机械强力喷丸表面纳米化方法 【技术领域】
本发明涉及一种金属工件表面纳米化的方法，特别是一种应用机械强力喷丸实现工件表面均匀纳米化的方法，用于金属纳米材料技术领域。
背景技术
将金属材料的晶粒细化到纳米晶(小于100nm)，会使其具有独特的力学和物理化学性能。实际上，金属材料的失效大多数发生于材料表面，如能使工件具有纳米晶体结构的表面层，在一定深度的材料表面实现纳米化，在工业上具有重要价值。目前已开发出多种纳米材料的制备技术，如金属蒸发凝聚一原位冷压成型法，机械研磨法、高能球磨法、等通道角挤压法、非晶晶化法和电解沉积法等，由于制备技术复杂和成本高，难以投入工业应用。
经过文献检索，G.Liu等人在《Scripta Materialia》(材料快报)(2001，Vol.44，P1791～1795)上撰文“Low Carbon Steel with Nanostructured SarfaceLayer induced by High-Energy Shot Peening”(“低碳钢应用高能喷丸获得纳米表面层”)”，该文提出采用高能喷丸HESP方法，其特点是钢丸射向工件的方向是不断变化的，使工件表面产生方向不断变化的塑性变形，最终将表面细化为纳米晶。在100×100mm2低碳钢表面获得了20μm深的表面纳米层，喷丸180min的试样最表层的纳米晶大小约为8nm。此方法原理和冯淦等2000年在《金属学报》(Vol.36No3，)发表的“低碳钢超声喷丸表面纳米化的研究”相类似，只是冲击频率减小为3KHz，钢丸直径增加至8mm。这种装置只限于实验室水平，设备大型化很困难，不能实现连续和大规模生产，相应装置的成本也甚为昂贵。
另外，针对现有用于发动机连杆、轴、齿轮和圆柱弹簧零件的喷丸强化设备，工件承放工作台一般为水平方向转动地大转台和多个小转台组合的多功能工作台、或者能作前后、左右平移的工作台。喷丸器固定在工作台上方。这样，钢丸喷向工件表面的方向变动不大，因而工件表面的塑性变形方向是固定的，晶粒只向一个方向伸长，不能产生纳米化的效果。
【发明内容】
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种机械强力喷丸表面纳米化方法，使机械零件表面均匀纳米化，并能进行大规模生产，从而解决了背景技术中存在的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在普通工业应用的强力喷丸机工作台上安装一个盛放工件的支架和料筐，同时在工作台上设置两个轴承，料筐与支架上都设有短轴、轴承，通过安装在工作台上的电机的驱动以及工作台、料筐与支架上的短轴、轴承的相互配合，令工件同时绕两个相互正交的轴线连续摆动或旋转，工件表面受钢丸撞击的方向随之改变，产生持续改变方向的塑性变形，直至细化为纳米晶。
支架上的短轴设置在支架的左右两侧，且两个短轴处于X方向同一轴线，在支架的前后两侧则安装有两个轴承，且两个轴承处于Y方向同一轴线上，短轴的轴线X与轴承的轴线Y相互正交。
料筐比支架略小，料筐的短轴沿同一轴线设置在料筐Y方向两侧。
料筐两侧的两个短轴与支架上的轴承配合，料筐绕Y轴作往复转动(连续摆动)，而支架上X方向的短轴与在工作台上X方向设置的的两个轴承配合，支架绕X轴作往复转动(连续摆动)。支架绕X轴的摆动由安装在工作台上的电机驱动，料筐绕Y轴的摆动由安装在支架上的电机驱动。
对于轴类零件，如长轴阶梯轴、曲轴、凸轮轴、芯轴、芯棒，可以不用料筐。而将工件放置在支架上并连续旋转，工件的轴线与支架的摆动轴正交。具体是：在支架上配置用以安放轴类零件并能使轴类零件在其上转动的支承座，支承座可以沿着支架上的导向槽或导轨移动，以便调整支承座之间的距离，导向槽或导轨的方向与支架摆动轴线正交，在支架的一端设有一个带有卡盘的动力头，用以带动工件旋转，其旋转轴线与支架的摆动轴线正交。工件的转动和支架摆动两个动作同时进行，使喷丸流与工件表面之间的夹角不断变化，从而实现表面变向塑性变形纳米化。支承座可采用V型结构或双滚轮结构，其高度可以根据工件的直径调整，或者由支承座上的滚轮带动工件旋转。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明易于对多种零件，特别是形状较复杂的零件，如轴类和齿轮等零件实行纳米表面均匀强化，本发明易于实施，所涉及的设备比现有技术的投资少，还易于实现连续和大规模工业应用。
【具体实施方式】
结合本发明的方法提供五个具体的实施例：
实施例1.碟形弹簧工件，外圆φ250mm，材料60Si2Mn，要求碟形弹簧面实现纳米强化，层厚20μm。工件平放于料筐中，在机械强力喷丸机上进行喷丸，钢丸球φ2mm，钢丸球冲击齿表面能量8.5J，料筐分别沿X轴向和Y轴向±45°的连续摆动，喷射2h，完成碟形弹簧一个面的均匀纳米化，然后将碟形弹簧翻转180°再行按上述方法喷射2h，完成碟形弹簧另一个面的均匀纳米化。最表面晶粒大小为10nm，纳米层深度为22μm，达到技术要求。
实施例2.轴套零件，外圆φ280mm，内圆φ200mm，高度50mm，材料40Cr，要求轴套内外圆和一个端面实现纳米强化，层厚10μm。将不要求纳米强化的端面朝下放于料筐中固定，在机械强力喷丸机上进行喷丸，钢丸球φ2mm，钢丸球冲击齿表面能量8.5J，料筐分别沿X轴向和Y轴向连续反复作±60°的转动，喷射0.5h。所要求的工件表面达均匀纳米化，最表面晶粒大小为15nm，纳米层深度为15μm，达到技术要求。
实施例3.连杆，材料35CrMo，大头轴径φ80mm，长350mm，杆身截面为工字型，壁厚20mm。要求表面均匀纳米化，层厚25μm，将连杆间隔排放并固定在料筐中，在机械强力喷丸机上进行喷丸，钢球φ2mm，钢丸球冲击齿表面能量8.5J，料筐分别沿X轴向和Y轴向连续作转动±60°的摆动的条件下，喷射1h，然后将连杆反转180°，重复上述操作，完成连杆表面的纳米化，最表面晶粒大小为8nm，纳米层深度为25μm。
实施例4.曲轴，材料QT80-2球墨铸铁，主轴颈合连杆轴颈均为φ110mm，总长度760mm。要求主轴颈、连杆颈表面以及各曲颈表面与扇板平面之间的圆角过渡表面喷丸纳米强化。深度20μm，表层最小晶粒15nm。在强力喷丸机的工作台上安装一个能往复摆动的支架。在支架上配置用以安放曲轴，并使其转动的支承座，调整支承座在支架导向槽或导轨上的高度和支承座之间的距离，支架一端带卡盘的动力头驱使曲轴转动，曲轴的转动轴与支架的摆动轴正交。支架的往复摆动和曲轴连续转动两个动作的组合，造成曲轴表面受钢丸喷射的方向不断变化，导致表面产生变向塑性变形直至转变成纳米晶。钢丸直径φ2mm，钢丸球冲击齿表面能量8.5J，支架摆动±60°摆动频率为3次/分，曲轴转速2转/分。喷丸4h，达到技术要求。
实施例5.圆柱齿轮，材料20CrMnTi，模数4，外径φ450mm，内径φ120mm，在强力喷丸机的工作台上安装一个能往复摆动的支架，在支架上安装一个类似实施例4的转动装置驱动齿轮转动，其旋转的轴线与支架摆动的轴线正交。将圆柱齿轮套在芯轴上，芯轴安装在转动台上，支架的往复摆动和齿轴在芯轴带动下转动两个动作的组合，造成齿面受钢丸喷射的方向不断变化，导致表面产生塑性变形直至转变为纳米晶，钢丸的直径φ2mm，钢丸球冲击齿表面能量8.5J，支架往复摆动±60°和齿轮连续转动的条件下喷丸4h，达到技术要求。