本技術涉及金屬表面納米強化，尤其涉及一種納米強化裝置及方法。

背景技術：

1、傳統的棒狀件在表面納米化加工時，一般會采用單側滾壓法或恒定位移法。單側滾壓法的缺點是：由于在棒狀件的表面會產生較大的滾壓壓力，因此極易變形，尤其是在加工細長棒狀件時，變形尤為明顯。恒定位移法雖然可以解決加工件變形的問題，但是采用恒定位移法進行棒狀件表面納米化加工時，必須采用對稱性非常好的棒狀件，同時裝夾時必須嚴格對中，對原始樣品尺寸精度要求非常高。即便如此，在加工長細絲、細棒時，因為納米化的過程中，納米化刀具的壓入量非常低，因此仍然會出現各個區域納米化不均勻的問題，甚至會出現有些區域無法加工到，而有些區域加工過深等問題。另外，現有加工細長軸的方式都為單側對頂，會導致加工彎曲的問題。

2、中國專利《一種對金屬材料表層處理提高材料性能的三球刀具》(公開號：cn203048994?u)，公開了一種在車床上對軸類金屬材料表層進行處理提高材料性能的三球刀具，其在固定桿上設置固定座，固定座側面設置三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔，固定座的中心設置固定座中心孔，千分加力器安裝孔分別與固定座中心孔相通，三個呈120°角分布的千分加力器分別安裝于三個呈120°角分布的千分加力器安裝孔中，千分加力器與固定座中心孔之間設置硬質合金球，硬質合金球突出于固定座中心孔，該結構的缺點是：使用不便、加工精度低且難以保證納米化加工的尺寸。

技術實現思路

1、本技術的實施例提供一種納米強化裝置及方法，不僅在對細長軸類件進行納米強化加工時不易彎曲，而且可以加深金屬納米層深度，還可以提高表面納米化的精度和光潔度。

2、為達到上述目的，一方面，本技術的實施例提供了一種納米強化裝置，包括沿軸向依次設置的第一納米強化機構和第二納米強化機構；所述第一納米強化機構包括第一環狀刀具保持架和多個第一納米強化刀具組件；多個所述第一納米強化刀具組件沿周向均布在第一環狀刀具保持架內，每個第一納米強化刀具組件與環狀刀具保持架之間均設有第一恒定壓力組件和第一壓力傳感器；所述第二納米強化機構包括第二環狀刀具保持架和多個第二納米強化刀具組件；多個所述第二納米強化刀具組件沿周向均布在第二環狀刀具保持架內，每個第二納米強化刀具組件與環狀刀具保持架之間均設有第二恒定壓力組件和第二壓力傳感器；所述第二納米強化刀具組件和所述第一納米強化刀具組件均與細長軸類件接觸滾壓。

3、進一步地，所述第一環狀刀具保持架包括環狀本體和刀柄；所述刀柄連接在所述環狀本體的外圓面上，所述刀柄與數控車床的刀架連接；所述第二環狀刀具保持架的結構與第一環形刀具保持架相同，且第二環狀刀具保持架的環狀本體與第一環狀刀具保持架的環狀本體連接。

4、進一步地，所述第一納米強化刀具包括納米強化刀具底座和納米強化球；所述納米強化刀具底座的上表面上設有凹槽，所述納米強化球坐在凹槽內且突出于凹槽，凹槽的邊緣設有避讓缺口。

5、進一步地，所述第二納米強化刀具組件包括刀具支架和第二納米強化刀具；所述刀具支架為u型支架；所述第二納米強化刀具為帶有中心孔的輪式結構，第二納米強化刀具的輪緣中間設有強化頭，強化頭為沿周向環繞在輪緣上的凸起；第二納米強化刀具通過連接軸組件連接在u型支架上；第二納米強化刀具與連接軸組件之間通過軸承轉動連接。

6、進一步地，所述第二納米強化刀具內設有兩個軸承安裝孔，所述軸承安裝孔內設有軸承；所述軸承的外圈與所述第二納米強化刀具連接，內圈與所述連接軸組件連接。

7、進一步地，所述連接軸組件的兩端通過螺釘連接在所述刀具支架上；所述連接軸組件上設有外螺紋段，所述外螺紋段上連接螺母，所述螺母能夠對兩個所述軸承進行軸向限位。

8、進一步地，所述強化頭從輪緣上直接凸出或通過圓弧倒角凸出；所述強化頭的截面為半圓；所述半圓的直徑d≤6mm；所述納米強化刀具的輪緣的最大直徑d≤20mm。

9、進一步地，所述第一恒定壓力組件包括依次連接的氣泵、增壓泵、氣壓調節閥、恒壓氣罐和活塞氣缸；所述活塞氣缸的固定端與環狀本體通過壓力傳感器連接，伸縮端通過連接板與所述刀具支架連接；所述氣泵能夠提供基礎氣壓；所述增壓泵能夠提高氣壓；所述氣壓調節閥能夠穩定增壓泵的輸出氣壓；所述恒壓氣罐用于緩沖活塞伸縮時帶來的氣壓變化；所述第二恒定壓力組件的結構與第一恒定壓力組件相同。

10、進一步地，所述第一恒定壓力組件包括依次連接的液壓泵、壓力調節閥、恒壓液壓儲能器和活塞液壓缸；所述活塞液壓缸的固定端與環狀本體通過壓力傳感器連接，伸縮端通過連接板與所述刀具支架連接；所述液壓泵能夠提供基礎穩定液壓；所述壓力調節閥能夠穩定液壓泵的輸出液壓；所述恒壓液壓儲能器用于緩沖活塞伸縮時帶來的液壓變化；所述第二恒定壓力組件的結構與第一恒定壓力組件相同。

11、另一方面，本技術的實施例還提供了一種基于上述納米強化裝置的強化方法，包括以下步驟：s1、將細長軸類件固定在數控車床的卡盤上，將本技術實施例納米強化裝置安裝在刀架上，確保細長軸類件穿過第一環狀刀具保持架和第二環狀刀具保持架的中心，且第一環狀刀具保持架處于細長軸類件的初始加工位置；s2、調節第一恒定壓力組件和第二恒定壓力組件，使每個第二納米強化刀具和第二納米強化刀具均壓入細長軸類件，并通并過第一壓力傳感器和第二壓力傳感器實時測量壓力；s3、啟動數控車床，卡盤帶動細長軸類件旋轉，刀架帶動第二納米強化刀具和第二納米強化刀具沿軸向運動，對細長軸類件進行一道或多道滾壓，直至完成細長軸類件的表面的納米強化后停止。

12、本技術相比現有技術具有以下有益效果：

13、1、本技術實施例納米強化裝置通過設置沿軸向排列的第一環狀刀具保持架和第二環狀刀具保持架，并在兩個環狀刀具保持架內分別設置多個沿周向均布的納米強化刀具，還通過在刀具與保持架之間設置恒定壓力組件，通過調節恒定壓力組件的壓力對細長軸類件的外圓面產生多個均布的壓力，從而避免了加工過程中由于受力不均導致的細長軸類件彎曲，同時利用了恒定氣壓協調作用原理，使得納米強化裝置具有彈性，降低了對細長軸類件的對稱性要求，并通過在環狀刀具保持架與恒定壓力組件之間設置壓力傳感器實時檢測壓力值，進一步提高了表面納米化的精度。

14、2、本技術實施例納米強化裝置設有兩排納米強化刀具，位于前側的第一納米強化刀具優先滾壓，先預制納米層，位于后側的第二納米強化刀具進行二次納米化滾壓的同時，提高了納米層深度并且提高表面光潔度。

15、3、本技術實施例納米強化裝置相比傳統的刀具，其加工的納米層深度可以提高2～4倍，變形層影響可以達到2000μm以上，納米強化效果和效率、表面光潔度均得到顯著提升，表面光潔度實驗室測試可達到0.02以下。

16、4、本技術實施例納米強化裝置相比使用常規的非對稱式、非恒定壓力系統的裝置，其加工的工件的硬度均勻性更好。

17、5、本技術實施例納米強化裝置中的納米強化刀具通過螺母對軸承進行軸向限位，利于納米強化刀具在高速旋轉下兼顧結構穩定和高精度；另外，由于強化頭的截面直徑越小，對被加工件表面的壓強越大，納米強化效果越好，因此，本技術實施例強化裝置通過使納米強化刀具的輪緣的最大值d≤20mm，強化頭截面直徑d≤6mm，從而在金屬表面形成較深的梯度納米層。

18、6、本技術實施例納米強化裝置中的納米強化刀具通過在納米強化刀具底座的凹槽邊緣設置避讓缺口，使得其還可以加工帶拐角的樣品，同時，由于摩擦面積變小，滾動摩擦力更小，潤滑性也更高。