棒狀金屬材料表面自納米化裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及棒狀金屬材料表面自納米化裝置，屬于金屬材料加工領域。
【背景技術】
[0002]金屬材料表面自身納米化(SNC)是1997年首先由中科院金屬研宄所盧柯首先提出的一個全新的概念，即在材料自身表面形成具有納米結構的表面層。該納米表層具有優異的性能，對傳統工程材料的表面改性具有很大的工業應用價值。目前表面自身納米化的研宄主要集中于機械加工的方法。
[0003]表面機械加工法主要通過表面塑性變形以及位錯的運動來細化晶粒，即外加載荷重復作用于材料表面，使表面組織產生不同方向的強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級，表面自納米化后表層優良的性能使材料的綜合性能得以提高。迄今為止，表面機械加工法已成功地對純鐵、純銅、鋁合金、40Cr、低碳鋼和不銹鋼等材料表面實現了表面納米化。采用方法不同，所適用的外形及尺寸范圍也有所差異。下面就三種典型的方法及其適用范圍做以簡單的介紹。
[0004]1.表面機械研磨/超聲噴丸設備。在一個容器中放置大量的球形彈丸，容器的上部固定樣品，下部與振動發生裝置相連，工作時彈丸在容器內作高速振動，并以隨機的方向與樣品表面發生碰撞。使材料表面發生多系滑移和產生多系孿晶從而使表面晶粒細化。通常當振動頻率在50Hz時稱為表面機械研磨法(SMAT)，當振動頻率在20kHZ時稱為超聲噴丸(USSP)。但這兩種設備因其結構特點存在不足之處:由于采用的彈丸彈丸直徑較大，所以不能處理具有復雜形狀的試件，一般適用于處理邊長10mm左右的薄板試件。
[0005]2.旋轉輥壓塑性變形表面納米化設備。制備出了比較厚的表面納米化層。該裝置以排列了許多凸起的高速旋轉輥壓輪與樣品緊密接觸，使樣品表面產生強烈多向塑性變形而形成高密度位錯的塑性變形帶，在運動過程中位錯不斷增殖、煙滅、重排，致使表面晶粒得到細化，從而達到表面納米化的目的。南京理工大學首次采用了旋轉輥壓塑性變形方法對10#鋼實現回轉體材料的表面納米化。但該設備只適應于圓柱體及圓環形柱體的表面納米化，在應用上存在很大的局限性。
[0006]3.超音速轟擊法(SFPB)。超音速轟擊法是一種利用氣-固雙相流作為載體，用超音速氣流(氣流速可達300?1200m/s)攜帶硬質固體微粒以極高的動能轟擊金屬表面使其產生強烈的塑性變形，將晶粒細化到納米量級的處理技術。超音速轟擊法設備復雜且價格昂貴，技術難度高、工藝條件嚴格。
[0007]綜上可見，目前的納米化設備還存有很多不足之處，尤其在適用外形范圍方面，多傾向于平面板材等規則的機械零件處理，而對于工業或建筑領域應用較為廣泛的一些棒狀金屬零件(尤其是具有復雜表面形狀的棒狀金屬材料，例如螺紋鋼筋等)，仍面臨著處理成本較高、變形不均勻及質量較差的問題。鑒于表面納米化改性對棒材具有的潛在優異的力學性能(Lu K, Wang J T, Wei W D.A new method for synthesizing nanocrystallinealloys[J].Journal of applied physics，1991，69 (I):522-524.)和耐蝕性能(Balusamy T，Kumar S, Narayanan TSN S.Effect of surface nanocrystallizat1non the corros1n behav1ur of AISI 409stainless steeI[J].Corros1nScience, 2010, 52 (11): 3826-3834.)，通過棒狀金屬材料表面自納米化改性以提高其整體服役性能是一種行之有效的途徑。
[0008]另外，CN102586557A的文獻公開了一種擊打金屬圓球撞擊表面納米化裝置，采用簡單的動力裝置，為數量眾多的金屬硬質小球提供足夠的動能，使圓球以一定速度連續不斷的撞擊被加工樣品表面，從而使其表面在一定深度內產生劇烈變形而細化。該設備中的彈丸屬于快速擊打方式，類似于單向的振動；在一道次的加工過程中，只能加工面向彈丸的方向，難以作用到試件背面；從結構形式上看，該設備最適用于平面板材，而對棒狀表面不規則的金屬材料難以保證其整體加工的均勻性。

【發明內容】

[0009]為彌補現有技術的不足，本發明提供了一種棒狀金屬材料表面自納米化裝置。
[0010]為達到上述目的，本發明采用的技術方案為:一種棒狀金屬材料表面自納米化裝置，包括金屬筒、驅動裝置、兩側擋板、擋板調節裝置、兩側夾具、彈丸；
[0011]所述金屬筒整體環狀貫通，無底面，金屬筒與兩側擋板之間形成密閉空間，擋板調節裝置用于調節兩側擋板之間的距離，從而使金屬筒能夠嵌入并貼緊兩側擋板，所述金屬筒上設有彈丸裝入裝置；
[0012]所述兩側夾具分別附著在兩側擋板上，用于夾持待加工的棒狀金屬，兩側夾具之間的距離可調；
[0013]所述驅動裝置驅動金屬筒繞其筒內偏離圓心一點O1做高速公轉，O i同時也是待加工的棒狀金屬的軸心。
[0014]進一步的，所述驅動裝置包括變頻電機、第一機架和傳動機構，所述傳動機構為鉸鏈四桿機構，包括兩曲柄和一連桿，四個轉動副相鄰兩兩之間的連線為平行四邊形，變頻電機的轉動副與第一機架上的轉動副的連線形式上為四邊形的一固定桿，其一相鄰桿作為曲柄直接與變頻電機的轉軸相連，另一相鄰桿作為曲柄與第一機架上的轉軸相連，固定桿對應的連桿的外延部分固定在金屬筒的外筒壁上，使得連桿構件與金屬筒之間不能相互轉動和移動。
[0015]進一步的，還包括平衡裝置，平衡裝置由第二機架、一連桿和一曲柄組成，用以平衡金屬筒的重力，曲柄連接第二機架上的轉軸和連桿，連桿的延長部分固定在金屬筒另一側的外筒壁。
[0016]進一步的，所述驅動裝置包括變頻電機、三角帶、偏心轉盤、豎向滑塊、豎向滑塊裝置、橫向滑塊、橫向滑塊裝置，所述偏心轉盤內側設有大小與金屬筒內徑匹配的凸臺，用于嵌套到金屬筒內，偏心轉盤的外側在O1處設有傳動筒，傳動筒上設有三角帶輪槽，三角帶連接變頻電機和偏心轉盤上的傳動筒，所述金屬筒上固定連接有豎向滑塊，所述豎向滑塊位于豎向滑塊裝置內且可沿豎向滑塊裝置滑動，所述豎向滑塊裝置底部與橫向滑塊固定連接，橫向滑塊垂直于豎向滑塊裝置，所述橫向滑塊可沿橫向滑塊裝置滑動，偏心轉盤與金屬筒、豎向滑塊與豎向滑塊裝置、橫向滑塊與橫向滑塊裝置之間為光滑接觸；
[0017]所述金屬筒嵌有偏心轉盤一側的擋板與偏心轉盤的傳動筒接觸。
[0018]進一步的，所述金屬筒上設有開口裝置和鎖環，開口裝置用于裝入彈丸，鎖環用于裝入彈丸后將開口裝置固定在金屬筒上。
[0019]進一步的，所述夾具由一個中心圓柱體壓頭和四個與其同心的壓筒組成，中心圓柱體壓頭與四個壓筒以嵌套的方式緊密光滑接觸，相鄰部件之間能相對滑動，中心圓柱體壓頭與四個壓筒的筒內底面粗糙，能夾緊棒狀金屬；工作時除了所選用的壓頭或壓筒伸出擋板平面以夾緊工件外，其余四個壓緊裝置皆與擋板平面持平，以防彈丸濺出或壓筒與金屬筒內壁碰撞。
[0020]兩側擋板在轉心(^位置開孔，孔徑與最大的壓筒外徑匹配，使最大外徑的壓筒能夠穿過擋板并與之光滑接觸。
[0021]進一步的，所述彈丸的直徑為0.8?3mm。
[0022]進一步的，所述擋板調節裝置為絲杠松緊裝置。
[0023]進一步的，所述驅動裝置驅動金屬筒高速公轉的轉速為1800?6000轉/分。
[0024]本發明工作原理:變頻電機I驅動金屬筒2繞其筒內偏離圓心一點O1做高速公轉(O1也為加工樣品的軸心)。由于變頻電機I驅動能量較高，因此彈丸重力影響可以忽略。02為金屬筒的筒心，公轉過程中筒壁上每一點的徑向方向(以O2為圓心)與水平線的夾角不變，因此，筒壁上每一點實質上都在其徑向方向上(以O2為圓心)做周期性的振動，如圖3原理分析，該振動使大量彈丸獲得足夠的向心方向動能(以O2為圓心)。a圖為筒在公轉90度的過程中筒內壁一點A相對徑向方向的運動軌跡，連線為一正弦(或余弦)曲線的四分之一，如圖b所示；c圖為金屬筒公轉一周的過程中A點在筒徑向方向上的運動軌跡，為一正弦(或余弦)曲線一個周期。可見，筒壁上每一點實質上都在其徑向方向上(以02為圓心)做周期性的振動。
[0025]同時，公轉過程中筒與彈丸在非撞擊過程中相對位置的變化以及筒壁摩擦系數等因素影響，彈丸整體難以單純地隨徑向振動而運動，整個加工過程中彈丸的運動軌跡將是很復雜的。但由于該裝置的結構特點