冲击滚压技术的研究与开发应用

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金属材料的破坏往往从表面开始。目前，许多发达国家都在大力研究和应用各种提高零件表面性能的新技术、新工艺。表面强化作为表面工程学的一项重要技术，对于改善材料的表面性能，提高零件表面的耐磨性，抗疲劳性，延长其使用寿命等具有重要意义。在表面强化技术中，作为机械方式的强化方法，现在主要采用滚压和喷丸两种方式。但是，上述滚压或喷丸方法的应用在技术上也受到一定的限制。如滚压技术一般只适用于回转体类零件。而且由于加压为静载荷形式，为达到一定量的滚压变形所需的压力较大。而喷丸技术通常用于表面质量要求不太高的零件。
　　在分析研究现有技术以及零件表面强化要求的基础上，我们研究开发了一种新的称之为‘冲击滚压’的表面强化技术并进行了工艺性试验。试验结果表明：采用该项技术能明显改善零件的表面性能。零件表面的硬度得到提高，表面的粗糙度也明显下降。与一般滚压方法相比较，由于该项技术中在滚压的同时还引入了冲击源，能对零件的表面产生动压作用。对比试验结果显示，采用冲击滚压方法能使零件表面容易获得较大的塑性变形。在满足一定的变形量的要求下，冲击滚压方法比一般滚压方法所需施加的压力小得多。另外，该项技术还能对一些不便采用一般滚压方法的零件形面进行强化处理。冲击滚压技术的研究开发为零件表面强化技术探索了一条新的途径。
　　1冲击滚压工作原理
% q$ r- W" r$ {4 u' ~　　大量的实验数据和工业应用表明，对金属零件表层材料的局部加压使其表层产生塑性变形，能改善表层晶粒组织，产生冷作硬化现象，使表层材料存在残余压应力等作用。这对于提高零件的耐磨性以及抗疲劳强度等具有明显效果。目前常用的滚压和喷丸两种表面强化方法正是应用了这一原理。
3 q" B: E1 w: W# u7 V" H9 s　　我们研究开发的冲击滚压技术是在一般的滚压方法基础上增加了一个冲击源，使被强化的零件表层材料不仅受到静压力的作用还同时受到冲击源引起的动压力的作用。这使得材料表面的变形更加容易，零件表面强化更容易实现。
　　以我们研制的高强度螺栓圆角冲击滚压装置为例。如附图所示，冲击滚压装置主要由主轴，压头，夹具，传感器及控制系统等组成。启动冲击滚压装置后，一方面通过钢球对工件表面施加静压力，同时由冲击源引起钢球对工件表面施加一个较高频率的动压力。在上述动压和静压力的复合作用下完成对零件的表面强化——冲击滚压。图示的冲击滚压装置仅比一般的滚压装置增加了一个冲击部分。若取消这一冲击源，该装置就变成了一套常用的普通的滚压装置。正是有了这一冲击源的存在使冲击滚压方法在零件的表面强化方面体现出诸多特点。
" X4 z7 g0 I% o( F+ E+ _" X　　2冲击滚压技术特点
　　根据我们进行的各种工艺试验表明，冲击滚压技术主要具有以下特点：
' P$ g* y0 }" J6 I4 W! Q$ _　　2.1冲击滚压所需压力较小
* Q+ v* s- _+ r3 s. D! L　　试验结果表明：为了使零件表面产生一定的塑性变形量，冲击滚压时比一般滚压所需施加的压力小得多。例如，对材料为中硬度的碳钢和较高硬度的高温合金的高强度螺栓圆角进行的冲击滚压和一般滚压对比试验表明，当圆角部位的变形量相同时，冲击滚压时所需的压力仅为一般滚压时的10%—17%。这显然是由于冲击载荷使材料表面易于变形所致。由于所需的压力较小，使这种技术可以在较小的设备上进行。另一方面，也使一些受设备限制而不便处理的较大零件的表面强化处理获得一种新的途径。
" s) M1 L' K7 n' M4 V; l- S　　2.2易于使材料表面产生较大的塑性变形
' W# }5 [+ y7 ?( z& ]5 a5 F　　对比试验表明：冲击滚压比一般滚压更容易使零件表面产生较大的塑性变形。对于某些滚压前表面加工质量不高的零件，必需在滚压时产生较大地变形量才能满足表面质量的要求。对于这类情况，采用一般滚压方法往往由于表面被反复碾压形成加工硬化层，即使采用很大的压力有时也无法消除上道工序在表面留下的加工痕迹。对于某些硬度较高的零件，这种问题尤为突出。试验结果表明，采用冲击滚压方法，即便是对于硬度较高的零件也能使材料表面产生较大的塑性变形，消除表面缺陷。我们对材料硬度达到HRC48—52的高温合金，圆角尺寸为R=1.6mm，圆角滚压前工序为车削的高强度螺栓圆角进行了对比试验；当圆角车削的质量较好时，采用一般滚压方法就可以获得满意的滚压效果。但是在圆角部位有意加工出较明显的刀痕时，由于采用一般滚压方法很难使材料产生较大的塑性变形，即使施加了比正常情况下高出几倍的压力，达3000N甚至更高，也未能消除车削留下的刀痕。而采用冲击滚压只施加了350N的压力就使圆角部位产生了足够大的塑性变形，完全削除了车削留下的刀痕，获得了满意的表面质量。冲击滚压易于使零件表面产生较大的塑性变形，这就可以使滚压前的表面质量要求降低，减小了加工难度。
4 ]' Z, I9 `; I　　2.3冲击滚压后零件的表面质量较好
　　为提高零件疲劳强度等目的的表面强化工艺，通常对表面质量要求都比较高。试验结果表明，冲击滚压后零件的表面质量良好，表面粗糙度较小。表面质量不低于一般滚压的效果，其表面粗糙度Ra值小于0.2μm。能满足一般零件的要求。
3 c. y2 z' y/ q! w　　2.4冲击滚压适用于处理多种零件形面
; Y6 e. n- N/ o- ]2 I) [3 e　　现在常用的一般滚压方法通常只适用于滚压回转体类零件。我们用冲击滚压方法对平面和曲面进行了试验，这种方法同样有效。由于冲击滚压同时具有滚压和喷丸方法的技术特点，只要正确处理好冲击滚压工具，控制好工件与工具之间的相对运动以及冲击力，滚压力等工艺参数，就能对平面和曲面等进行处理。试验结果表明，零件的表面粗糙度，硬度都得到一定程度的改善。这对某些不便采用一般滚压方法的零件形面提供了一种有效的表面强化方法，并能获得较好的表面质量。
　　2.5冲击滚压技术简单易行
, y" M6 v+ \5 |　　根据上述分析可见，冲击滚压技术并不复杂。冲击滚压装置也仅比一般的滚压装置增加了一个用于引起冲击载荷的冲击源。属于一项简单易行且效果良好的表面强化技术。
9 R* a/ M1 }4 b8 L) \) E$ d4 D9 g- ~' v　　3应用前景分析
　　零件表面强化作为新兴的表面工程学中一项重要技术，通过表面质量的改善，仅花费很少的费用，就能大幅度地，甚至成倍地提高零件的工作寿命，节约资源，提高生产率。因此越来越受到制造业的普遍重视。冲击滚压作为一种新开发的技术对于表面强化中提高零件表面质量，减小滚压过程的压力，能使材料表面产生较大的变形，能适应各种不同零件形面的强化以及技术和装备上简单易行等方面已经显示出许多优点，具有良好的应用前景。
　　一方面，冲击滚压可以作为解决一般滚压方法中许多技术难点的重要手段。利用冲击滚压具有的易于使零件表面产生较大的变形，所需施加的压力小，适用于较高硬度的材料等特点，与已比较成熟的滚压技术的结合可以解决许多已往不好处理的技术难题，扩展滚压技术的应用范围。
+ t% a5 y9 l1 ~$ O5 h( _　　以我们为多家飞机制造企业研制的高强度螺栓圆角冷滚压圆角设备为例。航空工业所用螺栓材料的强度一般都很高，硬度相应也比较高(某型飞机的高强度螺栓硬度达到HRC48-52)。由于这类高强度，高硬度的零件抗塑性变形能力强，进行滚压比较困难。特别是对于零件尺寸较大或滚压前零件加工的公差比较大以及表面质量不太高等情况下，必需在滚压过程中产生较大的塑性变形才能满足零件对形状，尺寸和表面质量的要求。这就增加了滚压的难度。在实际生产中就只好对零件的尺寸及有关工序加以许多限制。如只允许滚压较小尺寸的零件，而且对滚压前零件的形状和尺寸公差以及表面粗糙度都提出了很高的要求。否则，就很容易出现因滚压质量达不到要求而导致零件报废。采用冲击滚压能较好地解决上述问题。我们对前面提到的硬度达HRC48—52的高强度螺栓圆角滚压进行的对比试验表明，冲击滚压效果明显优于一般滚压。即使是对于那些表面有较大加工缺陷的零件，通过冲击滚压只需施加比一般滚压小得多的压力也能使其产生足够的塑性变形，从而消除加工痕迹获得良好的表面质量。若能将这项技术应用于上述螺栓圆角冷滚压圆角设备，必将大大改善该设备的性能，扩大应用范围。同时，零件滚压前的加工要求可以降低，这对于降低费用，提高生产率等都大有好处。
3 h; ?8 E0 Y; O- w　　另一方面，冲击滚压还可以用于对平面和曲面等零件形面进行表面强化处理。这为目前不便处理的某些零件形面提供了一种有效的表面强化新手段。从某种意义上说，这是开发该项技术更重要的一面。值得作进一步的研究。
　　冲击滚压技术具有一系列的优点，而且在技术上和设备方面都易于推广使用。将具有良好的应用前景。