[发明专利]一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法

说明书

一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法，属于金属表面处理领域。该螺旋辊，包括辊体和螺旋线加工刀刃，其装置包括上述的螺旋辊、工作台、中央控制系统、刀具位移传感器、刀具载荷传感器和金属构件位移传感器。用上述螺旋辊进行金属表面处理方法包括：调节金属构件与螺旋辊；螺旋辊自旋转运动和相对于金属构件表面法向运动；调节金属构件水平位移。利用该方法对金属构件进行表面处理，可以除去金属或金属构件表面的氧化皮以及脱碳层，同时可得到具有明显梯度特征的表层组织结构，实现金属表面强化，抑制金属构件在长时间交变载荷或循环载荷作用下服役过程中疲劳裂纹在金属表面的萌生，同时改善金属构件表面耐磨性，提高金属构件的服役寿命。

技术领域

本发明涉及属于金属表面处理领域，尤其涉及一种金属表面处理螺旋辊及其处理装置和处理方法。

背景技术

金属表面处理是获得优异表面性能的重要技术手段。金属表面处理包括除油、除锈、磷化、防锈等基体前处理工艺，为了提高金属表面力学性能，也包括金属表面强化，使得金属表面有较高的硬度。金属表面处理工艺研究一直是本行业中的热点问题，目的是提高金属的抗疲劳性能和耐磨性能，有时还要达到表面除锈处理等目的。

通过表面处理提高疲劳性能是表面处理领域研究的热点之一。疲劳是金属构件在循环载荷或交变载荷作用下长期服役后发生的失效形式。金属构件的疲劳断裂一般分为三个阶段：第一阶段，金属在循环载荷或交变载荷作用下在局部产生疲劳损伤并萌生疲劳裂纹，尤其是表面缺陷或几何应力集中的位置，疲劳裂纹的萌生受表面氧化皮、表面几何形貌和表面力学性能等因素影响较大；第二阶段，裂纹扩展阶段，裂纹扩展速率遵循Paris公式，经过一段时间的扩展以后，构件剩余连接部分连接面积越来越小，因此应力也越来越大，裂纹扩展速率也越来越快；第三阶段，外加载荷超过剩余连接部分的断裂载荷，构件会发生失稳且突然断裂。

金属构件的疲劳断裂经常给企业带来巨大损失，尤其是一些关键构件，不但会造成巨大的经济损失，有时还会带来人员伤亡。如何提高金属构件的疲劳寿命一直是疲劳领域的重要研究课题。因为大多数金属构件的疲劳裂纹都在表面萌生，所以通过表面强化可以抑制裂纹萌生提高金属构件的疲劳寿命。通常，金属构件的表面强化可以分为两类，即热处理类表面强化和冷加工类表面强化。这种分法并不十分严格，有的会将两者结合起来，总体来说，人们通常会使用声、电、光、热和力等一种或多种能量来对金属表面进行改性，从而达到表面强化抑制疲劳裂纹萌生的目的。

热处理是一类较为成熟的金属表面强化技术，常见的有钢的表面淬火、表面渗碳淬火、表面渗氮淬火等等。然而，也有一些构件无法采用热处理强化，原因是在进行表面处理之前，为了使构件达到力学性能要求已经进行过调质处理等热处理。如果再采用热处理的方式进行表面强化，势必可能引起组织变化和力学性能退化，这样的问题是非常严重的，甚至可能导致产品力学性能不合格。对于这样的构件就需要采用冷加工的方式进行表面强化。常用的冷加工表面强化的方法有锤击、喷丸、超声喷丸、表面滚压强化等。

在现有的冷加工表面强化工艺中，锤击和喷丸的历史最为久远，喷丸相当于采用很多个锤头同时击打构件表面产生塑性变形区并引入残余压应力。对强度较低的金属，表面强化效果非常明显，对提高低强度金属构件疲劳寿命也有显著效果，这方面的报道较多，早在上个世纪50年代就有大量的研究，产业化进展也非常好，现在国内有很多生产喷丸设备的厂家，工业化应用有良好的基础，在汽车工业、铁路工业等领域都有大规模应用。喷丸的最大优点就是工艺简单和成本低，这些优点极大地方便了其工程应用进程，深受欢迎。喷丸也有缺点，就是在高强度金属表面强化方面劣势很突出，一方面高强金属表面强化非常困难，喷丸过程中大部分能量无法转换成表面形变能，而是通过热量、声音等能量形式消耗掉；此外，喷丸使用的弹丸冲击表面形成了弹坑，甚至在一些弹坑下面产生了微裂纹，喷丸表面粗糙度较大，一般在Ra 5-15μm之间，本质上高强度金属对表面缺陷就很敏感，因此喷丸对高强度金属表面强化和抗疲劳效果大打折扣。此外，喷丸还容易产生粉尘，给环境带来污染，给操作人员带来身体伤害。