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

　　按照国内外现有技术，在金属轴加工中，实现表面粗糙度、硬度、圆度和圆柱度等技术要求，一般采用磨削、抛光及热处理等方法进行多道工序加工。为了解决轴加工特别是精密轴加工中的技术难题，发展了多种特种加工方法，其中，基于压力加工原理有二种：挤压加工法和滚压加工法［1，2］。
　　滚压加工适用于工件外圆、内圆和平面的表面加工，但主要是用于外圆表面的加工。该工艺能够简单有效地进行精密加工和硬化加工，但是也存在着一些明显的不足之处：①被加工轴尺寸较大，且两头需留有夹持端或顶孔，不能适应小直径细长轴、短轴和通轴的加工要求。②轴向走刀加工有一定的应力集中，使表面质量的提高受到影响，而且无法达到圆柱度等形位精度的加工要求。③受上、下料和走刀速度的影响，加工效率不高，难以实现低成本的快速精密加工。
　　由此，研究了一种金属轴搓滚加工工艺与设备。这种加工技术属于塑性压力加工的范畴，它在汲取滚压加工技术优点的基础上，进一步借鉴了螺栓搓丝技术的工作原理，形成了一套轴加工新技术。其特点是：在专用的搓滚加工设备上，驱动一副平面模板进行相对平行运动，处于压力状态下的轴受到模板的无滑动搓滚，一次达到尺寸精度、形位精度、表面光整和表面硬化等方面的精密加工要求。

1　搓滚加工轴的受力模型及分析

　　轴在搓滚加工状态下，受到上、下模板的压力夹持和定向搓滚，其受力与变形情况如图1所示。图中，上模板为运动模板，是主动部件；下模板为固定模板，为配合部件。
　　为了分析被加工轴的受力状态，作出二点简化：①由于搓滚力Fs受轴与模板间摩擦力的限制，特别是在充分润滑的情况下，Fs大大小于夹持力Fp，一般有Fs≤(0.1～0.2)Fp，因此，在讨论轴内部应力状态时，可以将Fs忽略不计。②尽管搓滚加工是一种塑性加工，但塑性变形区域仅仅集中在模板与轴接触处，整个轴绝大部分区域仍处于弹性变形状态，可以按照弹性小变形理论分析轴的受力情况。
　　由于轴与上、下模板的接触情况是相同的，任选下模板与轴接触处为研究对象。设加载前轴与下模板的接触点为坐标原点，以公切线及垂线建立坐标系，如图1所示。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　 图1　金属轴搓滚加工横向截面示意图

　　在载荷Fp的作用下，被加工轴轴线方向所受均布线载荷q=Fp/L(Fp为模板总压力，L为金属轴长度)。这时，轴和模板都会产生弹性变形，形成了一个宽度为b的矩形接触带。将轴看成是圆柱体，下模板看成是半无限平面，讨论轴应力—应变情况。表面应力σ(x)在接触线几何中心O点处最大，然后设x轴方向按应力圆规律衰减，关系式为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　σmax——σ(x)的最大值
　　　b——接触区宽度
　　根据线载荷的对称分布情况，σ(x)也是对称分布的，即

　　　　　　　　　　　　　　　(2)

　　按照圆柱体接触变形问题的H.Hertz公式的极限分析［3，4］，可以求得接触区宽度

　　　　　　　　　　　(3)

式中　μ1——金属轴材料泊松比
　　　E1——金属轴材料弹性模量
　　　μ2——模板材料泊松比
　　　E2——模板材料弹性模量
　　　R——金属轴半径
轴半径应变量

　　　　　　　　　　　　　　(4)

最大表面应力

　　　　　　　　　　　　(5)

最大切应力发生在y=0.393b处，数值为

　　　　　　　　　　　　　(6)

　　按照Tresca屈服条件，当τmax>σs/2时(σs为材料屈服点)，轴进入塑性状态。在搓滚加工时，可按式(5)、式(6)控制模板压力的大小，使塑性屈服关系得到满足。但在τmax=σs/2时，轴仅处于弹塑性临界状态，在它的接触区域表面层厚度δ≈b/2的区域，材料刚进入塑性变形，在轴心区域，应力函数σ(x，y)随着y的增加很快地衰减，剪切力值τ(x，y)远远小于σs/2，材料处于弹性状态。
　　以直径为8 mm的45碳素钢轴为例，其主要参数为σs=360 MPa，E1=210 GPa，μ1=0.3。一般情况下，模板材料的弹性模量和泊松比与45钢相近，可设E2≈E1，μ2≈μ1，按照上述分析可求得临界塑性变形时，线载荷q=38.985 kN/m，接触区宽度b=83 μm，径向变形量ΔR=0.685 μm。加工时，搓滚压力和上下模板的间距可根据上述计算值进行预估，但按照加工工艺要求实际决定的线载荷q、接触区宽度b和径向变形量ΔR要大于上述的临界塑性值。当q增加时，轴截面中任一点的法向应力分量σ和切应力分量τ的组合满足屈服点后，即由弹性变形状态进入塑性变形状态，q的不断增加，引起了塑性区由表向里不断扩大，弹性区由表向里不断缩小。搓滚加工时，轴所处的状态一般为亚临界塑性状态，以保证塑性变形层有一定深度。
　　
2　搓滚加工的基本机理

　　在搓滚加工时，被加工的轴整体上处于弹塑性变形状态。轴心部分处于弹性变形状态，晶体结构只产生短暂的变形，不会留下永久的变形痕迹。表层部分由于应力范围超出了屈服极限，晶粒内部、晶粒之间发生了位错和滑移，出现了明显的塑性变形和变形结构，使得材料的几何形状和物理结构都产生了变化。
　　搓滚加工后的轴，表层体积进行了重新分布，表面形状变得较为光滑，表面粗糙度显著降低。搓滚加工的效果之一就是将轴表面原有的凹凸不平之处，用压延的方法，使凸峰填满凹谷，获得良好的表面质量。用显微镜观察搓滚加工后轴表面时，可以看到充填和轧压的痕迹，但表面粗糙度即大为降低。
　　搓滚加工的强度不同，轴表层塑性变形的程度也不同。小变形时，仅在表面晶粒内出现滑移线，当变形较大时，在表层区域会产生较为明显的纤维状变形结构。搓滚加工形成的塑性区可分成内外二层。在塑性区的外层，晶体粒子变得细长了，并且沿着变形最大方向(一般为周向)拉伸，形成了比基体金属具有更高强度的紧密层组织，我们称之为晶粒细化层。在晶粒细化层的下面，有一个塑性区内层，由于该层上的金属组织处于一种临界塑性状态，只发生轻微的塑性变形，我们称之为变质层，它的厚度一般为晶粒细化层的2倍～3倍。在该区域中，离轴心越近，塑性变形越小。
　　由于轴搓滚加工是在常温下进行的冷加工，轴表层塑性变形后留有2 GPa～4 GPa的残余压应力会引起加工硬化，增加了材料的强度极限、屈服极限，使表面硬度和疲劳强度都得到显著提高。当然，搓滚加工轴疲劳强度的提高除了表面残余压应力因素外，还特别得益于表面质量的提高，由于外表光滑，因凹凸峰谷形成的应力集中明显减小，有效地改善了轴的表面受力状态。
　　在摩擦性能上分析，搓滚加工后金属轴由于表面光滑，接触良好，增大了受压面积，摩擦系数减小，大约为车削加工的2/3左右，明显地提高了轴的摩擦性能。而且，搓滚加工质量越高，摩擦系数越小，系数对载荷变化的稳定性越高。

3　搓滚加工工艺的试验研究

3.1　搓滚压力
　　正确地确定搓滚模板对被加工轴的压力，是搓滚加工工艺首要解决的问题。根据第1节应力模型的分析，可以确定一个临界压力，以此为基础，当搓滚压力在一定范围内继续增加时，被加工轴冷作硬化程度和深度、疲劳强度会相应提高，表面粗糙度会相应减小。
　　先讨论一下搓滚压力和表面硬度增加值ΔHB的关系。这一关系和轴的原始硬度、长度和直径等几何尺寸有关。以直径为8 mm的45碳素钢为试件(以下相同)，材料搓滚前未进行过表面硬化处理，HB为210，将搓滚压力对轴长L进行归一化成为线载荷q，表面硬度增加值ΔHB和线载荷q的关系如图2所示。
　　当搓滚压力q开始增加但小于临界压力38.98 N/mm时，金属轴的塑性变形尚未出现，表面硬度增加值ΔHB约等于零。在q大于临界压力后，硬化程度随着搓滚压力增加均匀增加，在q>560 N/mm后，搓滚压力进一步增加时，硬化深度增加很少，逐步趋于稳定。ΔHB最大值均等于40%。
　　搓滚压力和疲劳强度的关系曲线如图3所示。在前半段，该曲线和图2所示的曲线在形态上是一致的，随着线载荷q的增加，会引起疲劳强度的不断增加；但在后半段，q>570 N/mm，疲劳强度达到一个极限值后，再继续增加搓滚压力，材料的疲劳强度非但不会提高，反而只会下降，因为这时的金属材料表面已发生脆化，使强度性能大大损失。
　　搓滚压力与轴直径减小量ΔD，即残余塑性变形的关系如图4所示。随着搓滚压力的增加，轴的残余变形亦逐渐增加，开始时，增加速度较快，当搓滚压力增加至一定数值，q>300 N/mm后，
　
　
　　　　　　　　　　　　

　图2　搓滚线载荷与表面硬度增加值的关系　　　图3　搓滚线载荷与疲劳强度增加值的关系

继续增加搓滚压力，金属轴残余变形的增加值就较小了。这基本上反映了增加搓滚压力与降低被加工轴表面粗糙度之间的关系。
　　从达到一定残余变形以降低表面粗糙度的角度出发，搓滚压力的选择范围为q=300 N/mm～400 N/mm较合适，但这与表面硬化与疲劳强度的加工要求有一定差距，按照图2、图3的分析，搓滚线载荷q应在600 N/mm～700 N/mm范围内较合适，大约为表面粗糙度和残余变形所需压力值的一倍。在实际加工中，应该根据被加工轴的不同要求，合理确定搓滚压力，使被加工零件既获得良好的表面精度，又获得合适的表面硬度与疲劳强度。
3.2　搓滚量和速度
　　搓滚量Q由二个因素决定，一是模板一次给进时搓滚区域长度l，二是搓滚次数n，考虑加工轴直径D的影响

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)

搓滚量对提高加工轴表面硬度和降低表面粗糙度有着明显作用，但影响的程度与搓滚压力的大小成反比。
　　仍以直径为8 mm的45钢轴为试件，如图5所示，在搓滚线压力q=600 N/mm的条件下，当搓滚量从零开始逐步增加时，被加工轴的表面疲劳强度显著提高，而在Q>4.2次后，加工效果趋向饱和，进一步增加搓滚量，对表面疲劳强度几乎不起作用。至于表面硬度和搓滚量间的关系，曲线形状也基本与图5相同。
　　搓滚量对表面粗糙度的影响是十分明显的，在一定范围内，搓滚量的增加，使得轴的表面粗糙度与模板的表面粗糙度越来越接近。
　　搓滚速度对被加工轴的表面质量没有明显影响，主要依据加工设备的工作性能，如加载状况、调速状况等决定搓滚速度。对于自动搓滚设备，送料、出料装置的工作速度也是决定搓滚速度的重要因素。在一般情况下，采用一次搓滚的方法，可以控制搓滚速度在每秒加工1至2根轴之间。
　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　图4　搓滚线载荷与残余塑性变形的关系　　　　　图5　搓滚量与疲劳强度增加量的关系
　
3.3　被加工轴直径和原始粗糙度对搓滚加工质量的影响
　　被加工轴直径的大小对搓滚加工的过程和质量都会产生影响。如果直径较大，搓滚压力必须加大，才能保证轴表面充分的塑性变形，直径较小，搓滚压力必须减小，以免引起过度塑性变形。一般情况，直径为1 mm～12 mm小直径钢质及有色金属材料轴比较适应搓滚加工，加工后质量也较理想。
　　搓滚加工时，金属轴受到了高硬度模板反复的压制，若轴的原始表面粗糙度在一定范围之内，微凸之处会被压入微凹之处，原始表面粗糙度状况主要影响到搓滚加工次数的多少和加工压力的大小。
　　此外，加工前轴表面粗糙度对轴的尺寸精度指标也会产生一定的影响，特别是影响到搓滚后轴直径的减小。在同样压力下，被加工轴表面越粗糙，模板与轴实际接触的面积越小，压强越大，加工后轴直径减小量越大，它们之间的情况基本上是呈线性的，如图6所示。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　图6　加工前轴表面粗糙度与直径减小量的关系

3.4　尺寸精度的控制
　　轴类零件的尺寸精度指标为直径公差、圆度和圆柱度等。对搓滚加工来说，直径公差的控制比较重要。如上所述，搓滚加工后的轴直径会出现一定程度的减小，其定量范围取决于二个因素：一是被加工轴的状况，即原始表面粗糙度Ra和直径D的大小；二是加工过程参数，即搓滚压力q和搓滚量Q的大小。
　　试验表明，根据被加工轴的状况可对搓滚加工时的直径减小量进行粗略的估计，数值范围为：ΔD≈-(1/5 000～1/1 000)D，或ΔD≈-(0.3～1.0)Ra。显然，ΔD在加工时只发生了微小的变化，这样，在前道工序应对直径公差进行严格控制，同时适当预留加工余量，为搓滚加工时直径精度控制提供合适的基础。
　　在实施搓滚加工时，可通过调节搓滚压力和搓滚量的大小，控制被加工轴的直径精度范围。随着搓滚压力和搓滚量的加大，直径减小量ΔD会略有增加，但是，控制范围是极其有限的，大约为D/5 000或0.3Ra左右。这是因为：①搓滚加工是一种无切削的表面加工，它只能对被加工轴的直径进行单向微减。②在不少场合，直径的精度控制会和表面质量控制发生矛盾，这时只能根据具体加工要求，达到综合优化的目的。
　　在搓滚加工时，圆度、圆柱度的控制较易实现，只要控制上下模板的不平度和相对平形度即可达到较高的加工要求，一般为微米级。

4　结论

　　金属轴搓滚加工技术以塑性压力加工技术为基础，提供了一种无夹具［5］、无切屑快速精密加工的新方法，它特别适合于直径为mm级的小直径细长轴、不锈钢、铜及铝等难加工材料轴表面加工，解决了现有加工技术难以解决的一个问题。
　　搓滚加工时，对不同种类的轴、不同的加工指标，可以选择不同的搓滚加工工艺，合理地确定加工装置、加工模板、加工精度、加工速度、加工工序等技术因素，达到良好的表面光整和硬化加工效果，同时有效地提高尺寸精度。
　　目前，该项技术已开始推广使用。在金属轴搓滚加工研究成果的基础上，将逐步推进到各种金属材料光滑曲面柱体、球体等零部件表面搓滚加工的研究，形成一套更为完整的搓滚加工理论、工艺和设备。