棒状金属材料表面自纳米化装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及棒状金属材料表面自纳米化装置，属于金属材料加工领域。
【背景技术】
[0002]金属材料表面自身纳米化(SNC)是1997年首先由中科院金属研宄所卢柯首先提出的一个全新的概念，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。该纳米表层具有优异的性能，对传统工程材料的表面改性具有很大的工业应用价值。目前表面自身纳米化的研宄主要集中于机械加工的方法。
[0003]表面机械加工法主要通过表面塑性变形以及位错的运动来细化晶粒，即外加载荷重复作用于材料表面，使表面组织产生不同方向的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级，表面自纳米化后表层优良的性能使材料的综合性能得以提高。迄今为止，表面机械加工法已成功地对纯铁、纯铜、铝合金、40Cr、低碳钢和不锈钢等材料表面实现了表面纳米化。采用方法不同，所适用的外形及尺寸范围也有所差异。下面就三种典型的方法及其适用范围做以简单的介绍。
[0004]1.表面机械研磨/超声喷丸设备。在一个容器中放置大量的球形弹丸，容器的上部固定样品，下部与振动发生装置相连，工作时弹丸在容器内作高速振动，并以随机的方向与样品表面发生碰撞。使材料表面发生多系滑移和产生多系孪晶从而使表面晶粒细化。通常当振动频率在50Hz时称为表面机械研磨法(SMAT)，当振动频率在20kHZ时称为超声喷丸(USSP)。但这两种设备因其结构特点存在不足之处:由于采用的弹丸弹丸直径较大，所以不能处理具有复杂形状的试件，一般适用于处理边长10mm左右的薄板试件。
[0005]2.旋转辊压塑性变形表面纳米化设备。制备出了比较厚的表面纳米化层。该装置以排列了许多凸起的高速旋转辊压轮与样品紧密接触，使样品表面产生强烈多向塑性变形而形成高密度位错的塑性变形带，在运动过程中位错不断增殖、煙灭、重排，致使表面晶粒得到细化，从而达到表面纳米化的目的。南京理工大学首次采用了旋转辊压塑性变形方法对10#钢实现回转体材料的表面纳米化。但该设备只适应于圆柱体及圆环形柱体的表面纳米化，在应用上存在很大的局限性。
[0006]3.超音速轰击法(SFPB)。超音速轰击法是一种利用气-固双相流作为载体，用超音速气流(气流速可达300?1200m/s)携带硬质固体微粒以极高的动能轰击金属表面使其产生强烈的塑性变形，将晶粒细化到纳米量级的处理技术。超音速轰击法设备复杂且价格昂贵，技术难度高、工艺条件严格。
[0007]综上可见，目前的纳米化设备还存有很多不足之处，尤其在适用外形范围方面，多倾向于平面板材等规则的机械零件处理，而对于工业或建筑领域应用较为广泛的一些棒状金属零件(尤其是具有复杂表面形状的棒状金属材料，例如螺纹钢筋等)，仍面临着处理成本较高、变形不均匀及质量较差的问题。鉴于表面纳米化改性对棒材具有的潜在优异的力学性能(Lu K, Wang J T, Wei W D.A new method for synthesizing nanocrystallinealloys[J].Journal of applied physics，1991，69 (I):522-524.)和耐蚀性能(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.)，通过棒状金属材料表面自纳米化改性以提高其整体服役性能是一种行之有效的途径。
[0008]另外，CN102586557A的文献公开了一种击打金属圆球撞击表面纳米化装置，采用简单的动力装置，为数量众多的金属硬质小球提供足够的动能，使圆球以一定速度连续不断的撞击被加工样品表面，从而使其表面在一定深度内产生剧烈变形而细化。该设备中的弹丸属于快速击打方式，类似于单向的振动；在一道次的加工过程中，只能加工面向弹丸的方向，难以作用到试件背面；从结构形式上看，该设备最适用于平面板材，而对棒状表面不规则的金属材料难以保证其整体加工的均匀性。
【发明内容】
[0009]为弥补现有技术的不足，本发明提供了一种棒状金属材料表面自纳米化装置。
[0010]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:一种棒状金属材料表面自纳米化装置，包括金属筒、驱动装置、两侧挡板、挡板调节装置、两侧夹具、弹丸；
[0011]所述金属筒整体环状贯通，无底面，金属筒与两侧挡板之间形成密闭空间，挡板调节装置用于调节两侧挡板之间的距离，从而使金属筒能够嵌入并贴紧两侧挡板，所述金属筒上设有弹丸装入装置；
[0012]所述两侧夹具分别附着在两侧挡板上，用于夹持待加工的棒状金属，两侧夹具之间的距离可调；
[0013]所述驱动装置驱动金属筒绕其筒内偏离圆心一点O1做高速公转，O i同时也是待加工的棒状金属的轴心。
[0014]进一步的，所述驱动装置包括变频电机、第一机架和传动机构，所述传动机构为铰链四杆机构，包括两曲柄和一连杆，四个转动副相邻两两之间的连线为平行四边形，变频电机的转动副与第一机架上的转动副的连线形式上为四边形的一固定杆，其一相邻杆作为曲柄直接与变频电机的转轴相连，另一相邻杆作为曲柄与第一机架上的转轴相连，固定杆对应的连杆的外延部分固定在金属筒的外筒壁上，使得连杆构件与金属筒之间不能相互转动和移动。
[0015]进一步的，还包括平衡装置，平衡装置由第二机架、一连杆和一曲柄组成，用以平衡金属筒的重力，曲柄连接第二机架上的转轴和连杆，连杆的延长部分固定在金属筒另一侧的外筒壁。
[0016]进一步的，所述驱动装置包括变频电机、三角带、偏心转盘、竖向滑块、竖向滑块装置、横向滑块、横向滑块装置，所述偏心转盘内侧设有大小与金属筒内径匹配的凸台，用于嵌套到金属筒内，偏心转盘的外侧在O1处设有传动筒，传动筒上设有三角带轮槽，三角带连接变频电机和偏心转盘上的传动筒，所述金属筒上固定连接有竖向滑块，所述竖向滑块位于竖向滑块装置内且可沿竖向滑块装置滑动，所述竖向滑块装置底部与横向滑块固定连接，横向滑块垂直于竖向滑块装置，所述横向滑块可沿横向滑块装置滑动，偏心转盘与金属筒、竖向滑块与竖向滑块装置、横向滑块与横向滑块装置之间为光滑接触；
[0017]所述金属筒嵌有偏心转盘一侧的挡板与偏心转盘的传动筒接触。
[0018]进一步的，所述金属筒上设有开口装置和锁环，开口装置用于装入弹丸，锁环用于装入弹丸后将开口装置固定在金属筒上。
[0019]进一步的，所述夹具由一个中心圆柱体压头和四个与其同心的压筒组成，中心圆柱体压头与四个压筒以嵌套的方式紧密光滑接触，相邻部件之间能相对滑动，中心圆柱体压头与四个压筒的筒内底面粗糙，能夹紧棒状金属；工作时除了所选用的压头或压筒伸出挡板平面以夹紧工件外，其余四个压紧装置皆与挡板平面持平，以防弹丸溅出或压筒与金属筒内壁碰撞。
[0020]两侧挡板在转心(^位置开孔，孔径与最大的压筒外径匹配，使最大外径的压筒能够穿过挡板并与之光滑接触。
[0021]进一步的，所述弹丸的直径为0.8?3mm。
[0022]进一步的，所述挡板调节装置为丝杠松紧装置。
[0023]进一步的，所述驱动装置驱动金属筒高速公转的转速为1800?6000转/分。
[0024]本发明工作原理:变频电机I驱动金属筒2绕其筒内偏离圆心一点O1做高速公转(O1也为加工样品的轴心)。由于变频电机I驱动能量较高，因此弹丸重力影响可以忽略。02为金属筒的筒心，公转过程中筒壁上每一点的径向方向(以O2为圆心)与水平线的夹角不变，因此，筒壁上每一点实质上都在其径向方向上(以O2为圆心)做周期性的振动，如图3原理分析，该振动使大量弹丸获得足够的向心方向动能(以O2为圆心)。a图为筒在公转90度的过程中筒内壁一点A相对径向方向的运动轨迹，连线为一正弦(或余弦)曲线的四分之一，如图b所示；c图为金属筒公转一周的过程中A点在筒径向方向上的运动轨迹，为一正弦(或余弦)曲线一个周期。可见，筒壁上每一点实质上都在其径向方向上(以02为圆心)做周期性的振动。
[0025]同时，公转过程中筒与弹丸在非撞击过程中相对位置的变化以及筒壁摩擦系数等因素影响，弹丸整体难以单纯地随径向振动而运动，整个加工过程中弹丸的运动轨迹将是很复杂的。但由于该装置的结构特点