沖擊滾壓技術(shù)的研究與開發(fā)

 0 引 言  

    金屬材料的破壞往往從表面開始。目前，許多發(fā)達(dá)國家都在大力研究和應(yīng)用各種提高零件表面性能的新技術(shù)、新工藝。表面強(qiáng)化作為表面工程學(xué)的一項(xiàng)重要技術(shù)，對于改善材料的表面性能，提高零件表面的耐磨性，抗疲勞性，延長其使用壽命等具有重要意義。在表面強(qiáng)化技術(shù)中，作為機(jī)械方式的強(qiáng)化方法，現(xiàn)在主要采用滾壓和噴丸兩種方式。但是，上述滾壓或噴丸方法的應(yīng)用在技術(shù)上也受到一定的限制。如滾壓技術(shù)一般只適用于回轉(zhuǎn)體類零件。而且由于加壓為靜載荷形式，為達(dá)到一定量的滾壓變形所需的壓力較大。而噴丸技術(shù)通常用于表面質(zhì)量要求不太高的零件。  

    在分析研究現(xiàn)有技術(shù)以及零件表面強(qiáng)化要求的基礎(chǔ)上，我們研究開發(fā)了一種新的稱之為‘沖擊滾壓’的表面強(qiáng)化技術(shù)并進(jìn)行了工藝性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該項(xiàng)技術(shù)能明顯改善零件的表面性能。零件表面的硬度得到提高，表面的粗糙度也明顯下降。與一般滾壓方法相比較，由于該項(xiàng)技術(shù)中在滾壓的同時(shí)還引入了沖擊源，能對零件的表面產(chǎn)生動(dòng)壓作用。對比試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用沖擊滾壓方法能使零件表面容易獲得較大的塑性變形。在滿足一定的變形量的要求下，沖擊滾壓方法比一般滾壓方法所需施加的壓力小得多。另外，該項(xiàng)技術(shù)還能對一些不便采用一般滾壓方法的零件形面進(jìn)行強(qiáng)化處理。沖擊滾壓技術(shù)的研究開發(fā)為零件表面強(qiáng)化技術(shù)探索了一條新的途徑。  

    1 沖擊滾壓工作原理  

    大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工業(yè)應(yīng)用表明，對金屬零件表層材料的局部加壓使其表層產(chǎn)生塑性變形，能改善表層晶粒組織，產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，使表層材料存在殘余壓應(yīng)力等作用。這對于提高零件的耐磨性以及抗疲勞強(qiáng)度等具有明顯效果。目前常用的滾壓和噴丸兩種表面強(qiáng)化方法正是應(yīng)用了這一原理。  

    我們研究開發(fā)的沖擊滾壓技術(shù)是在一般的滾壓方法基礎(chǔ)上增加了一個(gè)沖擊源，使被強(qiáng)化的零件表層材料不僅受到靜壓力的作用還同時(shí)受到?jīng)_擊源引起的動(dòng)壓力的作用。這使得材料表面的變形更加容易，零件表面強(qiáng)化更容易實(shí)現(xiàn)。  

    以我們研制的高強(qiáng)度螺栓圓角沖擊滾壓裝置為例。沖擊滾壓裝置主要由主軸，壓頭，夾具，傳感器及控制系統(tǒng)等組成。啟動(dòng)沖擊滾壓裝置后，一方面通過鋼球?qū)�工件表面施加靜壓力，同時(shí)由沖擊源引起鋼球?qū)�工件表面施加一個(gè)較高頻率的動(dòng)壓力。在上述動(dòng)壓和靜壓力的復(fù)合作用下完成對零件的表面強(qiáng)化——沖擊滾壓。沖擊滾壓裝置僅比一般的滾壓裝置增加了一個(gè)沖擊部分。若取消這一沖擊源，該裝置就變成了一套常用的普通的滾壓裝置。正是有了這一沖擊源的存在使沖擊滾壓方法在零件的表面強(qiáng)化方面體現(xiàn)出諸多特點(diǎn)。  

    2 沖擊滾壓技術(shù)特點(diǎn)  

    根據(jù)我們進(jìn)行的各種工藝試驗(yàn)表明，沖擊滾壓技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)：  

    2.1 沖擊滾壓所需壓力較小  

    試驗(yàn)結(jié)果表明：為了使零件表面產(chǎn)生一定的塑性變形量，沖擊滾壓時(shí)比一般滾壓所需施加的壓力小得多。例如，對材料為中硬度的碳鋼和較高硬度的高溫合金的高強(qiáng)度螺栓圓角進(jìn)行的沖擊滾壓和一般滾壓對比試驗(yàn)表明，當(dāng)圓角部位的變形量相同時(shí)，沖擊滾壓時(shí)所需的壓力僅為一般滾壓時(shí)的10%—17%。這顯然是由于沖擊載荷使材料表面易于變形所致。由于所需的壓力較小，使這種技術(shù)可以在較小的設(shè)備上進(jìn)行。另一方面，也使一些受設(shè)備限制而不便處理的較大零件的表面強(qiáng)化處理獲得一種新的途徑。  

    2.2 易于使材料表面產(chǎn)生較大的塑性變形  

    對比試驗(yàn)表明：沖擊滾壓比一般滾壓更容易使零件表面產(chǎn)生較大的塑性變形。對于某些滾壓前表面加工質(zhì)量不高的零件，必需在滾壓時(shí)產(chǎn)生較大地變形量才能滿足表面質(zhì)量的要求。對于這類情況，采用一般滾壓方法往往由于表面被反復(fù)碾壓形成加工硬化層，即使采用很大的壓力有時(shí)也無法消除上道工序在表面留下的加工痕跡。對于某些硬度較高的零件，這種問題尤為突出。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用沖擊滾壓方法，即便是對于硬度較高的零件也能使材料表面產(chǎn)生較大的塑性變形，消除表面缺陷。我們對材料硬度達(dá)到HRC48—52的高溫合金，圓角尺寸為R=1.6mm，圓角滾壓前工序?yàn)檐囅鞯母邚?qiáng)度螺栓圓角進(jìn)行了對比試驗(yàn)；當(dāng)圓角車削的質(zhì)量較好時(shí)，采用一般滾壓方法就可以獲得滿意的滾壓效果。但是在圓角部位有意加工出較明顯的刀痕時(shí)，由于采用一般滾壓方法很難使材料產(chǎn)生較大的塑性變形，即使施加了比正常情況下高出幾倍的壓力，達(dá)3000N甚至更高，也未能消除車削留下的刀痕。而采用沖擊滾壓只施加了350N的壓力就使圓角部位產(chǎn)生了足夠大的塑性變形，完全削除了車削留下的刀痕，獲得了滿意的表面質(zhì)量。沖擊滾壓易于使零件表面產(chǎn)生較大的塑性變形，這就可以使?jié)L壓前的表面質(zhì)量要求降低，減小了加工難度。  

    2.3 沖擊滾壓后零件的表面質(zhì)量較好  

    為提高零件疲勞強(qiáng)度等目的的表面強(qiáng)化工藝，通常對表面質(zhì)量要求都比較高。試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊滾壓后零件的表面質(zhì)量良好，表面粗糙度較小。表面質(zhì)量不低于一般滾壓的效果，其表面粗糙度Ra值小于0.2μm。能滿足一般零件的要求。  

    2.4 沖擊滾壓適用于處理多種零件形面  
    現(xiàn)在常用的一般滾壓方法通常只適用于滾壓回轉(zhuǎn)體類零件。我們用沖擊滾壓方法對平面和曲面進(jìn)行了試驗(yàn)，這種方法同樣有效。由于沖擊滾壓同時(shí)具有滾壓和噴丸方法的技術(shù)特點(diǎn)，只要正確處理好沖擊滾壓工具，控制好工件與工具之間的相對運(yùn)動(dòng)以及沖擊力，滾壓力等工藝參數(shù)，就能對平面和曲面等進(jìn)行處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，零件的表面粗糙度，硬度都得到一定程度的改善。這對某些不便采用一般滾壓方法的零件形面提供了一種有效的表面強(qiáng)化方法，并能獲得較好的表面質(zhì)量。  

    2.5 沖擊滾壓技術(shù)簡單易行  

    根據(jù)上述分析可見，沖擊滾壓技術(shù)并不復(fù)雜。沖擊滾壓裝置也僅比一般的滾壓裝置增加了一個(gè)用于引起沖擊載荷的沖擊源。屬于一項(xiàng)簡單易行且效果良好的表面強(qiáng)化技術(shù)。  

    3 應(yīng)用前景分析  

    零件表面強(qiáng)化作為新興的表面工程學(xué)中一項(xiàng)重要技術(shù)，通過表面質(zhì)量的改善，僅花費(fèi)很少的費(fèi)用，就能大幅度地，甚至成倍地提高零件的工作壽命，節(jié)約資源，提高生產(chǎn)率。因此越來越受到制造業(yè)的普遍重視。沖擊滾壓作為一種新開發(fā)的技術(shù)對于表面強(qiáng)化中提高零件表面質(zhì)量，減小滾壓過程的壓力，能使材料表面產(chǎn)生較大的變形，能適應(yīng)各種不同零件形面的強(qiáng)化以及技術(shù)和裝備上簡單易行等方面已經(jīng)顯示出許多優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。  

    一方面，沖擊滾壓可以作為解決一般滾壓方法中許多技術(shù)難點(diǎn)的重要手段。利用沖擊滾壓具有的易于使零件表面產(chǎn)生較大的變形，所需施加的壓力小，適用于較高硬度的材料等特點(diǎn)，與已比較成熟的滾壓技術(shù)的結(jié)合可以解決許多已往不好處理的技術(shù)難題，擴(kuò)展?jié)L壓技術(shù)的應(yīng)用范圍。  

    以我們?yōu)槎嗉绎w機(jī)制造企業(yè)研制的高強(qiáng)度螺栓圓角冷滾壓圓角設(shè)備為例。航空工業(yè)所用螺栓材料的強(qiáng)度一般都很高，硬度相應(yīng)也比較高(某型飛機(jī)的高強(qiáng)度螺栓硬度達(dá)到HRC48-52)。由于這類高強(qiáng)度，高硬度的零件抗塑性變形能力強(qiáng)，進(jìn)行滾壓比較困難。特別是對于零件尺寸較大或滾壓前零件加工的公差比較大以及表面質(zhì)量不太高等情況下，必需在滾壓過程中產(chǎn)生較大的塑性變形才能滿足零件對形狀，尺寸和表面質(zhì)量的要求。這就增加了滾壓的難度。在實(shí)際生產(chǎn)中就只好對零件的尺寸及有關(guān)工序加以許多限制。如只允許滾壓較小尺寸的零件，而且對滾壓前零件的形狀和尺寸公差以及表面粗糙度都提出了很高的要求。否則，就很容易出現(xiàn)因滾壓質(zhì)量達(dá)不到要求而導(dǎo)致零件報(bào)廢。采用沖擊滾壓能較好地解決上述問題。我們對前面提到的硬度達(dá)HRC48—52的高強(qiáng)度螺栓圓角滾壓進(jìn)行的對比試驗(yàn)表明，沖擊滾壓效果明顯優(yōu)于一般滾壓。即使是對于那些表面有較大加工缺陷的零件，通過沖擊滾壓只需施加比一般滾壓小得多的壓力也能使其產(chǎn)生足夠的塑性變形，從而消除加工痕跡獲得良好的表面質(zhì)量。若能將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于上述螺栓圓角冷滾壓圓角設(shè)備，必將大大改善該設(shè)備的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)，零件滾壓前的加工要求可以降低，這對于降低費(fèi)用，提高生產(chǎn)率等都大有好處。
    另一方面，沖擊滾壓還可以用于對平面和曲面等零件形面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。這為目前不便處理的某些零件形面提供了一種有效的表面強(qiáng)化新手段。從某種意義上說，這是開發(fā)該項(xiàng)技術(shù)更重要的一面。值得作進(jìn)一步的研究。  

    沖擊滾壓技術(shù)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，而且在技術(shù)上和設(shè)備方面都易于推廣使用。將具有良好的應(yīng)用前景。  

    4 結(jié) 語  

    研究和試驗(yàn)表明，沖擊滾壓技術(shù)具有加工過程中所需壓力較小，易于使材料表面產(chǎn)生較大的塑性變形，沖擊滾壓后零件的表面質(zhì)量良好，可用于處理平面和曲面以及技術(shù)和設(shè)備上簡單易行等特點(diǎn)。較好地解決了高強(qiáng)度，高硬度螺栓圓角的滾壓等技術(shù)難題。是一項(xiàng)具有良好應(yīng)用前景的表面強(qiáng)化實(shí)用技術(shù)。 

參考文獻(xiàn)： 
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［4］　余述凡，等.高強(qiáng)度螺栓圓角冷擠壓工藝研究［J］.新技術(shù)新工藝，1997，(3)：28-29. 

The Research and Development of the Shock and Rolling Technology 

WANG Zi-qin,YU Shu-fan,GUAN Qi-ming 

(Deparment of Mechanical Engineering GUT,Guiyang 550003,China) 

Abstract：A new method of shock and rolling is introduced for surface-strengthening of machine part.The technology and its potential applications are described in detail.