本发明涉及在轴类金属材料表层形成纳米梯度组织的表面处理技术,具体是一种在车床上对轴类金属材料表层进行处理提高材料性能的三球刀具及使用方法｡在固定杆上设置固定座,固定座侧面设置三个呈120°角分布的千分加力器安装孔,固定座的中心设置固定座中心孔,千分加力器安装孔分别与固定座中心孔相通,三个呈120°角分布的千分加力器分别安装于三个呈120°角分布的千分加力器安装孔中,千分加力器与固定座中心孔之间设置硬质合金球,硬质合金球突出于固定座中心孔｡本发明通过硬质合金球在旋转的轴类金属材料表面进行滚动,同时三球刀具沿试样做单方向轴向运动,在材料表层产生塑性变形,使试样材料表层晶粒发生晶粒细化而形成梯度纳米组织｡