摘要 介紹了一種塑性壓力加工的新技術(shù)——金屬軸搓滾加工技術(shù)。該技術(shù)的特征是：以一副作相對平行運動的模板，搓滾被加工的金屬軸，一次達(dá)到表面精密加工的目的。在應(yīng)力模型分析的基礎(chǔ)上，研究了金屬軸搓滾加工的基本機理，總結(jié)了搓滾加工的工藝方法。
敘詞：金屬軸 搓滾 原理 工藝
中圖分類號：TG306 TG176
MACHINING PRINCIPLE AND ART
FOR SCRUBBING AND ROLLING
METAL SHAFT
Gu Wei Chu Jianxin
(Shanghai Maritime University)
Abstract A new technigue for plastic pressure machining scrubbing and rolling metal shaft is discussed. The characterstic of the technique is that: with a couple of model plane moving parallelly eath other, the metal shaft is scrubbed and rolled, meanwhile, the precision machining for the shaft surface is realized. Based on the stress model of the shaft, the principle of scrubbing and rolling machining is explained and the machining method is developed.
Key words：Metal shaft Scrubbing and rolling Principle Art
0 前言
按照國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)，在金屬軸加工中，實現(xiàn)表面粗糙度、硬度、圓度和圓柱度等技術(shù)要求，一般采用磨削、拋光及熱處理等方法進(jìn)行多道工序加工。為了解決軸加工特別是精密軸加工中的技術(shù)難題，發(fā)展了多種特種加工方法，其中，基于壓力加工原理有二種：擠壓加工法和滾壓加工法［1，2］。
滾壓加工適用于工件外圓、內(nèi)圓和平面的表面加工，但主要是用于外圓表面的加工。該工藝能夠簡單有效地進(jìn)行精密加工和硬化加工，但是也存在著一些明顯的不足之處：①被加工軸尺寸較大，且兩頭需留有夾持端或頂孔，不能適應(yīng)小直徑細(xì)長軸、短軸和通軸的加工要求。②軸向走刀加工有一定的應(yīng)力集中，使表面質(zhì)量的提高受到影響，而且無法達(dá)到圓柱度等形位精度的加工要求。③受上、下料和走刀速度的影響，加工效率不高，難以實現(xiàn)低成本的快速精密加工。
由此，研究了一種金屬軸搓滾加工工藝與設(shè)備。這種加工技術(shù)屬于塑性壓力加工的范疇，它在汲取滾壓加工技術(shù)優(yōu)點的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步借鑒了螺栓搓絲技術(shù)的工作原理，形成了一套軸加工新技術(shù)。其特點是：在專用的搓滾加工設(shè)備上，驅(qū)動一副平面模板進(jìn)行相對平行運動，處于壓力狀態(tài)下的軸受到模板的無滑動搓滾，一次達(dá)到尺寸精度、形位精度、表面光整和表面硬化等方面的精密加工要求。
1 搓滾加工軸的受力模型及分析
軸在搓滾加工狀態(tài)下，受到上、下模板的壓力夾持和定向搓滾，其受力與變形情況如圖1所示。圖中，上模板為運動模板，是主動部件；下模板為固定模板，為配合部件。
為了分析被加工軸的受力狀態(tài)，作出二點簡化：①由于搓滾力Fs受軸與模板間摩擦力的限制，特別是在充分潤滑的情況下，F(xiàn)s大大小于夾持力Fp，一般有Fs≤(0.1～0.2)Fp，因此，在討論軸內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)時，可以將Fs忽略不計。②盡管搓滾加工是一種塑性加工，但塑性變形區(qū)域僅僅集中在模板與軸接觸處，整個軸絕大部分區(qū)域仍處于彈性變形狀態(tài)，可以按照彈性小變形理論分析軸的受力情況。
由于軸與上、下模板的接觸情況是相同的，任選下模板與軸接觸處為研究對象。設(shè)加載前軸與下模板的接觸點為坐標(biāo)原點，以公切線及垂線建立坐標(biāo)系，如圖1所示。
圖1 金屬軸搓滾加工橫向截面示意圖
在載荷Fp的作用下，被加工軸軸線方向所受均布線載荷q=Fp/L(Fp為模板總壓力，L為金屬軸長度)。這時，軸和模板都會產(chǎn)生彈性變形，形成了一個寬度為b的矩形接觸帶。將軸看成是圓柱體，下模板看成是半無限平面，討論軸應(yīng)力—應(yīng)變情況。表面應(yīng)力σ(x)在接觸線幾何中心O點處最大，然后設(shè)x軸方向按應(yīng)力圓規(guī)律衰減，關(guān)系式為
(1)
式中 σmax——σ(x)的最大值
b——接觸區(qū)寬度
根據(jù)線載荷的對稱分布情況，σ(x)也是對稱分布的，即
(2)
按照圓柱體接觸變形問題的H.Hertz公式的極限分析［3，4］，可以求得接觸區(qū)寬度
(3)
式中 μ1——金屬軸材料泊松比
E1——金屬軸材料彈性模量
μ2——模板材料泊松比
E2——模板材料彈性模量
R——金屬軸半徑
軸半徑應(yīng)變量
(4)
最大表面應(yīng)力
(5)
最大切應(yīng)力發(fā)生在y=0.393b處，數(shù)值為
(6)
按照Tresca屈服條件，當(dāng)τmax>σs/2時(σs為材料屈服點)，軸進(jìn)入塑性狀態(tài)。在搓滾加工時，可按式(5)、式(6)控制模板壓力的大小，使塑性屈服關(guān)系得到滿足。但在τmax=σs/2時，軸僅處于彈塑性臨界狀態(tài)，在它的接觸區(qū)域表面層厚度δ≈b/2的區(qū)域，材料剛進(jìn)入塑性變形，在軸心區(qū)域，應(yīng)力函數(shù)σ(x，y)隨著y的增加很快地衰減，剪切力值τ(x，y)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于σs/2，材料處于彈性狀態(tài)。
以直徑為8 mm的45碳素鋼軸為例，其主要參數(shù)為σs=360 MPa，E1=210 GPa，μ1=0.3。一般情況下，模板材料的彈性模量和泊松比與45鋼相近，可設(shè)E2≈E1，μ2≈μ1，按照上述分析可求得臨界塑性變形時，線載荷q=38.985 kN/m，接觸區(qū)寬度b=83 μm，徑向變形量ΔR=0.685 μm。加工時，搓滾壓力和上下模板的間距可根據(jù)上述計算值進(jìn)行預(yù)估，但按照加工工藝要求實際決定的線載荷q、接觸區(qū)寬度b和徑向變形量ΔR要大于上述的臨界塑性值。當(dāng)q增加時，軸截面中任一點的法向應(yīng)力分量σ和切應(yīng)力分量τ的組合滿足屈服點后，即由彈性變形狀態(tài)進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，q的不斷增加，引起了塑性區(qū)由表向里不斷擴大，彈性區(qū)由表向里不斷縮小。搓滾加工時，軸所處的狀態(tài)一般為亞臨界塑性狀態(tài)，以保證塑性變形層有一定深度。
2 搓滾加工的基本機理
在搓滾加工時，被加工的軸整體上處于彈塑性變形狀態(tài)。軸心部分處于彈性變形狀態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生短暫的變形，不會留下永久的變形痕跡。表層部分由于應(yīng)力范圍超出了屈服極限，晶粒內(nèi)部、晶粒之間發(fā)生了位錯和滑移，出現(xiàn)了明顯的塑性變形和變形結(jié)構(gòu)，使得材料的幾何形狀和物理結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了變化。
搓滾加工后的軸，表層體積進(jìn)行了重新分布，表面形狀變得較為光滑，表面粗糙度顯著降低。搓滾加工的效果之一就是將軸表面原有的凹凸不平之處，用壓延的方法，使凸峰填滿凹谷，獲得良好的表面質(zhì)量。用顯微鏡觀察搓滾加工后軸表面時，可以看到充填和軋壓的痕跡，但表面粗糙度即大為降低。
搓滾加工的強度不同，軸表層塑性變形的程度也不同。小變形時，僅在表面晶粒內(nèi)出現(xiàn)滑移線，當(dāng)變形較大時，在表層區(qū)域會產(chǎn)生較為明顯的纖維狀變形結(jié)構(gòu)。搓滾加工形成的塑性區(qū)可分成內(nèi)外二層。在塑性區(qū)的外層，晶體粒子變得細(xì)長了，并且沿著變形最大方向(一般為周向)拉伸，形成了比基體金屬具有更高強度的緊密層組織，我們稱之為晶粒細(xì)化層。在晶粒細(xì)化層的下面，有一個塑性區(qū)內(nèi)層，由于該層上的金屬組織處于一種臨界塑性狀態(tài)，只發(fā)生輕微的塑性變形，我們稱之為變質(zhì)層，它的厚度一般為晶粒細(xì)化層的2倍～3倍。在該區(qū)域中，離軸心越近，塑性變形越小。
由于軸搓滾加工是在常溫下進(jìn)行的冷加工，軸表層塑性變形后留有2 GPa～4 GPa的殘余壓應(yīng)力會引起加工硬化，增加了材料的強度極限、屈服極限，使表面硬度和疲勞強度都得到顯著提高。當(dāng)然，搓滾加工軸疲勞強度的提高除了表面殘余壓應(yīng)力因素外，還特別得益于表面質(zhì)量的提高，由于外表光滑，因凹凸峰谷形成的應(yīng)力集中明顯減小，有效地改善了軸的表面受力狀態(tài)。
在摩擦性能上分析，搓滾加工后金屬軸由于表面光滑，接觸良好，增大了受壓面積，摩擦系數(shù)減小，大約為車削加工的2/3左右，明顯地提高了軸的摩擦性能。而且，搓滾加工質(zhì)量越高，摩擦系數(shù)越小，系數(shù)對載荷變化的穩(wěn)定性越高。
3 搓滾加工工藝的試驗研究
3.1 搓滾壓力
正確地確定搓滾模板對被加工軸的壓力，是搓滾加工工藝首要解決的問題。根據(jù)第1節(jié)應(yīng)力模型的分析，可以確定一個臨界壓力，以此為基礎(chǔ)，當(dāng)搓滾壓力在一定范圍內(nèi)繼續(xù)增加時，被加工軸冷作硬化程度和深度、疲勞強度會相應(yīng)提高，表面粗糙度會相應(yīng)減小。
先討論一下搓滾壓力和表面硬度增加值ΔHB的關(guān)系。這一關(guān)系和軸的原始硬度、長度和直徑等幾何尺寸有關(guān)。以直徑為8 mm的45碳素鋼為試件(以下相同)，材料搓滾前未進(jìn)行過表面硬化處理，HB為210，將搓滾壓力對軸長L進(jìn)行歸一化成為線載荷q，表面硬度增加值ΔHB和線載荷q的關(guān)系如圖2所示。
當(dāng)搓滾壓力q開始增加但小于臨界壓力38.98 N/mm時，金屬軸的塑性變形尚未出現(xiàn)，表面硬度增加值ΔHB約等于零。在q大于臨界壓力后，硬化程度隨著搓滾壓力增加均勻增加，在q>560 N/mm后，搓滾壓力進(jìn)一步增加時，硬化深度增加很少，逐步趨于穩(wěn)定。ΔHB最大值均等于40%。
搓滾壓力和疲勞強度的關(guān)系曲線如圖3所示。在前半段，該曲線和圖2所示的曲線在形態(tài)上是一致的，隨著線載荷q的增加，會引起疲勞強度的不斷增加；但在后半段，q>570 N/mm，疲勞強度達(dá)到一個極限值后，再繼續(xù)增加搓滾壓力，材料的疲勞強度非但不會提高，反而只會下降，因為這時的金屬材料表面已發(fā)生脆化，使強度性能大大損失。
搓滾壓力與軸直徑減小量ΔD，即殘余塑性變形的關(guān)系如圖4所示。隨著搓滾壓力的增加，軸的殘余變形亦逐漸增加，開始時，增加速度較快，當(dāng)搓滾壓力增加至一定數(shù)值，q>300 N/mm后，
圖2 搓滾線載荷與表面硬度增加值的關(guān)系 圖3 搓滾線載荷與疲勞強度增加值的關(guān)系
繼續(xù)增加搓滾壓力，金屬軸殘余變形的增加值就較小了。這基本上反映了增加搓滾壓力與降低被加工軸表面粗糙度之間的關(guān)系。
從達(dá)到一定殘余變形以降低表面粗糙度的角度出發(fā)，搓滾壓力的選擇范圍為q=300 N/mm～400 N/mm較合適，但這與表面硬化與疲勞強度的加工要求有一定差距，按照圖2、圖3的分析，搓滾線載荷q應(yīng)在600 N/mm～700 N/mm范圍內(nèi)較合適，大約為表面粗糙度和殘余變形所需壓力值的一倍。在實際加工中，應(yīng)該根據(jù)被加工軸的不同要求，合理確定搓滾壓力，使被加工零件既獲得良好的表面精度，又獲得合適的表面硬度與疲勞強度。
3.2 搓滾量和速度
搓滾量Q由二個因素決定，一是模板一次給進(jìn)時搓滾區(qū)域長度l，二是搓滾次數(shù)n，考慮加工軸直徑D的影響
(7)
搓滾量對提高加工軸表面硬度和降低表面粗糙度有著明顯作用，但影響的程度與搓滾壓力的大小成反比。
仍以直徑為8 mm的45鋼軸為試件，如圖5所示，在搓滾線壓力q=600 N/mm的條件下，當(dāng)搓滾量從零開始逐步增加時，被加工軸的表面疲勞強度顯著提高，而在Q>4.2次后，加工效果趨向飽和，進(jìn)一步增加搓滾量，對表面疲勞強度幾乎不起作用。至于表面硬度和搓滾量間的關(guān)系，曲線形狀也基本與圖5相同。
搓滾量對表面粗糙度的影響是十分明顯的，在一定范圍內(nèi)，搓滾量的增加，使得軸的表面粗糙度與模板的表面粗糙度越來越接近。
搓滾速度對被加工軸的表面質(zhì)量沒有明顯影響，主要依據(jù)加工設(shè)備的工作性能，如加載狀況、調(diào)速狀況等決定搓滾速度。對于自動搓滾設(shè)備，送料、出料裝置的工作速度也是決定搓滾速度的重要因素。在一般情況下，采用一次搓滾的方法，可以控制搓滾速度在每秒加工1至2根軸之間。
圖4 搓滾線載荷與殘余塑性變形的關(guān)系 圖5 搓滾量與疲勞強度增加量的關(guān)系
3.3 被加工軸直徑和原始粗糙度對搓滾加工質(zhì)量的影響
被加工軸直徑的大小對搓滾加工的過程和質(zhì)量都會產(chǎn)生影響。如果直徑較大，搓滾壓力必須加大，才能保證軸表面充分的塑性變形，直徑較小，搓滾壓力必須減小，以免引起過度塑性變形。一般情況，直徑為1 mm～12 mm小直徑鋼質(zhì)及有色金屬材料軸比較適應(yīng)搓滾加工，加工后質(zhì)量也較理想。
搓滾加工時，金屬軸受到了高硬度模板反復(fù)的壓制，若軸的原始表面粗糙度在一定范圍之內(nèi)，微凸之處會被壓入微凹之處，原始表面粗糙度狀況主要影響到搓滾加工次數(shù)的多少和加工壓力的大小。
此外，加工前軸表面粗糙度對軸的尺寸精度指標(biāo)也會產(chǎn)生一定的影響，特別是影響到搓滾后軸直徑的減小。在同樣壓力下，被加工軸表面越粗糙，模板與軸實際接觸的面積越小，壓強越大，加工后軸直徑減小量越大，它們之間的情況基本上是呈線性的，如圖6所示。
圖6 加工前軸表面粗糙度與直徑減小量的關(guān)系
3.4 尺寸精度的控制
軸類零件的尺寸精度指標(biāo)為直徑公差、圓度和圓柱度等。對搓滾加工來說，直徑公差的控制比較重要。如上所述，搓滾加工后的軸直徑會出現(xiàn)一定程度的減小，其定量范圍取決于二個因素：一是被加工軸的狀況，即原始表面粗糙度Ra和直徑D的大小；二是加工過程參數(shù)，即搓滾壓力q和搓滾量Q的大小。
試驗表明，根據(jù)被加工軸的狀況可對搓滾加工時的直徑減小量進(jìn)行粗略的估計，數(shù)值范圍為：ΔD≈-(1/5 000～1/1 000)D，或ΔD≈-(0.3～1.0)Ra。顯然，ΔD在加工時只發(fā)生了微小的變化，這樣，在前道工序應(yīng)對直徑公差進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時適當(dāng)預(yù)留加工余量，為搓滾加工時直徑精度控制提供合適的基礎(chǔ)。
在實施搓滾加工時，可通過調(diào)節(jié)搓滾壓力和搓滾量的大小，控制被加工軸的直徑精度范圍。隨著搓滾壓力和搓滾量的加大，直徑減小量ΔD會略有增加，但是，控制范圍是極其有限的，大約為D/5 000或0.3Ra左右。這是因為：①搓滾加工是一種無切削的表面加工，它只能對被加工軸的直徑進(jìn)行單向微減。②在不少場合，直徑的精度控制會和表面質(zhì)量控制發(fā)生矛盾，這時只能根據(jù)具體加工要求，達(dá)到綜合優(yōu)化的目的。
在搓滾加工時，圓度、圓柱度的控制較易實現(xiàn)，只要控制上下模板的不平度和相對平形度即可達(dá)到較高的加工要求，一般為微米級。
4 結(jié)論
金屬軸搓滾加工技術(shù)以塑性壓力加工技術(shù)為基礎(chǔ)，提供了一種無夾具［5］、無切屑快速精密加工的新方法，它特別適合于直徑為mm級的小直徑細(xì)長軸、不銹鋼、銅及鋁等難加工材料軸表面加工，解決了現(xiàn)有加工技術(shù)難以解決的一個問題。
搓滾加工時，對不同種類的軸、不同的加工指標(biāo)，可以選擇不同的搓滾加工工藝，合理地確定加工裝置、加工模板、加工精度、加工速度、加工工序等技術(shù)因素，達(dá)到良好的表面光整和硬化加工效果，同時有效地提高尺寸精度。
目前，該項技術(shù)已開始推廣使用。在金屬軸搓滾加工研究成果的基礎(chǔ)上，將逐步推進(jìn)到各種金屬材料光滑曲面柱體、球體等零部件表面搓滾加工的研究，形成一套更為完整的搓滾加工理論、工藝和設(shè)備。
