（机械工程专业论文）深孔滚压工艺参数及复合滚压工具的研究.pdf

摘要 摘要 滚压是在常温状态下，利用韧性金属可塑性的变形特性，通过挤压滚光，把 工件表面的粗糙度的波峰填平波谷，使表面层金属产生塑性变形，改变金属表面 层的组织结构和物理性质，以达到光整表面，校正工件几何形状、提高加工精度 的目的。它具有加工效率高，精度稳定，表面粗糙度好，工人劳动强度低等优点， 同时提高被加工零件表面层的硬度，增加零件的耐腐蚀性和使役性能，降低由于 表面不平度所产生的应力集中。 本文基于弹性变形以及塑性变形基本理论、滚压原理和深孔滚压加工工艺， 研究了滚压加工过程的弹塑性变形。设计了三因素三水平的正交试验，并阐述了 深孔滚压工艺参数对滚压性能的影响。基于工程应用实例，确定用于指导生产的 工艺参数。提出了滚压力的常用计算方法。 本文详细介绍了复合镗滚头的结构原理，结合镗削和滚压加工工艺参数，设 计了集半精镗一精镗滚压于一体的t g z 液压涨缩组合刀具。 滚压工艺参数的研究不仅使机床设计人员从各参数量的角度对机床的加工工 艺有了更深层次的了解，而且对滚压工具的结构设计提供了可靠保证。也给我们 的用户加工工件提供了具体的指导方案，从而可以为我们赢得更多的用户，创造 更多的价值。 关键词滚压工艺参数；滚压力；t g z 液压组合刀具 摘要 a b s t r a c t d e 印r o l l 堍i sm a l 【i n gu s co f 龀f o n l l i n gp r o c e s so fm ee l a s t i c a l l yd e f o m e d m e t a l l i cm a l e r i a l b yp l a s t i c a l l yd e f 0 加：l i i 培t h c 、o r k p i e c e ss u r f a c el a y e r ，b o mm l l e r b u n l i s h i i 玛a n dd e e pi d l l i n ga c l l i e v eav e 巧s m o o 吐ls u r f 如ef i i l i s h t h es u r f a c e sp e a l 【 a r e p r e s s e dd o w n ，a h n o s tv e n i c a l l y ；i 1 1 t 0t h es u d k e 锄d m a t e r i a j 廿1 en o 、si i l t 0n l e v a l l e y sb e t w e e nn l ep e a l 【s t h er e s u l t i i l gs m o o ms 妇eo c c u r sb e c a l l s et 1 1 em a t i e r i a la t t h e 、o f k p i e c e 则白c ei sp l a s t i c a l l yd e f o 皿e d ，n l u se l i r n i n a t e ss u r f a c er o u 罟加e s s s o d e e pr o l l i n gh a u ss o m ea d v a n ：t a g e ，s u c ha sl l i 曲e 伍c i e n c yl l i g l lp r e c i s i o nf h es i n o o t l l s u r f 砬e 锄dl o w e r 也ew o r k e rl a b o re t c 触e rd e 印r o l l i t l g ，1 em a c l l i n e d 、o r k p i e c ec a n i i n p r o v e 也es u r f a c eh a r d n e s s ，i n c r e a s eb e 村o fc o n o s i v e 觚da p p l i c a t i o 玛d e c r e a u s e c e 砷m i z eo f 恤s 仃e s s 砌c hi sc a 鹏e db ys 训雠er o u g i l i l e s s e l a s t i c i t ) ，d e f o m 血ga n dp l a l s t i c a l l yd e f o m 血gi n 廿1 e 1 l i n gp r o c e s sa r e i i l v e s t i g a t e di nt h ep 印e rb a s e do n 也ee l a s t i c i 够d e f o m i i l ga u l dp l a s t i c a l l yd e f o m ：1 i i l g b a s i ct 1 1 e o ( 1 e 印r o l l i n gp 血c i p l 锄dd e 印h o l en 眦l l i i l i n gt e c h n i q u e d e s i 印a c r o s s t a bt d b l eo fm r f k t o r sa i l dt h r e e l e v e l s ，t h ep 印e ra l s o 锄a l y s i s e st h ed e e p r o l l i i 玛t e c h l l i q l l ep a m m e t e r se 丘e c t f a c t 0 体o nr o l l i n gq 砌i 劬b 舔e do nap 删e c t e x a m p l e ，i sc c 慨f i n n e dt h et e c h i l i q u ep a 舳e t e r so fg u i d et 0p r o m l c e a n dv a l i d a t e s 也e r o l l 堍f o r c e b y m e m e m o d o f e x 删0 n 砸sp 彬幽d u c ea 缸而。蹦b o 血g - r o l l i n gt o o l 咖纳鹏p 血c i p i ed “l e d l y b yd e s i 嘶n gh i 曲e 伍c i e n c yt g zh y d m l d i ct o o l i r 培s y s t 锄a c c o r d i i l gt 0b 0 血g 锄d r o l l i i 冯m a c l l i ：【l i r 喀t e c l l n i q u ep 锄m e t e r s 舡d e s i 孕l e ro fm a c h i 鹏w ec 缸虹o wm o r ea b o u tt 1 1 ed e 印r o l l i n gp 猢e t i 淞 f b o mt h ea n i c l e a 1 s 0 也er e s e a r c hc 孤g u i d ec 戚。姗st 0w o r k s ow e 、) i ，i ug a i l li n o r e a n dm o r l ea 咖m e r s 觚da 瞪：a t em o r ee c o n o n i vv a l u e k q 州o r d s ：d e 印r o l l i n g 慨砌q u ep a r a m e t e rr o l l 堍f o r c ct g zh y d r 砌i c 缸蜘o i l a l t 0 0 1 i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：曼叠，查 日 期：迎墨：坚墨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：避导师签名：斗棹日期：刈 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 对零件表面进行精密加工，人们一直在寻找更有效的加工方法。早在1 9 2 8 年f l 】，牛顿发明的蒸汽机车的车轴轴径的精加工工序，就使用了滚压加工的方法， 以求得到平滑的精加工表面。 滚压最初用于表面强化【2 】，但近年来越来越多地被用来代替磨削进行表面的 精密处理【3 】。以往对滚压加工的研究大多集中在应用方面，理论研究的少，主要 集中应用在轴类、孔类及平面零件上降1 1 】。在深孔领域，滚压加工应用越来越多， 国内如德州德隆集团、北京房山煤矿机械有限公司、郑州煤矿机械集团有限责任 公司；国外的如美国的希拉公司、德国的h e l l e r 公司。但国内外对滚压工艺理论 研究的甚少，尤其对滚压工具的理论研究，国内外甚至没有可供参照的设计规范。 因此，从理论和实践工艺两方面研究深孔滚压加工，推进深孔滚压工艺的工程实 践具有十分重要的意义。 随着近年来液压技术的迅速发展，国内外液压件制造公司对滚压技术在油缸 缸筒的加工应用都非常重视。深孔滚压与强力珩磨已成为国内外油缸厂家内孔加 工的两种主要工艺。对塑性较大的缸筒材料，磨削工艺现已基本不用【1 2 】，珩磨工 艺已逐步被深孔滚压加工所取代，随着缸筒毛坯制造质量的进一步提高，滚压设 备精度、性能的不断改进，滚压工艺将逐渐成为缸筒内孔加工的主要加工手段。 目前，国内武汉、榆次、韶关、北京煤机；国外力士乐、派克等油缸制造厂家缸 筒内孔加工已开始采用深孔滚压工艺。 1 2 滚压的基本概念 1 2 1 滚压加工的定义 滚压加工是在常温状态下，利用韧性金属可塑性的变形特性，通过滚压工具 对零件表面施加压力，把工件表面的粗糙度的波峰添平波谷，使金属表面层产生 塑性变形，修正零件表面微观不平度，降低表面粗糙度数值；改变零件表面的金 山东大学硕士学位论文 相组织，形成有利的残余应力分布，提高零件的物理性能和使用寿命【”l 。多数情 况下，它可代替零件的表面处理( 如表面淬火，镀铬等) 及精加工序( 如研磨、 珩磨、抛光等) 是无切削加工方法中的一种精密强化加工方法。 1 2 2 滚压的运动过程和物理特性 滚压加工的滚压工具是滚压头，其对工件的滚压进给运动是由滚压头来完成 的。如图卜1 ( a ) 所示，滚子以一定的压力压向孔壁，工件旋转，滚子沿工件轴 向进给。工件表面层受滚压时，受压面积上同时产生塑性变形及弹性变形。当滚 子对表层金属施压使其应力超过屈服点时，金属晶粒发生滑移、位错和破碎，金 属比容增大，并产生塑性变形。而最表层以下的金属受到弹性张力，当滚子离开 后，弹性变形的恢复因受到表层塑变的牵制，而无法实现。结果，加工表面最表 层处于压应力状态，而外层处于拉应力状态，同时滚压后的表层产生冷作硬化。 见图卜1 ( b ) ，。，。，一- 1 一 ，乒孑， 2 a ) b ) 1 工件：2 滚柱；3 残余内应力；4 应力中性层 d 工件外径；d 滚压前孔径；d r 滚压头直径：d 一滚压后孔径 图1 1 滚压前后孔壁的变化 在碾入区域滚柱将与切削加工面接触并渐渐加压，工件表面微观不平的波峰 波谷被碾平；在塑性变形区域接触压力超过材料的屈服点，产生局部塑性变形； 一2 - 第l 章绪论 在滚柱下端最大负载作用后，在平滑区域开始弹性复原，滚柱渐渐与加工表面分 离【1 4 】。 表面加工粗糙度、表面层组织结构及应力状态等对疲劳寿命有重要影响。由 于塑性变形，不仅零件被加工表面的形状发生变化，而且，其组织结构和物理性 能也发生了变化，使金属被滚压层的组织变得紧密，晶粒变细，晶粒形状也沿着 变形最大的方向延伸同时，在被滚压金属表面层内产生极大压缩应力，使金属 表面得到强化提高了表面层的硬度，压平了微观不平度，降低了零件的表面粗 糙度被滚压金属表面的强度极限、屈服极根和疲劳极限都有提高。 在滚压加工工艺中，滚压头的滚压过盈量大小决定了滚压力的大小并决定了 液压缸体发生弹塑性变形的状况，从而决定了缸筒内孔的加工质量。滚压加工在 短时间内改善表面粗糙度，同时表面被加工硬化，并且由于产生压缩残留应力可 得到具有耐久性的表面。 在实际的滚压加工中由多根滚柱连续并反复进行上述动作。金属工件在表面 滚压加工后，表层得到强化极限强度和屈服点增大，工件的使用性能、抗疲劳强 度、耐磨性和耐腐蚀性都有明显的提耐1 5 。1 8 】。经过滚压后，硬度可提高1 5 3 0 ， 而耐磨性提高1 5 【1 9 】 可见：滚压工件除具有良好的表面完整性、表面光洁，而且与磨削加工相比 金属纤维连续，表面层硬化，致密性提高，对产生疲劳裂纹的敏感性降低。另外， 滚压也改善或消除了气孔、夹杂、质地不均等一些微小缺陷，因此提高了零件表 面的机械性能。 在同样的滚压条件下，不同的金属材料( 如铜、紫铜和铸铁) 具有不同的塑 性，其滚压效果也不同。金属的塑性越高，变形也容易，滚压效果越显著。加工 后的表面粗糙度降低幅度大，加工硬化显著，硬化层深度较深。如表1 1 所示。 山东大学硕士学位论文 表1 1 几种金属材料的滚压效果 工件材料 紫铜( c u 3 )4 5 4 钢铸铁( h t l 5 0 3 3 0 ) 抗拉强度o m p a 2 1 6 5 9 8 1 4 7 屈服强度o m p a 1 1 3 3 5 3 延伸率( ) 5 01 6 原始硬度h b 5 31 9 7 1 8 0 状态表面粗糙度r a l m 6 33 ，23 2 硬度h b 1 1 52 4 01 9 8 滚压后 表面粗糙度r a ，1 咖 0 ，4o 20 8 1 3 国内外滚压工艺的研究状况 1 3 1 国外滚压工艺的发展及研究状况 最早出现滚压加工的是1 9 2 8 年，牛顿发明的蒸汽机车的车轴轴径的精加工， 就使用了滚压加工的方法。1 9 2 9 年，德国开始把这种滚压技术用于机车轴以及汽 车、飞机曲轴的强化。上世纪4 0 年代至5 0 年代，这一技术的应用面有所扩大， 开始应用于圆柱形缸体内外圆表面、轴承以及密封面的加工。美国在工业上第一 次采用滚压加工是在上世纪5 0 年代，目的就是为了改善火车车轴及机车轴的疲劳 强度。 到上世纪6 0 年代，滚压加工已从汽车行业向其它行业渗透。但在以后几十年 时间里，滚压技术得到了一定程度的应用和推广，滚压方式开始变得多种多样， 相继出现了旋风式滚压、行星式滚压等一些技术先进而且高效的滚压工艺。后来， 在滚压的方式上也有所突破，出现了振动滚压、超声波滚压等一些新型的滚压方 法，使滚压的精度和效率进一步提高【2 0 1 【2 1 1 。 经过近几十年在应用中不断改进和发展，技术的成熟程度和应用的范围广度 都有了很大的提高。目前应用较为成熟的是汽车曲轴以及工程机械用发动机曲轴 圆角的强化。国外经圆角滚压的内燃机曲轴在整个内燃机曲轴中所占比例己从2 0 4 - 第1 苹绪论 世纪7 0 年代的5 0 提高到现在的8 0 以上，而轿车发动机曲轴则全部采用滚压工 艺进行强化。 在滚压设备方面，二十世纪五、六十年代，美国福特汽车公司、英国伏亨公 司等就开始研制专用滚压设备。在现阶段的生产制造中，一般在现有机床加以改 进后就能够满足常规的滚压工艺的需要。在滚压工具方面，美国希拉公司、德国 的t b t 、h e l l e r 公司、还有日本的一些公司生产的滚压工具都具有非常高的加工 精度，可调节性能好，但价格昂贵。现在市场销售的滚压工具种类比较齐全，外 圆柱面、内孔滚压、平面滚压以及一些特殊型面的滚压工具等都有销售，因此可 以说在轴孔类件方面滚压工具已相对较为完善。 在已经查阅的文献中很少有研究滚压加工理论方面的记载，而在滚压工艺方 面，研究人员通过不同的试验设计方法，利用不同材料对各种滚压参数的影响规 律进行了一些探索性的工作。a m h a s s a n ，m h e l a x i r ，m m e l k h a b e e r ， s h n e i d e ry ug ，p a p s h e v 等陴之7 1 学者分别利用不同材料，如铸造a l c u 合金、 铝合金、黄铜、纯铝、紫铜以及铸铁等材料进行了大量的试验研究。当前被认为 显著影响滚压表面质量的几个因素为滚压力、进给量、滚压次数和滚压速度，在 试验分析中这些因素也是人们考察的重点。 1 3 2 国内滚压工艺的发展及研究状况 国内对于滚压的探索和研究开始于2 0 世纪5 0 年代。其研究范围包括内孔和 外圆的表面加工、齿轮轮齿的滚压光整加工、螺纹的滚压加工等。近年来，滚压 技术不断发展，应用领域不断扩展田。o 】。目前，国内对滚压的研究和应用同样集 中于外圆工件，应用较多的也是在曲轴制造方面。洛阳轴承公司在大型车床上进 行粗、精车后采用滚压工艺加工平锻机和钢球滚子冷锻机等机床的曲轴；东风汽 车公司利用滚压生产球墨铸铁材料的曲轴，不仅解决了曲轴强度不足的问题，而 且使曲轴的弯曲疲劳强度提高了8 0 以上。 油缸、气缸在机床、车辆、航空、冶金、工程建筑、自动控制机械等各行业 的广泛应用，为滚压工艺的完善提供了发展的平台。深孔滚压与强力珩磨已成为 山东大学硕士学位论文 国内外油缸厂家内孔加工的两种主要工艺。可以预见，随着缸筒毛坯制造质量的 进一步提高，滚压设备精度、结构性能的不断改进，环境因素的改善等影响，滚 压工艺将会成为缸筒内孔加工的主要工艺。 目前，国内武汉、榆次、韶关、北京煤机等油缸制造厂家缸筒内孔加工已开 始采用滚压工艺，其它方面的应用也很多，例如有色金属轴套孔的滚压加工【3 1 】； 气缸和油缸内孔的滚压加工【3 2 3 4 1 ；利用传统滚压方法或者把滚压同其它工艺相结 合加工一些具有特殊工艺要求的产品，包括用精车、镗一滚压复合加工生产活塞柱 塞等；以及活塞、活塞杆等需要相互紧密配合的零件的滚压加工等。在这些加工 领域，滚压显示出了其独特的优势。 在滚压设备方面，近年来国内也有一些专用滚压设备的生产，但真正进入实 用化阶段并被市场所接受的产品不多。对于深孔滚压设备，论文作者所在的德州 德隆集团曾做过调研，目前国内专用深孔滚压设备只见过德州德隆集团生产的 t g k 2 0 、t g k 3 5 等数孔深孔镗滚床在国内大型企业、军工企业中使用。在滚压工艺 研究方面，国内不少人员在普通机床( 车床、铣床、磨床、刨床) 或加工中心上 对滚压工艺进行了一些试验研究，工件材料也很广，诸如有色金属、低碳钢、中 碳钢、高碳钢、铸铁和非铁合金等。这些研究一般都限于厂内技术革新层次，未 从理论高度对滚压加工这一工艺进行全面细致的分析。从已公开的文献资料来看， 国内滚压表面精加工研究基本都是针对外圆柱面、平面的加工，很少涉及内圆的 滚压精密加工。虽然内圆滚压在机理上与外圆滚压有相似性，但并没有实验研究 研究对这些影响规律给予证实。因此更有必要在内孔滚压工艺方面进行详细的试 验研究。滚压加工理论是以工艺实验为基础，同时对实践应用具有指导作用。 在滚压加工理论研究方面至今很少有相关文献报道，我们对于滚压加工的研 究相对其它加工工艺一直较为落后，应用面过于狭窄，相关的基础研究跟不上， 还未形成系统的理论研究体系结构，在滚压设备的研究和开发方面也相当滞后， 滚压工艺的潜在优势远远没有在生产中得到充分发挥【3 5 1 。 与国际先进水平相比较，我国在深孔滚压加工方面的差距依然很大，对深孔 6 - 第1 章绪论 滚压技术的研究，还停留在国际引进上。局限于滚压头仿制、滚压切削参数选择 等较低层次。系统的理论，基础的工艺研究正在起步开展。正是在这种大的环境 下，提出了本课题，借助德州德隆集团公司深孔加工技术的开发优势，对深孔滚 压工艺进行研究。 1 4 本课题的研究意义和研究内容 德州德隆集团公司是国内最早研制生产深孔镗滚机床的厂家之一。，设有山东 省深孔加工中心，多年来对镗滚工艺积累了丰富的理论探索和应用实践经验，但 是由于生产条件的制约，研究并不深入、系统，基本上是针对实际生产状况和不 同用户的加工状况研究单一的工艺规程，现存资料比较松散、孤立，缺乏形成系 统文字的对设计和加工起指导作用的课题研究。对于深孔滚压工艺也没有作过全 面和深入的研究。因此，在本篇中，我着重从以下几个方面对深孔滚压工艺进行 研究： 1 4 1 弹塑性变形与滚压方式 通过对弹塑性变形的理论研究，讨论油缸缸筒加工过程中的弹塑性变形；叙 述滚压加工特点，同时探讨不同的滚压加工方式的优缺点。 1 4 2 滚压工艺参数的试验研究 本文对工艺参数进行了正交试验，分析了关键的几个工艺参数对表面粗糙度 和表面硬度的影响程度和规律，初步确定两种工件材料的滚压工艺规范，找出不 同材料在一定条件下的最佳组合工艺参数，为深入研究和开发滚压装备和滚压工 具提供实验和理论依据。 1 4 3 滚压力的合理选用方式 影响合理滚压力的因素很多，一般来说，加工材料的塑性越小、原始表面的 粗糙度越大、滚压速度和进给量越大、滚压行程次数越少，则滚压力应选的越大。 因此，正确合理的选用滚压力也是本文研究的内容之一。 7 山东大学硕士学位论文 1 4 4 复合滚压工具( t g z 液压涨缩组合刀具) 的设计 液压油缸的内孔加工方法一般有推拉镗珩磨和推拉镗滚压两种。近年来推拉 镗珩磨逐渐被推拉镗滚压所代替。而推拉镗滚压所用的复合镗滚头多为国外进口， 也有企业仿制。镗滚头的设计国内没有设计规范可参考。因此，复合镗滚头的设 计和国产化具有非常重要的现实意义。 原深孔加工工艺需粗镗、半精镗、精镗、滚压四道工序才能完成，刀具数量 多、更换刀具和导向套费时、费力而且工艺复杂，工作效率低下。 复合滚压工具就是将半精镗头、精镗头、滚压头等单一内孔刀具组合设计为 一体，通过液压装置，实现对刀具各部分的尺寸控制，减少工件的加工工序。利 用滚压过程中产生的切削力，使镗削更加平稳。其优点是工序集中、辅助时间短、 生产效率高：比用传统的深孔加工方式提高工效3 一倍，加工精度稳定可靠。 一8 第2 章弹塑性变形与滚压方式 第2 章弹塑性变形与滚压方式 分析了液压缸筒加工过程中的弹塑性变形理论，指出液压缸筒滚压加工过程， 是一种无屑光整加工。缸简表面在滚压力的作用下，加工表面金属除产生弹性变 形外，还有塑性变形。为本文的理论分析打下了基础。 2 1 滚压加工过程中的弹塑性变形 塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性，对大多的工 程材料来说，当其应力低于比例极限时，应力一应变关系是线性的。另外，大多 数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，当移走载荷时，其应变也完全 消失【3 6 1 。 由于屈服点和比例极限相差很小，工程应用中一般假定它们相同。在应力一 应变的曲线中，低于屈服点的叫作弹性部分；过了屈服阶段后，大多数材料要使 变形继续增加，必须是应力进一步增加，超过屈服点一这一部分叫作塑性部分， 也叫作应变强化部分或加工硬化【3 刁。 深孔滚压作为一种无屑光整加工方式，是利用材料的塑性，用滚压头对工件 内表面进行滚压，使其表面产生塑性变形而形成硬化层，并且产生残余压应力。 零件表面在外力作用下，被滚压金属的原子间距离会暂时发生变动或晶粒间滑动， 当外力达到一定数值时，被加工表面金属除产生弹性变形外，还有塑性变形。 塑性变形认为只与加载历史( 路径相关性) 有关，与加载速度快慢( 速率相 关性) 无关滚压产生的塑性变形不可恢复，滚压应力超过材料屈服点，塑性被激 活。 滚压时的塑性变形遵循以下三个准则： 屈服准则 流动准则 强化准则 ( 1 ) 屈服准则屈服准则的值有时候也叫作等效应力，一个通用的屈服准 则是v o nm i s e s 屈服准则【3 s 1 ，当等效应力超过材料的屈服应力时，将会发生塑 山东大学硕士学位论文 性变形，可以在主应力空间中画出m i s e s 屈服准则，见图2 1 。 图2 1m i s e s 屈服准则 v o nm i s e s 屈服准则的函数表达式为： 铲压= 而j 瓦可铒 2 d 0 1 式中 仃l 、仃2 、仃3 一主应力 仃。一等效应力 ( 2 ) 流动准则流动准则描述了发生屈服时，塑性应变的方向，也就是说， 流动准则定义了单个塑性应变分量( x p l ，ev p l 等) 随着屈服是怎样发展的。 ( 3 ) 强化准则强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发 展的。等向强化是指屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张。对 m i s e s 屈服准则来说，屈服面在所有方向均匀扩张。见图2 2 。 第2 章弹塑性变形与滚压方式 图2 2 等向强化时的屈服面变化图 2 2 滚压加工的优势和特点 滚压加工作为一种无切屑的表面精密加工方式，与切削加工等加工工艺相比 具有下列特点： ( 1 ) 滚压属于无屑加工，无污染，节能，无材料消耗，符合绿色制造的发展 方向。滚压工具结构较简单而且刀具耐用度高，因此零件加工成本低。 ( 2 ) 滚压加工操作简单，工效高。应用表明，滚压用于内孔加工时，效率可 以比切削提高1 2 倍以上，并且可以降低零件表面的粗糙度，一般表面粗糙度可 达r ao 2 o 0 5i im 。 ( 3 ) 经滚压后的孔壁，形成紧密的表面层组织，金属纤维连续，有助于提高 金属的使用性能。n i b e r g e 试验证明，铸铁滚压后其耐磨性一般提高l 8 倍。 ( 4 ) 滚压加工时由于表面层受力均匀平稳( 作用于工具上的力总是和消除机 床与零件间隙的力的方向一致) 、发热量小，一般不会发生烧伤和表面退火和裂纹 等缺陷。其实际压入量很小，并且靠零件加工表面自身进行定位，所以降低了粗 糙度，提高了精度；加工尺寸即是成形尺寸，加工尺寸比较容易控制【3 9 1 。 ( 5 ) 滚压的表面强化效果显著，足以达到喷丸强化的效果，冷作硬化程度和 深度都比切削要高。滚压后的材料表面上产生具有残余压应力的紧密层组织，可 山东大学硕士学位论文 以减少外加拉应力的不利影响，不但能抑制或推迟疲劳裂纹的产生，而且能减缓 裂纹扩展的速度，使零件疲劳强度提高，缺口敏感度大为降低。试验结果表明， 通过对渗碳钢试样的表面进行滚压，可以使其缺口疲劳极限提高7 8 1 2 1 。疲 劳强度的改变情况如表2 1 所示。 ( 6 ) 应用范围广，滚压加工可以用于内孔、圆柱面、圆锥面、开式圆弧表面、 丝杠螺纹表面、齿轮齿形表面、平面以及其它一些不易切削加工的特殊形状表面 等，工件材料可以是铝、铜、钛等有色金属及其合金、也可以是铸铁、碳钢等材 料，所能滚压材料的硬度高达5 0 h r c 。在某些方面，滚压可以完全代替精磨、研 磨，珩磨等二次加工工序。 ( 7 ) 不适用于多品种小批量生产。在滚压后须进行热处理的工件，也不适用 于采用滚压加工。 ( 8 ) 内孔滚压加工的尺寸范围较大，加工直径为巾2 由5 0 0 i 姗，可加工浅孔 和深孔。深孔滚压加工多用于大、中直径液压缸的大批量生产。与浮动镗( 铰) 孔组合应用，可取得更高的工效和经济效益，也可将镗孔、浮动镗和滚压组合在 一起，使用组合工具进行加工。 表2 1 表面形变强化对疲劳强度的影响 ( m p a ) 材料 4 0 c rg c r l 5 表面状态疲劳疲劳极限 残余压应疲劳疲劳极限残余压应 极限增量 力极限增量力 磨削 4 2 0 03 03 6 0o_ 4 0 喷丸 5 7 0 1 5 07 5 06 5 02 9 08 8 0 滚压 8 4 04 2 0 1 3 0 06 9 03 3 0，1 4 0 0 2 3 滚压加工方式的分类 2 3 1 滚压工具的组成 典型的滚压工具，主要由两个基础部分组成柏】( 见图2 3 ) 。 ( 1 ) 滚压元件：它与工件表面直接接触，起滚压作用。 第2 章弹塑性变形与滚压方式 ( 2 ) 支承部分：为滚压元件提供支承，传递滚压力，并保持滚压元件运动的 方向和位置。 7 l 滚压元件：2 一支承体 图2 - 3 滚柱式滚压工具 2 3 2 滚压加工方式的分类 根据滚压工具在工件表面的运动和振动频率不同，滚压工艺一般可分为三种 类型：普通滚压工艺、振动滚压工艺和超声波滚压工艺。普通滚压工艺较多的应 用在内外圆表面、圆弧、圆角及平面滚压上。 滚压加工方式的分类一般按滚压工具的组成分类。根据滚压工具滚压元件的形 状不同可以把普通滚压分为滚珠式、滚轮式、滚柱式等【4 l 】。按支承部分的功用和 结构分为弹性滚压和刚性滚压。 2 - 3 2 1 滚珠式滚压工具 滚珠式滚压工具( 见图2 4 ) ：滚压元件为钢球，滚压时它与工件加工表面呈 点状接触，因此所施加的压力虽小，但单位滚压力较大，足以使工件表面产生一 定的塑性变形。在同样单位压力的情况下，能减小总压力，改善了滚压条件。 山东大学硕士学位论文 隆矧嬲 、， 心影， 弋媒 。f1 。 、t弋 芒今 刀嫩，j 念糊 y 、f 一7 7 钐 心淄 镢? 7a 图2 4 滚珠式滚压工具 在滚压过程中，滚动摩擦阻力使钢球随阻力的方向转动，钢球与工件之间的 相对运动无论在主运动还是进给运动方向上都是无滑动的滚动，即：只有相对滚 动，而无相对滑动。工件表面不会产生擦伤现象，因而表面粗糙度较小，通常可 以获得r ao 1 0 2um 乃至0 0 5pm 的表面粗糙度。同时，钢球磨损均匀，且磨 损量较小，使用寿命较长。 这种滚压方式适宜压光刚性较差的工件，能够适用于小型细长精密零件的外 圆及薄壁零件的内孔滚压，也可滚压圆角、凹槽等成型面。并且具有结构简单、 制造成本低等特点。 此外，由实践可知，滚柱直径大小将影响滚压效果，一般选用滚珠直径在巾 1 0 m m 巾2 0 m m 之间。 2 3 2 2 滚轮式滚压工具 滚轮式滚压工具( 见图2 5 ) ：滚压元件为滚轮，滚轮轴线偏斜一个角度b ， 以减小滚轮与工件的实际接触面积，提高单位滚压力。在滚压时，工件表面与滚 轮表面之间产生一定的速度差，既有相对滚动，也有相对滑动，两种运动形成滚 压与挤压的综合效果，加大了工件表层金属的塑性变形，可强化和改善工件表面 质量。 通过调整偏角b 的大小，可改变滚轮与工件的实际接触面积，偏斜角p = o 。 第2 章弹塑性变形与滚压方式 时，接触面积最大，呈矩形，只有相对滚动； b = 90 。时，接触面积最小，呈椭圆形，只有 相对滑动；o 。 2 0 ，l 不限 多滚柱、刚性通孔和盲孔 i t 每以t 90 2 m 旬0 55 不可调冲击式d 2 0 ，l 不限 单滚珠、通孔 弹性式 d 2 0 1 1 、6 i t 90 2 m 旬0 5 2 多滚柱、中等刚性的通孔 o 2 m 旬0 55 弹性式d 6 0 ，l 不限 多滚珠、 压光表面 刚性小的的通孔 0 2 伊0 52 弹性式 强化表层 d 6 0 ，l 不限 多滚珠、中等刚性的通孔 o 2 m 旬0 5 2 弹性振动式d 2 0 ，l 不限 2 5 本章小结 本章分析了深孔滚压加工过程中的弹塑性变形理论，指出深孔滚压加工过程， 工件内表面在滚压力的作用下，加工表面金属除产生弹性变形外，还有塑性变形。 简要介绍了滚压加工作为一种无切屑的表面精密加工方式，与切削加工等加 工工艺相比独有的优势和特点及滚压工具的组成。并详细介绍了几种常见的滚压 工具。 深孔滚压加工的主要功用是精整尺寸、压光表面、强化表层。不同的滚压方 式其功用也有所侧重。根据零件的尺寸、结构、具体用途、尺寸精度、表面粗糙 度及表面硬度的不同要求，合理采用不同的滚压方式和不同结构的内孔滚压工具。 第3 章深孔滚压工艺参数的实验研究 第3 章深孔滚压工艺参数的试验研究 滚压加工工艺是滚压加工应用过程中必备的工艺指导性文件。许多国内外专 家、学者、工程技术人员进行了大量的试验研究，也取得了令人满意的效果，但 大多集中在轴类零件的外表面加工、曲轴强化以及平面滚压等方面，对深孔滚压 工艺的试验研究还处于发展阶段。 深孔滚压过程是个多工艺参数相互作用的综合系统。内孔加工表面质量、工 艺稳定性和加工效率在很大程度上和这些工艺参数的选择有关。除滚压工具外， 工件的原始状态、滚压参数( 滚压过盈量、进给量、滚压速度、滚压次数) 、机床、 润滑等这些工艺参数对滚压效果的影响必须经过滚压工艺实验进行分析，找出其 中的联系，以期更好的指导生产实践。 本文以表面粗糙度和表面硬度作为加工后表面质量的考察指标，并以其为工 艺参数优化目标，对工艺参数进行正交试验，分析较为关键的几个工艺参数对表 面粗糙度和表面硬度的影响程度和规律，初步确定两种材料的滚压工艺规范，找 出不同材料在一定条件下的最佳组合工艺参数，以供深孔滚压的实际应用作参考， 为深入研究和开发深孔滚压设备和刀具提供实验和理论依据。 3 1 试验条件 3 1 1 试验设备 试验所用的机床为德州德隆集团公司自主研发生产的t g k 2 0 a 型数控深孔镗 滚床，如图3 1 所示。该机床配备德国s i e m e n s8 0 2 d 数控系统，主轴箱采用交流 主轴电机，无级调速，主轴轴承采用高精度轴承，主轴刚性好，回转精度高。进 给箱采用交流伺服电机，无级调速，配备高精度的滚珠丝杠。该机床适用于圆柱 形深孔工件的钻、镗削和镗滚组合加工，特别适用于对带有台阶孔工件的精加工。 机床的主要性能参数如下： ( 1 ) 钻孔直径范围巾4 0 一由8 0 衄 ( 2 ) 镗孔直径范围巾4 0 一由2 0 0 衄 ( 3 ) 镗孔深度范围5 0 0 一2 0 0 0 衄 ( 4 ) 机床中心高度4 5 0 衄 l l 4 、人学颐z 似沦文 ( 5 ) 工件夹持直径范围 ( 6 ) 主轴箱转速范围 ( 7 ) 钻杆箱转速范围 ( 8 ) 进给速度范崮 ( 9 ) 拖板快速移动速度 ( 1 0 ) 主轴箱电机 ( 1 1 ) 钻杆箱电机 ( 12 ) 进给电机 ( 13 ) 液压泵电机 ( 1 4 ) 冷却泵电机 ( 15 ) 冷却系统额定压力 ( 1 6 ) 冷却系统流量 ( 1 7 ) 液压系统额定工作压力 巾60 m3 0 0 m m l0 0 9 6 0 r m in ( 于动，两档) 6 0 1 0 0 0 r m i n ( 手动，两档) 5 2 0 0 0 舡t n ( 无级) 6 0 0 0 m m m in 3 0 k w ，交流主轴电机 3 0 k w ，交流主轴电机 n = 53 7 k w ，交流伺服电机 n = 75 k w ，n = 1 4 4 0r m i n 2 2 k wn = 14 4 0 r m i n 2 0 m p a 4 0 0 l m i n ，可调 63 m p a h3 1 试验现场 第3 章深扎滚抹l 艺参数的实验研究 3 1 2 试验刀具 滚压工具为：直径巾5 5 m m 滚柱式滚压头是实施滚压加工的工具。如图3 2 。 实验滚柱的具体参数和要求：滚柱直径r b95 m m 的滚柱式滚压工具。滚柱材料选用 g c r l 5 ，具有较高的强度、硬度和抗磨损性能，经表面淬火处理后，硬度达到k c 6 2 6 5 ；需研磨和抛光处理，表面粗糙度控制在r a00 5 02um 范围内。 圈3 2 实验lh 3 1 3 试验材料 工件材料使用的是未经热处理1 5 # 钢和退火4 5 # 钢液压缸筒。试件的规格为 m 6 5 m 7 5 1 0 0 0 衄。试件滚压前均经过精镗预加工成两组不同试件。 ( 1 ) 将试件加工成具有基本相同的初始表面粗糙度，并严格控制r a 63 32 um 之间，用于分析除初始粗糙度以外的其它工艺参数对加工表面质量的影响。 ( 2 ) 将试件加工成不同的初始表面粗糙度：一组的表面粗糙度再r a 6 3 3 2 um 之间，二组的表面粗糙度再r a 32 l6um 之间，三组的表面粗糙度再r a i 6 山东大学硕士学位论文 0 8um 之间，并对粗糙度值做准确测量，用于分析在其它参数条件不变的情况下， 初始表面粗糙度对加工表面质量的影响。 3 1 4 试验工艺流程 滚压工艺试验的流程如下： 下料一粗镗内孔一半精镗内孔一精镗内孔一检测一滚压一检测 滚压过程应尽量不停车，以免影响滚压效果。 3 2 试验方法 3 2 1 试验方法的确定 影响工件加工质量的因素较多，如机床、刀具、冷却液，还包括操作者的实 践经验等。这些因素相互影响、相互制约的。安排全面试验是不现实、不经济的 的。试验的次数尽量少，而得到的结果尽可能的准确。必须进行试验的合理安排， 也就是要进行试验设计。 正交试验方法是利用一种规格化的正交表来合理地安排试验，利用数理统 计原理科学地分析试验结果、处理多因素试验的方法。正交试验设计的特点是针 对各因素取定几个水平，按均匀搭配的原则安排实验，对实验结果进行统计分析， 得到最优化的水平搭配方案。 按正交设计表安排试验，相对于全面试验而言，它只是部分试验，可用比全 面试验法少得多的试验，获得能基本上反映全面情况的试验资料。 3 2 2 实验用因素水平的确定 一些深孔滚压的研究表明【4 3 1 ，对试件内表面粗糙度和硬度具有显著影响的工 艺参数有滚压过盈量、滚压力、进给量、滚压速度、滚压次数。此外，原始孔表 面质量、切削液、滚压工具的精度和机床的精度等，对于加工质量和工效也有一 定的影响。本文着重讨论滚压过盈量、进给量和滚压速度对表面质量的影响，而 把滚压力、滚压道次、原始表面粗糙度、润滑等的影响在后面作专门讨论。 滚压过盈量、进给量和滚压速度单独对滚压质量的影响是存在的，但三者之 间是否相互制约，存在交互作用。这里采用正交试验设计，除了考虑因素的单独 第3 章深孔滚压工艺参数的实验研究 作用，也把因素间的交互作用考虑在内，以便对三个因素进行优选。 ( 1 ) 滚压过盈量6 对于深孔滚压加工来说，滚压过盈量就使滚压头直径与基底孔直径的差值。 由于滚压加工时存在弹性变形量，所以滚压头的直径比滚压后所得实际孔径大一 个直径上的弹性变形量。初步选定了五种滚压过盈量：0 0 5 1 1 1 i n 、0 0 8 n u n 、0 1 0 m m 、 o 1 2 i n m 、0 1 5 i n m ，正交试验中按低、中、高采用三种过盈量：0 0 5 i n m 、o 0 8 r n m 、 o 1 5 m m 。 ( 2 ) 滚压头进给量 进给量与滚压头的直径有关。参照s 砧呵d v i k 公司的推荐数值，结合机床特 点，初步选定了五种进给量：o 0 6 删n r 、o 1 2 删：n r 、0 1 6 m m r 、o 2 0 珊 i 妇、o 2 4 删：i 沂， 正交试验中采用三种进给量：0 0 6 彻n 打、o 1 2 伽：n 衍、o 2 4 m m r 。 ( 3 ) 滚压速度 滚压速度主要由机床、滚压工具、工件的刚性与振动因素等条件来确定。滚 压速度太小影响加工效率，速度太高，则容易产生震动，影响加工精度。正交试 验中采用三种滚压速度：3 0 i l 怕 1 i i l 、4 5 蛐、6 0 1 1 价n i i l 。 把加工表面粗糙度、表面硬度作为衡量加工表面质量的主要指标。设计一个 三因素三水平的正交试验，因素水平表如表3 1 所示，研究滚压过盈量、进给量、 滚压速度这三个因素对表面粗糙度及硬度的交互影响。 表3 1 因素水平表 因素 a 滚压过盈量 b 进给量c 滚压速度 刀l ：乎 ( n n ) ( m m ，r )( 幽i 1 1 ) lo 0 50 0 6 3 0 2o 0 8o 1 2 4 5 30 1 5 o 2 4 6 0 3 2 3 试验指标的检验 测试项目及工具仪器如表3 2 所示： 山东大学硕士学位论文 表3 2 测试项目及工具仪器一览表 测试项目 工具仪器备注 工件直径 内径千分尺 o 0 0 1 啪 滚压头直径 千分尺 0 0 0 1 姗 时间 秒表秒 粗糙度 简式表面轮廓仪o 0 1 朋 硬度 h d x 一1 0 0 0 型显微硬度计 0 1 耶 3 2 4 正交表与试验结果 试验选用l 2 7 ( 3 1 3 ) 正交表，试验安排及检测数据见附表所示。 3 2 5 因素的影响水平分析 3 2 5 1 各因素对表面粗糙度的影响 通过分析表3 3 中粗糙度的数值可知，因素a 产生的表面粗糙度极差最大， 其次是b 、a b 、a c ，而速度c 的极差较小，极差从大到小的顺序即为主次因素： 主次 a ，b ，c ，a c ，b c 由此可见，滚压过盈a 以及进给量b 对粗糙度的影响起着非常重要的作用， 其中a 的影响程度最大，速度c 和各交互作用项的影响都不显著，所以把因素a 和因素b 作为水平选取的主要依据。 由表3 3 同时可知，在a 2 以及b 1 的条件下得到的粗糙度数值最小，所以 最后确定得到最好的表面粗糙度的滚压条件为a 2 8 1 c 1 ，即滚压过盈量6 = o 0 8 i i u n ，进给量f = 0 0 6 n m 沂，滚压速度、，= 3 0 珊，m i i l 。 3 2 5 2 各因素对表面硬度的影响 通过分析表3 3 中表面硬度数据可以看出，因素a 产生的表面硬度极差最大， 其次是b 、a b 、a c ，速度c 的极差较小，极差从大到小的顺序即为主次因素： 主次 a ，b ，a b ，a c ，c 由此可见，滚压过盈量a 对表面硬度的影响最大，其次是进给量b 。a 和b 存 第3 章深孔滚压工艺参数的实验研究 在交互作用关系，但作用程度很小，完全可以忽略。速度c 和其交互作用项的影 响都不明显