其中：所述可旋转刀夹设置在刀柄的加工端，所述球形加工滚珠设置于可旋转刀夹上，且球形加工滚珠能够自由滚动，不需要额外的保护罩保持，从而避免加工装置与曲面金属工件的干涉。

所述刀柄的加工端的中部具有凸出的侧表面，该凸出的侧表面上通过螺栓与所述可旋转刀夹连接。

所述可旋转刀夹为柱状结构，可旋转刀夹的一个端部开有内凹槽，内凹槽内嵌入所述球形加工滚珠，所述球形加工滚珠的部分伸出内凹槽且能够自由滚动。

当所述可旋转刀夹的轴线与所述刀柄的轴线平行时，此时可旋转刀夹能够在刀柄的凸出侧表面上相对于所述刀柄轴线进行-90°～+90°角度范围的旋转。