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滚压刀具的挤压原理及表面硬化

使用滚压刀具提高金属表面的光洁度是比较直接的机加工方法。金属工件的粗短度一直是许多金属工件的重要工艺,如液压缸、千斤顶、汽车轮毂等,由于长期的工作碰撞,较高的光洁度大大能提高产品的碰撞力度,提高产品直接寿命。力学中也早有阐述,越光滑的产品机械碰撞和转动越快越省力。所以如何提高表面糙度一直是我们精心研究的课题。
滚压刀具被广泛用于机加工中,如果车刀、镗刀、铣刀等,也被适用多种不同的机床,例如车床、钻床、镗床等。刀具本身也大都采用切削方式进行机加工,从而达到产品工件的尺寸及工艺要求。今天我们来介绍一种特殊的机加工刀具,它打破原来的切削方式,用挤压的原理,达到金属产品的塑性变形。使用目的大多数用来提高表面光洁度和金属工件的表面硬度。相关阅读:内孔挤压刀的使用与构造
液压缸是液压刀支架最主要的部件之一,传统的加工方法是:下料→调质→车基准面→粗镗→车(修基准面)→精镗→精车→(精修基准面)→珩(分粗珩、精珩两步)。该工艺有如下缺点:⑴该工艺路线长,耗费时间长;⑵因为在珩磨中,珩磨头磨损严重,需要不断的更换珩磨头,加大了珩磨成本;⑶珩磨污染严重,由于在珩磨时需要用航空煤油来进行冷却和润滑,造成了空气污染,严重影响了工人的身体健康。而现在被工厂广泛采用的镗-滚复合工艺的路线为:下料→调质→车(基准面)→粗镗→车(修基准面)→镗滚。镗滚复合工艺代替推镗珩磨后,工作效率大大提高,工艺路线也大大缩短,降低了成本。采用镗滚复合工艺后,提高了缸体内孔表面的硬度和强度,降低了表面粗糙度,延长了缸体的使用寿命。这种工艺不但能保证质量,而且明显的提高了加工效率、降低了加工成本。
1、液压缸用滚压刀加工原理
滚压刀加工是一种常用的金属材料的表面强化方法,它通过滚压头向工件表面施加一定的压力。滚压头以滚柱径向辗压液压缸内孔壁,工件旋转,滚压头沿工件轴向进给。当内孔表层的压应力超过弹性极限时,金属晶粒之间发生位错、滑移和破碎,金属比容增大,就会发生塑性变形。既辗平了内孔表面的微观不平度,同时滚压后的表层产生了冷作硬化,提高了表面硬度,改善了表面质量。滚压头安装在镗杆上,镗杆安装在走刀架上,通过走刀架沿轴线方向移动,就实现了液压缸内孔的滚压加工。
镜面挤压原理图
2、被加工表面物理、机械性能的变化
通过滚压头液压缸内孔表面,加工表面层会因塑性变形产生冷作硬化;金相组织发生变化,会在表层产生残余压应力。工件加工表面层的冷作硬化减少了摩擦副接触部分的弹性和塑性变形,从而提高了耐磨性。
     面层的冷作硬化
在滚压工程中,若加工表面层产生的塑性变形使晶体间产生剪切滑移,晶格会严重扭曲,并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化,引起表面层的强度和硬度均匀提高的现象,就是冷作硬化现象。加工表面的冷作硬化指标主要以硬化层的深度 h、表面层的显微硬度 H 及硬化程度 H/H0来表示。一般硬化程度越大,硬化层的深度也越大。
表面层的硬化程度取决于产生塑性变形的滚压力、滚压速度等。滚压力越大,塑性变形越大,产生的硬化程度也越大。滚压速度越大,塑性变形越不充分。产生的硬化程度也就相应减小。滚压头的磨损量越大,冷作硬化层的硬度和深度也越大。当滚压速度增大,表面冷作硬化层的硬度和深度都有所减小。这是因为:一方面,滚压速度增大会使温度增高,有助于冷作硬化的回复;另一方面,滚压速度增大,滚压头与工件接触时间短,也会使塑性变形减小。进给量增大时,滚压力增大,塑性变形程度也增大,因此表面层的冷作硬化现象也增大。当被加工材料的硬度越低和塑性越大,则滚压后表面层的冷作硬化现象越严重。
     面层金相组织
伴随着滚压加工的进行,金属形状会不断发生变化,但其体积保持不变。由于组成油缸的金属是多晶体结构,所以它的塑性变形是许多单个晶粒综合塑性变形的结果。多晶体在收到外力作用时,变形首先在在那些晶粒位向最有利的晶粒中进行。在这些晶粒中,位错将沿着最有利的滑移面运动,移到晶界处就要停止,一般不能直接穿过晶界。位错能否越过晶界,主要取决于晶界层的性质和邻近晶粒的位向。金属的晶粒越细,晶界面积越大,每颗晶粒周围具有不同取向的晶粒数目就越多,因而变形抗力较大,塑性较好。从一般使用的角度来看,晶粒细的材料强度高,塑性好,因此在生产上通常要尽量获得细晶粒组织。采用滚压加工使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。通过滚压使金属内部组织晶粒细化,提高了被滚压金属表面的强度。
塑性应力变形示意图
     表面层的残余应力
各种机械加工方法所得的零件表面层都会有或大或小或拉或压的残余应力。在冷塑性变形中,加工过程中表面层如产生了金相组织的变化,以及在加工过程中,表面层经过冷态塑性变形后,金属比重下降,比容积增大,引起表面层受力状况的变化等均会产生加工表面层的残余应力。金属经过冷态塑性变形后,总有一部分原子,从其稳定平衡的晶格位置上被移动。原来结晶格子中原子排列是相当紧密的,冷态塑性变形后结晶格子被扭曲,进而引起金属的密度下降,比容积增大。在液压缸滚压加工过程,由于被滚压金属表面层产生残余压应力,使金属表面得到强化,同时降低了零件的表面粗糙度,被滚压金属表面的屈服极限和疲劳极限都有所提高,并且由于产生残余压应力可以得到具有耐久性的表面。
我们使用滚压头作为滚压刀具的机加工工具,来提高金属工件的表面粗糙度及硬度。使用后的工件表面如镜面光滑明亮。所以我们很多师傅称它为镜面滚光刀。在使用后工件的表面发生塑性变化,材质密度增高,硬度变强。滚压头改革了大部分原始滚压刀具有切削残料的现象,改良了原始抛光、外圆磨效率低、成本高的情况。

 

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