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滚压刀加工半壁油缸的缺陷如何改善使用?

 :许多半筒油缸在滚压加工中,由于滚压刀的本身构造比造特殊,其滚珠靠芯轴顶至外部接触工件进行挤压,在挤压的同时,滚珠自身与刀具芯轴相磨损,产生相互用力失效缺陷。本文通过论述滚压刀加工中应力失效的情况继而改变滚压刀的受力状况和使用环境等, 提高滚压刀使用寿命, 为油缸内壁存在半孔的滚压工艺的推广及滚压刀使用寿命提升总结了经验相关阅读:镜面滚压工具加工多边复杂内孔

0 引言

内孔加工是机械加工中非常多的,内孔加工多数是提高产品的光洁度,约占机械加工中的百分之二十内孔提高光洁度所采用的工艺一般是珩磨、研磨、滚压三种滚压加工因为低成本、高效率现已经逐步替代原始工艺随着内孔加工的工艺改变,滚压刀则被较多使用,而人们也越来越在乎滚压刀的磨损及使用寿命

1 滚压刀寿命提高改善

1.1 降低交变应力的变化以及改善受力情况

根据用滚压工艺在半孔滚压过程中发生的问题, 主要针对应力疲劳以及磨粒磨损进行了一系列控制并取得较好效果

通过图5材料疲劳曲线可得, 延长滚柱心轴使用寿命, 最直接的方式是降低滚压过程中最大接触应力σmax ,同时使其受力变化变为有规律的递增或递减变化[ 5-6] 滚柱心轴在滚压工艺实现的过程中应力分为滚柱进入缸筒过程中的阻力滚柱主体从半孔处进入缸筒的受力改善以及滚柱进入后主体部分的接触应力的改善

a)滚柱进入缸筒过程中的阻力改善

企业使用的滚柱多为市场购买, 其规格以及材质已经确定, 分析可得滚柱进入缸筒滚压过程中阻力主要来自壳体表面凸凹不平的波峰变形时产生的反作用力, 即镗孔后的零件轮廓的平均算术偏差(Ra)与不平度平均高度(Rz), 如图9所示

滚压刀滚柱微观波峰图

9 滚柱将工件表面微观不平的波峰波谷碾平

通过合理保证通孔后工件尺寸表面粗糙度(一般保证在Ra3.2以内), 可使得滚柱在加工过程中所受阻力稳定, 避免出现急剧受力的变化市场上所用滚柱两端面均有较小锥角, 虽一定程度上减轻了滚柱头与工件之间的挤压受力, 但其过渡段太短, 在滚压使用过程中造成滚入锥角滚离锥角受到突变应力仍无明显改善, 在滚压过程中余量稍大时, 易出现滚柱卡死现象以及划伤孔壁的问题,同时出现图3, 4心轴的磨损状况为了提高心轴磨损均匀性, 滚柱头两侧加长滚入滚离锥角以及过渡段是值得尝试的方案可考虑对其滚柱结构的滚入滚离锥角增大到15°~ 30°, 长度占到滚柱总长的(1/6)L (1/5)L

b)滚柱主体从半孔处进入缸筒的受力改善

为了实现滚柱在滚压过程中较平稳进入壳体内壁, 在不同转速下对滚压刀运行状况进行对比, 滚压刀线速度在45 65 m/min, 滚压刀运转较稳定另外, 在加工过程中对其半孔处进行过渡处理, 最简单的方法是加大倒角,使其出现一个过渡锥角, 延长滚柱滚入壳体时的接触区6滚入锥角区域, 一方面去除了尖边毛刺, 另一方面改善了滚压刀受力状态, 极大降低了滚柱进入壳体内壁时的冲击应力σ1

c)滚柱进入后主体部分的接触应力的改善

通过1.3节接触应力分析可得出工件的接触应力σH是影响其滚压刀心轴滚柱疲劳失效的主要原因之一, 由接触应力计算公式可得, 在材料一定的情况下, 其最大接触应力σH主要由滚柱长度(线接触长度L), 以及压应力p决定, 压应力p可通过改变滚压余量δ来实现所以适当减少余量δ以及增加滚柱长度L是改善滚柱以及心轴在滚压过程中接触应力的有效手段由于壳体结构的特殊性——— 壳体缸筒筒壁存在半孔, 其接触应力在半孔存在的缸筒内壁的变化较大, 所以滚压余量按完整筒壁的余量选择方式加工会出现直线度严重超差的问题根据理论分析及大量实践验证, 存在半孔的铸铁滚压余量在d70 d90孔时单边预留0.15 0.2 mm, 较为合适;d90 d120孔时单边预留0.2 0.25 mm, 较为合适, 此时滚轧后表面品质得以保证, 直线度不超过0.01 mm通过控制滚压余量δ, 其缸筒半孔的滚压接触应力在缸壁接触部分应力出现较大幅度的降低, 同时其应力极差Δσ′有了极大降低,见图8虚线区域

通过几处改进, 使得滚压刀滚柱心轴受力的整体接触应力σmax整体减小变化减缓, 趋于稳定的有规律变化使得疲劳寿命得以极大提高

1.2 提高滚压过程清洁度,减轻磨粒磨损损害

在解决了受力对滚柱使用寿命的影响后, 同时关注了磨粒磨损的损害控制, 主要集中在切削液的使用以及清洁度的保证方面粉尘不仅影响工件的表面品质, 而且加速滚压刀的损耗, 而此类型损耗最常见的失效模式为滚柱表面出现的螺旋横纹切削液的使用已广泛普及, 在此主要提供切削液的使用对减轻磨粒磨损的一些经验

切削液的润滑清洁作用在一般切削条件下, 切削液是依靠刀和屑间的毛细管现象和刀和屑相对振动形成的泵吸作用从侧面浸入刀具切屑和工件接触面的, 滚压过程中切削液的情况类似由于切削液从侧面浸入需要时间, 一般切削速度愈高润滑效果愈差, 所以滚压过程中,为保证切削液的润滑作用, 必须考虑滚压刀进给速度以及转动速率, 根据实践, d75 d100直径之间的缸筒存在半孔的滚压过程中, 滚压进给速度保持在0.7 1.2 mm/r, 转速控制在40 90 m/min时其缸筒的滚压加工效率滚压加工品质均能达到较高要求生产现场所用滚压切削液为煤油与#42机油的11混合, 并在切削液的循环使用过程中添加沉淀过滤装置, 达到提高滚压表面品质以及滚压刀寿命的目的

另外设备的选用对磨粒磨损也有一定影响缸筒内壁滚压方式最佳为立式滚压, 设备改造方便, 切削液的清洁过程较好磨粒残留量较少, 滚压刀滚柱自定位性较好虽说卧式滚压也有一定应用, 但由于滚柱本身重力作用,其自定位性不是很好, 且切削液在内壁无法均匀喷散润滑, 清洗润滑效率均较低, 磨粒容易在缸底残留, 造成重复性磨粒磨损, 故其一般不推荐使用通过对滚压刀受力改善, 使得滚压过程中滚压刀使用寿命从滚压300 500, 提高到1 500 2 000, 同时滚压后缸筒的整体表面品质内孔直线度圆度都得到有效改善

 

2 滚压机理及其滚压刀失效分析

传统滚压工艺在通孔以及半盲孔的缸筒加工中的应用经验已十分丰富但缸筒存在半孔的滚压工艺实践经验不是很多, 本文为在壳体缸筒存在半孔的滚压工艺实现的研究过程中, 出现的滚柱急剧失效现象进行分析, 找出原因, 提出问题解决的方法1为工件结构截面图

壳体缸筒半边结构

1 壳体缸筒存在半孔结构

2.1 复合式滚柱滚压刀的结构及原理

根据工件特性, 滚压加工使用的滚压刀为复合式滚柱滚压刀其结构(2)主要由滚柱滚柱支架保持架

微调装置莫氏锥柄组成

复式滚柱滚压刀结构

2 复合式滚柱滚压刀的结构

市场上常见的复合式滚压刀其微调装置量程为0.1mm, 单位量程0.002 5 mm/, 40滚压刀对工件内孔的光整加工主要依靠滚柱与心轴对工件内表面进行挤压实现的滚柱靠心轴支撑, 呈偶数布置, 以便成对装配和测量滚柱心轴是滚压实现的主要零部件, 是滚压装置的常换件滚柱前端后端均有锥角, 一般为3°~5°, 滚入锥角在滚压刀前端的组合直径小于工件滚压前的内孔直径, 达到能够逐渐挤入工件, 工件内孔组件产生挤压扩张滚离锥角使滚柱在滚压结束后回退的过程中, 受到较小的回弹阻力, 避免对已完成加工面的损伤[ 1]

2.2 主受力部位磨损调查

滚压过程的实现主要依靠滚压刀心轴与滚柱的有效作用来实现, 攻关壳体半孔滚压加工的实现过程中, 伴随着滚柱心轴的早期失效, 以及急剧失效情况, 具体失效情况如下a)心轴磨损心轴为滚压刀的关键元件, 常用材料为GCr15SiMnGMnMoVB(含稀土), 硬度58 62HRC, 其抗疲劳耐磨性均较好, 其锥面锥度以及直线度均要求较高, 特别其外锥角误差在1之内[ 1-2] 各阶段磨损情况如表1

滚压刀芯轴

3 心轴A深度磨损件的计量结果

见图3, 4, 其中计量过程为从心轴锥面小端到锥面大端x轴上为锥线长度方向计量距离, y轴为其微观不平度其中0点为相对初始面微观不平度心轴锥面接触滚柱处整体呈现滚柱头两端处磨损严重, 使中部形成凸出可见在滚压过程中滚柱两端与心轴接触, 磨损根据受力分析可得滚柱头两侧磨损严重主要在滚入锥角, 与滚离锥角

4 心轴B深度磨损件的计量结果

滚压刀锥形芯轴

两侧1, 破坏失效为滚柱在滚压一段时间后其疲劳失效, 滚柱出现裂纹, 造成旋压时碎裂, 同时破坏心轴表面, 使其心轴内应力释放, 出现掉块, 破坏性失效b)滚柱磨损滚柱材料一般为GCr15或高速钢W18Cr4V, 硬度为(6265)HRC, 根据实际使用情况及需求, 部分进行渗碳处理, 渗碳层深度亦不同粗糙度能达到Ra0.2以下, 其粗糙度是保证滚压加工面较高品质的关键各阶段磨损情况如表2

滚柱磨损示意图

滚柱磨损失效状况大多为滚柱本身粗糙度不能保证,影响滚压后工件表面品质, 故障模式多为出现螺旋横纹

个别出现点蚀断裂等

2.3 失效机理探讨

根据滚柱急剧失效早期失效情况, 在初步分析过程中, 主要考虑滚压加工中滚柱的受力状况清洁度状况等决定滚柱的使用寿命的关键因素滚压过程中, 心轴滚柱壳体接触方式, 分别为心轴与滚柱为曲面接触的外接触, 滚柱与壳体之间的接触为外接触滚柱与心轴壳体之间的接触可简化为线接触在滚压加工的实现过程中, 滚柱在滚压刀心轴与内壁之间形成高副, 在滚压旋转过程中受到反复作用的接触应力, 当其应力超过材料相应的接触疲劳极限, 就会在零件表面或工作面下一定深度处形成疲劳裂纹, 随着裂纹扩展相互联结, 就会造成许多微粒从零件表面脱落, 形成许多月牙形浅坑或螺旋痕纹在滚压加工过程中, 忽略微塑性区域对工件整体弹性性能的影响, 应用hertz接触理论可得其接触应力计算公式为[ 3-4] :

滚压刀应力计算公式

式中:p——— 作用于接触面上的总压力;

E1,E2 ——— 工件的弹性模量;

μ1, μ2 ——— 零件12的泊松比;             

l——— 滚柱长度(初始线接触长度);

R1,R2 ——— 两接触工件各自曲率半径;   

b——— 接触应力分布半宽度;

σH ——— 最大接触应力

式中“ ±”号分别针对外圆滚压和内孔滚压两种形式

根据接触应力分析, 可见传统的完整内孔滚压过程中, 滚柱与壳体的接触应力在0 ~ σH之间变动滚柱旋转滚动, 实现滚压, 在此过程中滚柱整体径向上受到最大接触应力稳定, σH的变化只与压应力p有关, 由于余量的稳定, σH最大值只在很小范围内波动, 其使用环境相对稳定根据材料σ— N疲劳曲线(5)可得零件的使用寿命主要受其接触应力σH决定, σH越小变化越稳定, 其使用寿命越长[ 5]

滚压刀耐疲劳曲线

5 材料疲劳曲线(σ— N曲线)

由于壳体结构存在半孔的特殊性, 滚压过程中滚柱受力状况已发生了很大变化, 滚压工艺实现与理论已存在较大差距, 特别体现在半孔处的滚压实现过程a)滚柱主体从半孔处进入缸筒的受力分析通过观察壳体内壁半孔处滚压过程中滚柱运行状况,发现滚柱从半孔进入筒壁的过程中, 有明显异响以及滚压刀出现一定的振动通过观察分析, 壳体存在半孔的滚压加工, 会在其整个滚压进给的行程中, 出现一段非均匀受力的过程, 这个过程首先体现在缸筒中部的半孔区域(6)

在滚柱从半孔区域进入缸筒内壁的过程中初始接触点的A, 会对滚柱造成一个循环冲击应力σ1, 通过调整转速进给量余量等参数发现, 冲击应力σ1 随着转速余量进给量孔壁过渡处尖角的增加而越明显, 滚压刀处异

响及振动越激烈

b)滚柱进入后主体部分的接触应力分析滚柱从半孔进入内壁的过程中, 在受到冲击应力之后进入壳体内壁的过程中, 滚柱在径向上接触应力σH逐渐增大, 其与滚柱离开壳体内壁进入半孔受力正好相反(7)在内壁处接触弹性变形区σH为稳定循环变应力, 在滚离内壁时半孔靠近区出现挤压塑性延展变形区, 此处σH逐渐减小, 在离开内壁时突变为0

 滚柱进入内孔受力分析

6 滚柱主体从半孔处进入缸筒的受力分析

滚柱离开内孔受力分析

7 滚柱离开主体部分受力分析

由以上分析可看出, 存在半孔的滚压过程中滚柱受力与传统完整内孔的滚压时的稳定载荷σH有了很大差异,前者是周期性交变动载荷, 其接触应力σmax在圆周方向上的变化十分明显(8)

滚柱圆周方向应力变化

8 滚柱在缸筒内壁圆周方向上应力σmax变化

8中滚柱在油缸内壁圆周方向上为完整孔时的受力为均匀的, 将其按数值1表示存在半孔时, 其滚压受到应力变化情况为图中曲线部分, h a b段为滚柱在半孔区, 应力为0;在滚压刀旋转进入壳体, 在接触内壁时, 会出现一个瞬间冲击力σ1 , 使得此处滚柱所受应力激增, 随后减缓, b1区间;1 2区间为滚柱逐渐进入内壁, 为塑性延展区, 所受应力逐渐增加;此后在区间2 3区间, 应力逐渐增加减小变化为一个稳定的渐变过程, 主要原因为半孔的存在, 使得滚柱在整个圆周上受力出现不均匀;最后3 h, 为滚柱离开壳体内壁时, 在塑性延展区的组织受应力出现一定滑移, 受力逐渐减小, 出现一个下降曲线

根据材料的疲劳特性, 在这种受力急剧变化的交变载荷的情况下, 滚柱必然出现急剧的磨损或破坏, 这是滚柱急剧失效的主要原因

3 结论

滚压刀的主要易损部件是芯轴与滚柱,在滚压过程中滚压刀的头部从工件的两端穿过。在耐疲劳实验中,通过微镜下观察滚柱两端锥角磨损时明显出现凹坑,以此我们判断其滚压中受力比较大,也有可能是所滚压的产品硬度较高。通过不断的滚压刀的使用论证,加以构造和制造材料的改进,使得滚压刀的磨损和使用寿命大大提高也同时说明一些诸如油缸半壁之类的内孔在滚压受力中比较突出的一些问题,这需要我们长期的研究改善滚压工具。

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