滚压强化概述.doc

滚压强化概述0前言 表面强化技术是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，其方法主要有喷丸、滚压和孔挤压等工艺。金属材料的破坏往往从表面开始，零件(如内燃机曲轴，汽车的板簧等)工作时承受长期的循环载荷，零件的表面就会产生疲劳裂纹，时间一长裂纹就不断扩展，最终导致零件的疲劳失效。因此，人们就希望采取措施以提高零件的表面性能，表面滚压强化技术就是其中的一种方法。该方法是通过机械手段对金属表面加压，使金属表面产生加工硬化以提高零件的性能、质量和使用寿命。 表面滚压强化技术具有很多优点：滚压强化只是改变了材料的物理状态，并未改变材料的化学成分；表面滚压采用的工具和工艺比较简单，加工效率高；滚压强化是一种无切削加工工艺，在加工过程中不会产生废屑、废液，对环境的污染少，符合“绿色制造”的发展理念。该技术在工业中得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。1滚压强化的发展状况滚压强化技术是1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联应用于机车车轴轴颈。1950年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中。我国是在60年代开始广泛深入的研究滚压加工方法的，并在70年代提出了冲击滚压技术，随后又出现了超声波滚压技术。近年来，表面滚压技术的发展越来越快，应用范围越来越广，其社会和经济效益也日益显著。2 滚压强化的作用机理（1）微观组织机理：经过切削加工之后，金属的表面都残留有刀具的切削痕迹，在微观下观察可以看见金属的表面呈现出凹凸不平之状。滚压加工是一种压力光整加工，在滚刀的作用下金属表面会发生强烈的塑性变形。根据工程材料的相关理论，金属发生塑性变形的基本方式是滑移，即晶体沿某一晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑移。在外力的作用下，晶体不断的滑移，晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取向，晶粒之间互相约束，阻碍晶粒的变形。由于工业所用金属多为多晶体，故金属能承受较大的塑性变形而不会被破坏。金属内部晶粒的不断滑移会使得晶粒的位错密度增加、晶格发生畸变，符号相反的位错相互抵消，符号相同的位错则重新排列行成更加微小的亚晶粒。晶粒越细小，位错密度越高，产生的变形分散就更多，因而不易产生局部的应力集中，使得滚压后的金属材料的屈服强度和疲劳性能得到显著的提高。（2）表面质量机理：金属表面质量的好坏常用表面粗糙度来衡量，表面粗糙是造成应力集中的主要因素之一，粗糙的表面易形成尖端切口，造成应力集中，而疲劳源则往往出现在应力集中处，在交变应力的作用下，应力集中促使疲劳裂纹的形成和扩展。表面越粗糙、尖端切口越尖锐，应力集中就越严重。滚压强化就是利用滚轮对工件表面的滚压作用，使工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的低凹波谷中，从而降低工件表面的粗糙度，消除残留刀痕，减少应力集中，进而提高工件的疲劳寿命。（3）残余压应力机理：早在上个世纪30年代人们就发现，让零件表面产生残余压应力可以延长工件的疲劳寿命。金属材料表面的裂纹扩展的条件是外加交变载荷达到某一界限（即应力强度达到材料本身的临界应力强度时）。而滚压则可以减少表面原有的微观裂纹，还可以产生残余压应力，从而提高零件的疲劳寿命。此外，滚压强化可消除零件表面因切削加工引起的拉应力，并使零件表面处于压应力状态，残余的压应力既可以使裂纹尖端闭合又可以抑制裂纹尖端的扩展，从而进一步提高零件的疲劳寿命。通过对滚压机理的研究，我们就能更好的发展滚压技术，目前滚压机理的研究仍处于初步阶段，国内外对其的研究主要集中在光整强化机理的力学建模上，华南理工大学赵倩，夏伟等人对国内外的相关研究进行了总结，归纳了其中的关键技术，并提出了几点研究的重点。3影响滚压效果的工艺参数影响表面滚压效果的工艺参数有很多，其中影响较大的有：滚压力F、滚压次数和滚压速度等。滚压力即为滚轮压到工件表面上得力，其对工件的疲劳强度有很大的影响，但目前对其研究还不够成熟，没有数学公式能够准确的计算出最佳滚压力。最佳滚压力还与零件本身强度、零件尺寸、滚轮直径等因素有关，生产中则是通过工艺试验来确定最佳滚压力F；滚压次数即为滚轮压过工件同一位置的次数，滚压次数对工件的疲劳强度也有很大影响，次数较少时，工件表面未能达到应有的塑性变形，次数较多时，工件会产生接触疲劳，严重时会使表面脱落，故在生产中以810圈为佳；滚压速度即为滚压加工时工件的转动速度，其对工件的疲劳强度影响不大，但影响滚压加工的效率。若转速过高，则会引起较大的塑性变形，转速过慢又会降低生产效率。在生产中需要根据实际情况来确定合适的滚压速度。4滚压强化的应用滚压加工是一种无切削的塑性加工方法，滚压加工技术具有安全、方便、能精确控制等优点:提高表面粗糙度，使其基本能达到Ra0.08um左右；修正圆度，使椭圆度0.01um;提高表面硬度，消除受力变形，硬度提高；加工后有残余应力层，可提高疲劳强度30%；可提高表面质量，减少磨损，延长零件使用寿命，但零件的加工费用反而降低。基于滚压加工的这些优点，滚压加工具有很大的应用优势：高效、优质、经济、方便和环保。应用实例：滚压强化技术在铁路上得到了很好的应用，随着客货列车的不断提速，列车的运行安全和车轴的使用寿命就显得尤为重要，在列车行驶的过程中，车轴承受着交变载荷的作用，车轴就会因疲劳而损坏。为了提高车轴的疲劳强度，可采用在轮毂上开减荷槽、热处理后喷丸强化等方法，这些方法虽然能提高车轴的疲劳强度，但效果并不明显，而采用滚压强化的方法则可以大大提高车轴的疲劳强度，使得车轴的使用寿命得到提高；再如：以“滚压强化”为关键词进行文献的查阅时可以发现，滚压强化在曲轴圆角强化中有着广泛的应用。曲轴是发动机的重要零件之一，活塞杆的往复运动使得曲轴承受着交变的扭转载荷和冲击载荷，受力情况十分复杂。所以曲轴要具有足够的强度、刚度、耐磨性、疲劳强度和冲击韧性，而曲轴的失效多为疲劳断裂。圆角滚压是用机械力通过滚轮对圆角表面进行滚压，使其表面发生塑性变形，形成应力层，产生残余应力，进而提高曲轴疲劳强度，得到了广泛的应用。5滚压强化的发展趋势滚压是一种高效率，低成本的绿色制造技术，具有广阔的发展前景。其发展的趋势主要集中在以下几个方面：强化机理的理论方面：组织强化机理的研究是一个重要的方向，金属材料经过滚压后，其表层晶粒会产生滑移和形变孪晶，只有深入到材料的微观机理中去研究，才能更好的理解滚压强化效果产生的根源，为滚压技术进一步的开发和应用奠定理论基础。滚压工艺方面：对滚压参数的研究不是十分充分，不能形成系统可靠的理论参考，在不同工况下，针对不同的零件尺寸和材料，如何确定其最佳工艺参数是当前滚压技术发展的一个趋势；相对于普通的冷滚压加工，温滚压工艺（零件在中文范围内进行滚压）能够获得更好的强化效果：温滚压能形成更细的亚晶组织晶粒以及更密集的位错，使得零件的疲劳寿命更长。虽然该工艺存在一些局限（装置复杂，温度不易控制等），但随着科技的不断发展，这些局限将不断被克服，该工艺将成为今后一个发展的方向；复合滚压强化工艺即为将滚压工艺与其他强化工艺相结合的应用，其目的是提高加工效率、获得更好的强化效果，如何将两种或几种工艺有效的结合起来，增加协同效应，减少对抗效应是复合强化工艺研究的难点和重点。数值模拟方面：随着计算机软件的快速发展，计算机仿真模拟不断的应用到滚压加工中，ABAQUS，ANSYS等大型有限元软件可对滚压过程进行仿真模拟，在不同工况下对滚压的各种工艺参数进行对比，方便设计者确定最佳工艺参数。对于其仿真模拟的参数是否准确可靠还需要不断的进行验证，也是今后研究的一个重要方向。6总结滚压强化是利用滚压形成的压力作用，使金属表面发生塑性变形，产生残余应力来强化金属表面的，能显著提高零件的抗疲劳性能和使用寿命。在实际的生产中确定合适的滚压工艺参数，使滚压强化后能够达到预期的强化效果。基于滚压加工高效、经济、环保等优点，其应用范围将不断得到扩展。滚压强化机理、滚压工艺以及数值模拟方面的研究是今后滚压强化发展的三个重要方面。参考文献：1周航，周旭东，周宛.金属零件表面滚压技术的现状与发展.工具技术.2009