本發(fā)明涉及一種在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的方法及裝置，特別是提供了一種在大尺寸金屬構(gòu)件表層，易于批量化、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；苽湮⒓{米梯度組織的塑性變形新技術(shù)，屬于納米材料制備和材料表面改性處理及塑性加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在金屬構(gòu)件表層制備出微納米梯度組織，可以獲得強(qiáng)度和塑性相互匹配的力學(xué)性能，同時(shí)提高金屬構(gòu)件的疲勞性能。通過劇烈塑性變形技術(shù)制備金屬材料表層微納米組織的方法主要有：超聲噴丸、高能噴丸、表面超聲沖擊處理(ultrasonicsurfaceprocessing和ultrasonicimpactpeening)、表面機(jī)械研磨處理、表面機(jī)械碾壓處理、機(jī)械滾壓處理、絲刷處理和滑動(dòng)摩擦處理等。噴丸技術(shù)存在噪音大和粉塵污染環(huán)境等問題，表面超聲沖擊技術(shù)存在耗能、產(chǎn)生噪音及制備效率低等問題。

中國發(fā)明專利“表面機(jī)械研磨的方法表面納米化(申請(qǐng)?zhí)枺?9122670.4)”公開了一種采用剛性丸粒(鋼球)對(duì)金屬材料表面撞擊，使基體表面產(chǎn)生了劇烈塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)表面組織細(xì)化至納米尺寸，這種方法處理工件表面粗糙度稍大，操作過程繁瑣，實(shí)現(xiàn)連續(xù)和大規(guī)模生產(chǎn)的難度較大，難以滿足實(shí)際應(yīng)用要求，限制了其在工業(yè)中的推廣。中國發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枺?00710011724.6、申請(qǐng)?zhí)枺?01210103152.5、申請(qǐng)?zhí)枺?01310033995.7及申請(qǐng)?zhí)枺?01310185394.8)公開了表面機(jī)械碾壓的方法表面納米化，采用一定曲率半徑或球形刀具在高速旋轉(zhuǎn)工件表面進(jìn)行滾動(dòng)，材料表層產(chǎn)生塑性變形，工件表層晶粒發(fā)生細(xì)化而形成納米梯度組織；中國發(fā)明專利“一種對(duì)金屬表面進(jìn)行梯度納米化的方法(申請(qǐng)?zhí)枺?01310185394.8)”公開了一種采用滾壓刀具連續(xù)式進(jìn)刀對(duì)金屬表面進(jìn)行若干道次滾壓，然后在不退刀且總進(jìn)刀量不變的條件下，在金屬表面滾壓若干道次，獲得一層晶粒尺寸從納米級(jí)到微米級(jí)呈梯度分布的組織細(xì)化層；這些方法處理工件的尺寸較小，制備效率低，實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的難度較大。

中國發(fā)明專利“金屬表面納米化的方法(申請(qǐng)?zhí)枺?00710037030.x)”、“一種在金屬材料表面制備具有梯度納米組織結(jié)構(gòu)的方法(申請(qǐng)?zhí)枺?01210287363.9)”及中國實(shí)用新型專利“金屬材料表面納微米化的裝置(專利申請(qǐng)?zhí)枺?00920025738.8)”和文獻(xiàn)“pengfeichui,kangningsun,changsun,etal.effecteffectofsurfacenanocrystallizationinducedbyfastmultiplerotationrollingonmechanicalpropertiesofa lowcarbonsteel.materialsanddesign.2012,35:754-759”公開了采用旋轉(zhuǎn)圓柱形工具的端面(端面為平面、圓弧曲面或在平端面安裝多個(gè)滾珠)壓入金屬表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，導(dǎo)致晶粒尺寸細(xì)化至納米尺寸；中國發(fā)明專利“一種制備金屬材料納米結(jié)構(gòu)表面層的方法及其裝置(申請(qǐng)?zhí)枺?00910047694.3)”和文獻(xiàn)“白濤、李東、關(guān)凱書.機(jī)械滾壓對(duì)304l不銹鋼組織和性能的影響.金屬學(xué)報(bào)，2011,47(11)：1459-1463”公開了一種在旋轉(zhuǎn)軸(軋輥)上安裝能夠自轉(zhuǎn)的圓形滾輪(軋輥)對(duì)材料表面多次沖擊發(fā)生劇烈塑性變形，導(dǎo)致晶粒尺寸細(xì)化至納米尺寸；中國發(fā)明專利“摩擦滾壓制備金屬表面納米層的方法(申請(qǐng)?zhí)枺?00810204386.2)”公開了一種采用支架帶動(dòng)滾輪在金屬表面上滾壓，使金屬材料表面產(chǎn)生劇烈塑性變形，導(dǎo)致晶粒尺寸細(xì)化至納米尺寸；這些方法處理工件表面的全過程并非連續(xù)成形，操作過程相對(duì)復(fù)雜，工件表面不夠光潔，且制備效率低，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和規(guī)模化生產(chǎn)的難度較大。

中國發(fā)明專利“一種利用滑動(dòng)摩擦實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化(申請(qǐng)?zhí)枺?01110277356.6)”和“采用壓力滑動(dòng)軋制的金屬板表面納米化方法(申請(qǐng)?zhí)枺?00510110985.4)”公開了采用重復(fù)循環(huán)滑動(dòng)摩擦使得金屬材料表面晶粒尺寸細(xì)化至納米尺寸，最終實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化；中國發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枺?01110277356.6)采用硬質(zhì)合金圓球在金屬表面滑動(dòng)，接觸面積很小，摩擦表層的應(yīng)變與應(yīng)變率較大，表面產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，細(xì)化晶粒，這種方法制備效率低，很難滿足工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的要求；中國發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枺?00510110985.4)采用壓力滑動(dòng)軋制板垂直壓入金屬板的表面，金屬板移動(dòng)時(shí)壓力滑動(dòng)軋制板固定不動(dòng)，使得金屬板與壓力滑動(dòng)軋制板之間產(chǎn)生滑動(dòng)和軋制，使得金屬板表面組織發(fā)生高應(yīng)變速率強(qiáng)烈塑性變形形成納米晶表面層，從塑性加工工藝角度而言，該專利應(yīng)為板材拉拔，該方法材料表層主要受到壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，剪切應(yīng)力的作用較小，金屬表層的應(yīng)變(剪切變形)較小，組織細(xì)化能力較弱，雖然這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸金屬板材表面納米化，但存在金屬材料表面納米化效率低和表面不夠光潔等問題。

上述在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的方法在工業(yè)規(guī)?；?、高效批量化和環(huán)境友好生產(chǎn)方面仍然有許多的不足，難以滿足實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的方法，本發(fā)明能夠處理大尺寸的軸類、管類、軋輥類、旋壓芯模類等回轉(zhuǎn)體金屬構(gòu)件的表面，在金屬構(gòu)件表面形成微納米梯度組織，提高構(gòu)件的綜合性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的方法，包括如下步驟：

(1)將加工構(gòu)件裝卡到機(jī)床上，調(diào)整構(gòu)件中心線，使得其中心線與機(jī)床主軸中心線重合；

(2)將多個(gè)軋輥(3-6個(gè)，如三個(gè)或六個(gè)等)均勻分布，安裝在輥架上，根據(jù)構(gòu)件的直徑確定軋輥的位置，通過軋輥進(jìn)退微調(diào)機(jī)構(gòu)精確調(diào)整軋輥位置，使得每個(gè)軋輥與構(gòu)件之間的間隙相同；

(3)采用塞尺測(cè)量軋輥到構(gòu)件的間隙，調(diào)整軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)刻度尺的位置，使得軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)刻度尺顯示的數(shù)據(jù)與塞尺測(cè)量數(shù)據(jù)一致；

(4)設(shè)計(jì)道次壓下量，并采用多個(gè)同步軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)，使得多個(gè)軋輥同步向被旋碾金屬構(gòu)件移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)軋輥對(duì)金屬構(gòu)件具有相同的壓下量；然后，啟動(dòng)冷卻潤滑系統(tǒng)，對(duì)金屬構(gòu)件和軋輥進(jìn)行冷卻；

(5)啟動(dòng)機(jī)床，金屬構(gòu)件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，軋輥和輥架一起沿金屬構(gòu)件軸向進(jìn)給，多個(gè)軋輥在摩擦力的作用下同時(shí)自轉(zhuǎn)，對(duì)金屬構(gòu)件同時(shí)進(jìn)行旋碾塑性變形；

(6)對(duì)步驟(4)和(5)反復(fù)交替進(jìn)行，對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行多道次旋碾，直到在金屬構(gòu)件表層獲得一層微納米級(jí)超細(xì)梯度組織。

所述步驟(6)之后，增加步驟(7)：

(7)對(duì)步驟(6)加工的構(gòu)件取樣，采用tem(hrem)、sem(ebsd)和xrd測(cè)試微納米梯度組織層的厚度和組織大小。

所述機(jī)床為車床等機(jī)械加工設(shè)備，機(jī)床具備實(shí)現(xiàn)構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)。

步驟(2)中，所述軋輥的個(gè)數(shù)為三個(gè)至六個(gè)，如三個(gè)或六個(gè)等。

步驟(3)中，所述軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)刻度尺等分刻度的每一分度(每格)表示0.01mm，刻度尺準(zhǔn)確到0.01mm；確定軋輥與構(gòu)件間隙為零的位置(零點(diǎn))后，刻度尺上的負(fù)數(shù)表示軋輥壓下量，正數(shù)表示軋輥與構(gòu)件之間的間隙值。

步驟(4)中，所述軋輥的壓下量為0.04mm～0.2mm。

步驟(5)中，所述金屬構(gòu)件的轉(zhuǎn)速為2r/s～16r/s，軋輥的軸向進(jìn)給量為0.1mm/s～1.2mm/s。

步驟(2)中，所述軋輥的材料為gcr15軸承鋼或cr12mov等模具鋼。

步驟(5)中，所述金屬構(gòu)件經(jīng)過多道次旋碾后，金屬構(gòu)件表層微納米梯度組織的厚度為100μm～1000μm。

本發(fā)明的另一目的是提供一種在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置，其特征在于：主要包括軋輥、 軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)、輥架、輥架固定及進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及潤滑冷卻系統(tǒng)，所述軋輥與所述軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)相連接，所述軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)與所述輥架相連接，所述輥架與所述輥架固定及進(jìn)給機(jī)構(gòu)相連接，所述輥架固定及進(jìn)給機(jī)構(gòu)與所述潤滑冷卻系統(tǒng)相連接。

所述軋輥的輥面包括壓下變形段和精整壓光段兩部分，壓下變形段為一個(gè)或多個(gè)光滑球形圓弧曲面，精整壓光段為圓柱面。

步驟(2)中，所述軋輥的直徑為60mm～150mm。

步驟(2)中，所述軋輥輥面壓下變形段球形圓弧半徑為6mm～15mm。

所述軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括楔塊、手輪、套、蝸桿蓋、蝸桿、大齒輪、大軸承壓環(huán)、緊固螺桿、大軸承、套蓋、連接塊、小軸承壓環(huán)、小軸承、小齒輪、空心螺桿、芯桿、制動(dòng)塊、微調(diào)螺母、鎖緊螺母、連接螺母、測(cè)量套管、刻度尺和固定套管；套與套筒之間采用螺桿連接，楔塊和芯桿之間采用連接塊連接，套內(nèi)裝有大軸承和小軸承，通過大軸承壓環(huán)和小軸承壓環(huán)和緊固螺桿固定；套蓋內(nèi)裝有同樣的大軸承和小軸承，同樣通過壓環(huán)和螺桿固定；將大齒輪和小齒輪的頸部插入套蓋內(nèi)的大軸承和小軸承內(nèi)，并通過緊固螺桿將套蓋固定在套上；蝸桿與大齒輪嚙合，手輪與蝸桿連接，空心螺桿與小齒輪嚙合，微調(diào)螺母和鎖緊螺母通過螺紋安裝在空心螺桿和芯桿上，刻度尺通過螺紋固定在固定套管上，測(cè)量套管連接在空心螺桿上。

所述輥架主要包括開口槽、軸承座、軸承、墊塊、軸承、軸座后壓蓋、軸承壓環(huán)、緊固螺母、空心軸、緊固螺桿、套筒、軸承座墊板和軸座前壓蓋；空心軸安裝在軸承、墊塊和軸承上，通過軸承壓環(huán)和緊固螺母將軸承與空心軸固定；將裝配好的空心軸與軸承放入軸承座，通過軸座前壓蓋固定在軸承座上，然后通過緊固螺桿將軸座后壓蓋固定在軸承座上，在軸承座的底端連接上軸承座墊板，帶有墊板的多個(gè)軸承座位于套筒的開口槽上。

所述軋輥、小齒輪、空心螺桿及芯桿的數(shù)目為三個(gè)或六個(gè)。

所述軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)具有每個(gè)軋輥單獨(dú)進(jìn)退微調(diào)和多個(gè)軋輥同步進(jìn)退調(diào)整功能。

所述軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)通過蝸輪蝸桿和楔塊調(diào)整，通過大齒輪的外齒與蝸桿嚙合形成蝸輪蝸桿傳動(dòng)，大齒輪的內(nèi)齒同多個(gè)(三個(gè)或六個(gè)等)小齒輪嚙合，小齒輪內(nèi)螺紋與螺桿形成螺母螺桿傳動(dòng)；大齒輪跟隨蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪的內(nèi)齒帶動(dòng)多個(gè)小齒輪同步旋轉(zhuǎn)，多個(gè)小齒輪同步旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)多個(gè)螺桿同步前后運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連接在多個(gè)螺桿上的多個(gè)楔塊同步前后運(yùn)動(dòng)，通過楔塊前后運(yùn)動(dòng)推動(dòng)多個(gè)軋輥同步向構(gòu)件進(jìn)退。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

1.本發(fā)明以金屬材料表面微納米技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、大規(guī)模批量化、環(huán)境友好生產(chǎn)為出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)，將高效塑性變形、大應(yīng)變(大剪切變形)、大應(yīng)變梯度、高應(yīng)變速率及大應(yīng)變速率梯度相結(jié)合，首次發(fā)明了旋軋碾壓(旋碾)塑性變形新技術(shù)制備微納米材料，提出了在大尺寸金屬構(gòu)件表層實(shí)現(xiàn)微納米梯度組織的工業(yè)規(guī)模化、高效、環(huán)境友好生產(chǎn)的技術(shù)構(gòu)想。

2.制備效率高。本發(fā)明采用多個(gè)軋輥同時(shí)對(duì)大尺寸構(gòu)件表層進(jìn)行旋碾塑性變形處理，顯著提高了在構(gòu)件表層獲得微納米梯度組織的制備效率；且具有良好的可控性和可操作性，易于在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、批量化和高效生產(chǎn)。

3.制備成本低。將輥架盤及軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)固定在車床的走刀箱的中滑板上，在商用車床上可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明；利用現(xiàn)有裝備，可實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件表層微納米梯度組織的制備；投資小，成本低。

4.構(gòu)件表面潔凈、無污染、表面光潔。由于軋輥和構(gòu)件同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，軋輥與構(gòu)件之間為滾動(dòng)摩擦，軋輥與構(gòu)件不易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，fe和c等元素很難擴(kuò)散到構(gòu)件表面，構(gòu)件表面潔凈，無污染，軋輥的精整壓光段對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行精整壓光，構(gòu)件表面光潔，表面質(zhì)量高。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式和操作過程進(jìn)行詳細(xì)說明，將有助于理解本發(fā)明，但并不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置的安裝立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置的右視橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明輥架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5-1為本發(fā)明軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)上部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5-2為本發(fā)明軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)下部分順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6-1為本發(fā)明輥面壓下變形段為一個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6-2為本發(fā)明輥面壓下變形段為兩個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6-3為本發(fā)明輥面壓下變形段為三個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6-4為本發(fā)明空心軸換成實(shí)心軸后輥面壓下變形段為一個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6-5為本發(fā)明空心軸換成實(shí)心軸后輥面壓下變形段為兩個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6-6為本發(fā)明空心軸換成實(shí)心軸后輥面壓下變形段為三個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中主要零部件名稱

1軋輥2輥架

3軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)4輥架固定及進(jìn)給機(jī)構(gòu)

5潤滑冷卻系統(tǒng)6冷卻介質(zhì)

7構(gòu)件固定及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)8構(gòu)件

2-1開口槽2-2軸承座

2-3軸承2-4墊塊

2-5軸承2-6軸座后壓蓋

2-7軸承壓環(huán)2-8軸管緊固螺母

2-9空心軸2-10緊固螺桿

2-11套筒2-12軸承座墊板

2-13軸座前壓蓋3-1楔塊

3-2手輪3-3套

3-4蝸桿蓋3-5蝸桿

3-6大齒輪3-7大軸承壓環(huán)

3-8緊固螺桿3-9大軸承

3-10套蓋3-11連接塊

3-12小軸承壓環(huán)3-13小軸承

3-14小齒輪3-15空心螺桿

3-16芯桿3-17制動(dòng)塊

3-18微調(diào)螺母3-19鎖緊螺母

3-20連接螺母3-21測(cè)量套管

3-22刻度尺3-23固定套管

具體實(shí)施方式

如圖1所示，為本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置的安裝立體結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置主要包括軋輥1、輥架2、軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)3、輥架固定及進(jìn)給機(jī)構(gòu)4以及潤滑冷卻系統(tǒng)5。另外，潤滑冷卻介質(zhì)6由潤滑冷卻系統(tǒng)5噴出，圖中，7為構(gòu)件固定及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，8為 構(gòu)件。

如圖2所示，為本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為軋輥，2為輥架，3為軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)；i所示為軋輥輥架結(jié)構(gòu)示意圖，ⅱ所示為軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)上部分的結(jié)構(gòu)示意圖，ⅲ所示為軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)下部分結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖3所示，為本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織裝置的右視橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，2-1為輥架2上的開口槽，3-2為軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)3上的手輪，4為輥架固定及進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

如圖4所示，為本發(fā)明輥架結(jié)構(gòu)示意圖，其中，包括開口槽2-1、軸承座2-2、軸承2-3、墊塊2-4、軸承2-5、軸座后壓蓋2-6、軸承壓環(huán)2-7、緊固螺母2-8、空心軸2-9、緊固螺桿2-10、套筒2-11、軸承座墊板2-12和軸座前壓蓋2-13，空心軸2-9安裝在軸承2-3、墊塊2-4和軸承2-5上，通過軸承壓環(huán)2-7和緊固螺母2-8將軸承2-3和軸承2-5與空心軸2-9固定；將裝配好的空心軸2-9與軸承2-3和軸承2-5放入軸承座2-2，采用軸座前壓蓋2-13固定在軸承座2-2上，然后采用緊固螺桿將軸座后壓蓋2-6固定在軸承座2-2上；在軸承座2-2的底端連接上軸承座墊板2-12，將帶有墊板的多個(gè)(三個(gè)或六個(gè)等)軸承座2-2放入套筒2-11的開口槽2-1上，并在軸承座墊板2-12與開口槽2-1之間插入楔塊3-1，使得軸承座2-2、楔塊3-1和套筒2-11相互連接，與軋輥1連接的軸2-9為空心軸，亦可采用實(shí)心軸，軋輥1與軸之間采用螺桿緊固；楔塊3-1與軸承座2-2和套筒2-11之間采用燕尾槽連接，當(dāng)楔塊3-1前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，楔塊3-1的斜面可推動(dòng)軸承座(空心軸)進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軋輥1的進(jìn)退。

如圖5-1所示，為本發(fā)明軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)上部分結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5-2所示，為本發(fā)明軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)下部分順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°結(jié)構(gòu)示意圖，軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)3主要包括楔塊3-1(圖2中有標(biāo)示)、手輪3-2、套3-3、蝸桿蓋3-4、蝸桿3-5、大齒輪3-6、大軸承壓環(huán)3-7、緊固螺桿3-8、大軸承3-9、套蓋3-10、連接塊3-11、小軸承壓環(huán)3-12、小軸承3-13、小齒輪3-14、空心螺桿3-15、芯桿3-16、制動(dòng)塊3-17、微調(diào)螺母3-18、鎖緊螺母3-19、連接螺母3-20、測(cè)量套管3-21、刻度尺3-22和固定套管3-23，套3-3與套筒2-11之間采用螺桿連接，楔塊3-1和芯桿3-16之間采用連接塊3-11連接。在軋輥進(jìn)退機(jī)構(gòu)3左側(cè)的套3-3內(nèi)裝上大軸承3-9和小軸承3-13，采用大軸承壓環(huán)3-7和小軸承壓環(huán)3-12和緊固螺桿固定；在其右側(cè)的套蓋3-10內(nèi)裝上同樣的大軸承3-9和小軸承3-13，同樣采用壓環(huán)和螺桿固定。將大齒輪3-6和小齒輪3-14的頸部插入套蓋3-10內(nèi)的大軸承3-9和小軸承3-13內(nèi)，然后采用緊固 螺桿將套蓋3-10固定在套3-3上。蝸桿3-5與大齒輪3-6嚙合，手輪3-2與蝸桿3-5連接，空心螺桿3-15與小齒輪3-14嚙合。微調(diào)螺母3-18和鎖緊螺母3-19通過螺紋安裝在空心螺桿3-15和芯桿3-16上?？潭瘸?-22通過螺紋固定在固定套管3-23上，測(cè)量套管3-21連接在空心螺桿3-15上。

小齒輪3-14、空心螺桿3-15及芯桿3-16等的數(shù)目為三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或六個(gè)等多個(gè)，本發(fā)明實(shí)施例中軋輥及對(duì)應(yīng)小齒輪、空心螺桿和芯桿等的數(shù)目為三個(gè)，但并不意味著本發(fā)明的軋輥及對(duì)應(yīng)零件數(shù)量?jī)H限定于三個(gè)。

楔塊3-1、連接塊3-11、空心螺桿3-15、芯桿3-16、微調(diào)螺母3-18、鎖緊螺母3-19和連接螺母3-20相互連接形成一個(gè)整體，空心螺桿3-15或芯桿3-16的前后運(yùn)動(dòng)都可推動(dòng)楔塊3-1的前后運(yùn)動(dòng)。所述手輪3-2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與蝸桿3-5嚙合的大齒輪3-6轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)齒帶動(dòng)小齒輪3-14轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪3-14內(nèi)螺紋發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與其嚙合的空心螺桿3-15發(fā)生前后運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)楔塊3-1前后運(yùn)動(dòng)，使得楔塊3-1的斜面推動(dòng)軸承座2-2(空心軸2-9)進(jìn)退，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軋輥的進(jìn)退。

鎖緊螺母3-19和連接螺母3-20松開、卸下后，旋轉(zhuǎn)微調(diào)螺母3-18，與其通過螺紋嚙合的芯桿3-16能夠輕微的前后移動(dòng)，輕微的推動(dòng)楔塊3-1前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軋輥進(jìn)退微調(diào)。所述測(cè)量套管3-21能夠隨空心螺桿3-15前后運(yùn)動(dòng)，確定軋輥與構(gòu)件間隙為零的位置(零點(diǎn))后，測(cè)量套管3-21外徑最小的一端與刻度尺上交匯對(duì)應(yīng)的讀數(shù)(負(fù)數(shù))為軋輥的壓下量，正數(shù)表示軋輥與構(gòu)件之間的間隙值。

軋輥1的輥面包括壓下變形段和精整壓光段兩部分，壓下變形段為一個(gè)或多個(gè)(兩個(gè)、三個(gè)等)光滑球形圓弧曲面，精整壓光段為圓柱面。軋輥1具有兩種連接方式，可通過空心軸或?qū)嵭妮S連接。

如圖6-1所示，為本發(fā)明輥面壓下變形段為一個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖；如圖6-2所示，為本發(fā)明輥面壓下變形段為兩個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖；如圖6-3所示，為本發(fā)明輥面壓下變形段為三個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖；如圖6-4所示，為本發(fā)明空心軸換成實(shí)心軸后輥面壓下變形段為一個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖；如圖6-5所示，為本發(fā)明空心軸換成實(shí)心軸后輥面壓下變形段為兩個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖；圖6-6為本發(fā)明空心軸換成實(shí)心軸后輥面壓下變形段為三個(gè)光滑球形圓弧曲面的軋輥結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明軋輥對(duì)金屬構(gòu)件表面旋軋碾壓塑性變形的加工方法如下：

本發(fā)明軋輥對(duì)金屬構(gòu)件表面旋碾塑性變形是在車床上完成。首先將金屬構(gòu)件固定在車床的卡盤上，調(diào)整構(gòu)件的裝卡位置，使其中心線與車床主軸中心線重合(找 正、對(duì)中)；然后將旋碾裝置(本發(fā)明的在金屬構(gòu)件表層制備微納米梯度組織的裝置)固定在車床走刀箱的中滑板上，搖動(dòng)車床手輪，將金屬構(gòu)件插入旋碾裝置的中心，搖動(dòng)中滑板手柄調(diào)整旋碾裝置的位置，使得旋碾裝置中心線(中心)與金屬構(gòu)件的軸線(軸心)重合；搖動(dòng)車床手輪，將旋碾裝置從金屬構(gòu)件中退出，根據(jù)金屬構(gòu)件的直徑選擇合適直徑的軋輥，采用緊固螺桿將軋輥固定到輥架上；搖動(dòng)車床手輪，將金屬構(gòu)件插入三軋輥的中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)的手輪3-2，使得三軋輥同步貼近金屬構(gòu)件，并采用塞尺測(cè)量每個(gè)軋輥到金屬構(gòu)件的間隙，松開、卸下鎖緊螺母3-19和連接螺母3-20，轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)螺母3-18，微調(diào)整每個(gè)軋輥的位置，使得每個(gè)軋輥到構(gòu)件的間隙一致。然后，裝上、擰緊鎖緊螺母3-19和連接螺母3-20，并采用塞尺測(cè)量出軋輥與構(gòu)件之間的間隙值。

轉(zhuǎn)動(dòng)刻度尺3-22，使得測(cè)量套管3-21外徑最小的一端與刻度尺3-22上交匯對(duì)應(yīng)的讀數(shù)(正數(shù))為間隙值；搖動(dòng)車床手輪，將軋輥從金屬構(gòu)件中退出，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)的手輪3-2，使得測(cè)量套管3-21外徑最小的一端與刻度尺上的讀數(shù)0(零)交匯，此時(shí)軋輥到金屬構(gòu)件的間隙為零；設(shè)計(jì)軋輥道次壓下量(0.04mm～0.2mm)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)的手輪3-2，使得測(cè)量套管3-21外徑最小的一端與刻度尺上交匯的讀數(shù)(負(fù)數(shù))為軋輥道次壓下量(0.04mm～0.2mm)。

啟動(dòng)潤滑冷卻系統(tǒng)5，給試樣澆潤滑冷卻液，開動(dòng)車床，構(gòu)件8高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為2r/s～16r/s，走刀箱(軋輥)的軸向進(jìn)給量為0.1mm/s～1.2mm/s，在構(gòu)件8高速轉(zhuǎn)動(dòng)和軋輥1軸向進(jìn)給的作用下，產(chǎn)生摩擦力使得軋輥1發(fā)生自轉(zhuǎn)，軋輥1對(duì)構(gòu)件8表層進(jìn)行旋碾塑性變形(大剪切塑性變形)；旋碾完一道次后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)軋輥進(jìn)退調(diào)整機(jī)構(gòu)的手輪3-2，使得軋輥1與構(gòu)件8之間有一定間隙，手搖車床手輪將構(gòu)件8從軋輥1中退出，然后繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)多道次的旋碾塑性變形，直到將表層粗大組織逐漸細(xì)化成微、納米級(jí)超細(xì)梯度組織，對(duì)旋碾塑性變形后的構(gòu)件8取樣，采用tem(hrem)、sem(ebsd)和xrd測(cè)試微納米梯度組織層的厚度和組織大小。

實(shí)施例1

采用本發(fā)明的旋軋碾壓(旋碾)塑性變形技術(shù)，在大型臥式車床上處理直徑為450mm的20號(hào)鋼軸，軋輥直徑為140mm，輥面壓下變形段球形圓弧半徑為14mm，車床主軸(構(gòu)件)轉(zhuǎn)速為4r/s，軋輥軸向進(jìn)給量為0.48mm/s，軋輥道次壓下量為0.08mm，采用乳化液潤滑冷卻，對(duì)20號(hào)鋼軸的表面進(jìn)行6道次旋碾塑性變形后，表層形成厚度約為960μm的微納米梯度組織，表面層為尺寸小于100nm的納米組織。

實(shí)施例2

采用本發(fā)明的旋軋碾壓(旋碾)塑性變形技術(shù)，在大型臥式車床上處理直徑為200mm的znal合金棒材，軋輥直徑為80mm，輥面壓下變形段球形圓弧半徑為6mm，車床主軸(構(gòu)件)轉(zhuǎn)速為14r/s，軋輥軸向進(jìn)給量為1.68mm/s，軋輥道次壓下量為0.06mm，采用乳化液潤滑冷卻，對(duì)znal合金棒材的表面進(jìn)行8道次旋碾塑性變形后，表層形成厚度約為600μm的微納米梯度組織，表面層為尺寸小于100nm的納米組織。

實(shí)施例3

采用本發(fā)明的旋軋碾壓(旋碾)塑性變形技術(shù)，在大型臥式車床上處理外徑為360mm、厚度為40mm的monel400厚壁管，軋輥直徑為120mm，輥面壓下變形段球形圓弧半徑為10mm，車床主軸(構(gòu)件)轉(zhuǎn)速為6r/s，軋輥軸向進(jìn)給量為0.24mm/s，軋輥道次壓下量為0.04mm，采用乳化液潤滑冷卻，對(duì)monel400厚壁管的外表面進(jìn)行10道次旋碾塑性變形后，表層形成厚度約為400μm的微納米梯度組織，表面層為尺寸小于100nm的納米組織。

實(shí)施例4

采用本發(fā)明的旋軋碾壓(旋碾)塑性變形技術(shù)，在大型臥式車床上處理直徑為220mm的鎂鋰合金棒材，軋輥直徑為80mm，輥面壓下變形段球形圓弧半徑為6mm，車床主軸(構(gòu)件)轉(zhuǎn)速為3r/s，軋輥軸向進(jìn)給量為0.18mm/s，軋輥道次壓下量為0.07mm，采用乳化液潤滑冷卻，對(duì)znal合金棒材的表面進(jìn)行10道次旋碾塑性變形后，表層形成厚度約為850μm的微納米梯度組織，表面層為尺寸小于100nm的納米組織。

該方法采用能夠自轉(zhuǎn)的多個(gè)軋輥在旋轉(zhuǎn)的金屬構(gòu)件表面同時(shí)進(jìn)行多道次旋軋碾壓(旋碾)塑性變形，能夠在不同直徑的大尺寸的軸類、管類、軋輥類、旋壓芯模類等回轉(zhuǎn)體金屬構(gòu)件的表層實(shí)現(xiàn)微、納米級(jí)超細(xì)梯度組織。

本發(fā)明采用多個(gè)軋輥對(duì)構(gòu)件同時(shí)旋軋碾壓(旋碾)塑性變形，處理構(gòu)件的表面質(zhì)量高，制備效率高，易于實(shí)現(xiàn)批量化和環(huán)境友好生產(chǎn)，有助于推動(dòng)金屬材料表面納米技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。