关于解决履带板体及销套深孔冷挤压问题的工艺研究

2016-04-11文桂梅李科锋周玉洁

国防制造技术 2016年4期

关键词：内孔钢球表面质量

文桂梅李科锋周玉洁

（哈尔滨第一机械集团有限公司，黑龙江哈尔滨，150056）

关于解决履带板体及销套深孔冷挤压问题的工艺研究

文桂梅李科锋周玉洁

（哈尔滨第一机械集团有限公司，黑龙江哈尔滨，150056）

本文针对材料和结构不同的工件（销套和板体）的内孔，用钢球挤压的方式进行强化加工，即在钢球上施加推动力进行推动钢球挤压孔壁，同时验证了深孔冷挤压可以改善工件的质量。

孔加工；深孔；挤压；销套；板体

1 介绍

孔加工的问题是机械加工中的一个主要的问题，孔结构广泛应用于各种领域，其中深孔加工的问题一直是加工的重点和难点，其加工质量直接关系到零件的可靠性和使用寿命。利用光整强化技术加工内孔，不但可以提高表面质量，而且可以对孔壁产生加工硬化作用。但是，目前的孔冷挤压加工技术大多应用于紧固孔的强化，而对于工程实践中深孔冷挤压工艺技术则是一项需要探究的课题。

2 应用领域

冷挤压技术起源于18世纪末，是一种金属塑性成型技术，其中孔挤压强化技术为冷挤压技术的分支是一种抗疲劳的强化工艺，广泛的应用于航空航天、铁路运输、军事工业等机械制造行业。

3 国内外行业对比

国内外很多企业和高校在冷挤压技术提高内孔表面质量、提高孔表面抗疲劳强度、提高孔零件寿命等方面进行了大量研究。像波音公司、美国疲劳工程技术公司、洛克希德公司等均对冷挤压技术进行了长时间的研究，经过冷挤压的孔和未经过冷挤压孔的疲劳性能，经对比两种孔发现：与未经挤压加工的孔相比，经过冷挤压的孔的疲劳寿命提高3-10倍；通过对断口裂纹深度和长度两个方向的疲劳光条纹间距的测量发现：裂纹长度方向的疲劳光条纹间距减小，这说明残余应力对裂纹的生长有阻止作用。

国内同样对孔冷挤压技术进行了大量研究，认为钢球冷滚挤压内孔的工艺在提高表面粗糙度的同时提高了表面耐腐蚀性能、修正内孔圆度和锥度，并提出诸如挤压钢球直径、材料壁厚、过盈量、挤压速度以及润滑剂等要求。针对孔进行挤压实验研究，得出钢球挤压加工后表面的粗糙度大幅度提升，可以用来代替效率较低的珩磨工序。

4 协同创新技术与方案

履带板分为两种形式：双销耳、销套组装、单板体式和锻造双板体式，单板体的销套和双板体的板体内孔（φ38mm），如图1、图2所示，用来装配挂胶履带销耳，而履带销耳将相邻履带板通过端联器连接固定，履带板板体及销套均为履带的重要组成部分，在加工制造中对两者的要求偏高，在加工中涉及到孔加工的问题，尤其是深孔加工的问题，不但要求较高的尺寸精度，良好的表面质量（主要体现为较小的表面粗糙度值），还对孔表面的硬度和零件的使用寿命有所要求。

图1 销套示意图

在实际工程加工中，依据工件的材料及其硬度、韧性、导电性及化学性能等特性特点，提高加工效率，降低加工成本，比较各种光整加工方法，选择合适的加工方法对工件进行加工。在多种孔表面光整加工方法中，孔冷挤压技术是提高零部件孔表面疲劳强度的有效的塑性变形强化方法之一，目前广泛的应用于工程实践当中。

4.1 孔冷挤压的作用

孔的冷挤压强化技术是针对内孔光整加工常用传统技术的一种，在提高表面粗糙度的同时在表面形成加工硬化、提高零件疲劳强度，是一种塑变强化方法。在常温条件下，将工作环直径大于孔直径的工具从润滑过的孔中挤压通过，孔壁在一定的范围内的金属产生塑性变形，孔壁附近塑性变形区域外弹性变形产生残余压应力，在强化孔附近区域的同时提高表面质量，在此过程中孔壁壁厚发生变化的同时金属微观组织结构也发生了改变。

图2 板体示意图

4.2 孔冷挤压的分类

其分类包括：滚压抛光处理、孔口端面压印、芯棒挤压、带衬套挤压、强力衬套压合、钢球挤压技术。

4.3 孔挤压加工过程中主要因素

4.3.1 挤压量

挤压量，即挤压工具工作部位的直径与孔挤压加工前的内径只差，作为挤压强化工艺中的一个重要参数，对孔的挤压过程有着决定性的影响。当挤压量过小时，孔周不能形成适当的残余应力层，无法起到理想的孔表面强化效果；当挤压量过大时，又会引起诸多的问题，如孔轴线方向金属流动量增加，使挤压出口处有明显凸起；挤压工具对孔壁的切割作用明显，挤压时孔壁处容易产微裂纹，这样会导致疲劳强度降低。

孔的最佳挤压量大小主要取决于试件材料的机械性能、孔边距（壁厚）、孔径、孔深等，合理的挤压量要通过多次试验来确定，最终得出优化值。

4.3.2 摩擦系数

图3 内孔经过镗削加工的工件

图4 工件铣圆角

图5 铣削后的工件

在塑性加工中凡是存在相对运动的接触表面，都存在着摩擦，由此引起变形力和变形功的增大，加剧工件的磨损，降低使用寿命，引起坯料变形的不均匀，降低材料的工艺塑性。

4.3.3 挤压速度

孔挤压工艺中，要求挤压工具连续、均匀地挤入孔中，使孔壁得到充分变形，不允许在挤压过程中有停顿、间歇避免发生冲击载荷，直至挤压工具通过孔位置。速度不能过慢，容易造成衬套褶皱，甚至出现卡棒现象。快速挤压可减少孔壁回弹和“翻边”，但挤压速度过快时，会造成塑性变型的不充分、晶格组织的不稳定。因此，挤压速度要根据实际工程实践确

5 创新点

孔冷挤压加工中的工艺参数对工件的表面粗糙度、表层强化、生产效率等都有影响，为使挤压后的工件有良好的质量，需要进行具体分析。通常冷挤压工艺参数主要有挤压量、挤压压力、进给量、挤压速度、挤压次数以及挤压时产生的摩擦力等。

5.1 挤压试验

在挤压加工之前要经过一道镗削深孔的工序，将待加工表面的尺寸加工到合适的范围再进行内孔挤压。由于镗削深孔过程中出现的震动等问题会影响表面质量，将镗削加工后的零件分为a、b两个等级，其中a类的表面质量优于b类质量。镗削过内孔表面的工件如图3所示。

因钢球直径大于孔径，为避免在挤入端产生裂纹，破坏板体，因此在挤入前对挤入端铣削一个半径为2mm的圆角，避免上述情况的发生。图4为铣削圆角的加工图，图5为铣削后的工件。在铣削圆角之后，使用特定夹具将工件定位，经润滑处理后进行加工，夹具如图6所示。

图6 挤压时使用的夹具

图7 量程100T的油压机

油压机(液压机的一种)是一种通过专用液压油做为工作介质，通过液压泵作为动力源，靠泵的作用力使液压油通过液压管路进入油缸/活塞，然后油缸/活塞里有几组互相配合的密封件，不同位置的密封都是不同的，但都起到密封的作用，使液压油不能泄露。最后通过单向阀使液压油在油箱循环使油缸/活塞循环做功从而完成一定机械动作，并以此作为生产力的一种机械。

加工主要设备为量程100T的油压机，此设备经过改造，如图7所示。

挤压实验的过程如图8所示。首先零件定位装夹，将钢球放置在孔上，用润滑油进行润滑，将压杆置于钢球上，施加压力进行挤压。夹具底座有通孔，挤压钢球可以沿孔掉落。

5.2 试验分析

将销套和板体加工后测得的各8组内孔直径数据与仿真结果相对比，如图9所示。

从图9中可以看出挤压后内孔直径的仿真结果大于实际内孔直径的尺寸结果，但是变化趋势相同。

销套和板体上加工出内孔为38mm的深孔，在绝对挤压量在0.53-0.79%附近，推进力400-500N，摩擦系数0.1-0.15时有比较好的加工效果。

5.3 挤压后孔的质量测定

1）表面粗糙度

表面粗糙度时评价表面质量的重要指标，直接影响零件的摩擦磨损、稳定性和使用寿命。挤压加工后，为验证孔冷挤压实验对工件表面质量的影响，需对表面粗糙度进行检测，本文展开了如下的试验研究。实验照片如图10所示。

实验采用对比的方法，破坏未经挤压和孔挤压后的工件，沿直线方向测量表面的粗糙度值，两者对比，总结规律。

为对比两种工件挤压前后对表面质量的影响，求取各组测量结果的平均值，孔冷挤压后的表面粗糙度值比加工前内孔表面的粗糙值小，说明挤压加工明显提升了内孔表面光洁程度：销套内孔挤压后粗糙度改善倍率约为1.626倍，板体内孔挤压后粗糙度改善倍率约为2.579倍。此外，内孔表面的粗糙度值比销套表面的粗糙度值小，销套内孔深380mm，板体内孔深200mm，可以推测孔的加工深度对表面粗糙度也有很大影响。

将4组数据做折线图，分析各组粗糙度变化规律，如图11所示。

图8 内孔挤压加工

图9 挤压实验结果和仿真结果对比图

根据图11中各个曲线的分布情况可以看出，在每组实验数据中，从挤压端开始沿轴线方向，工件表面的粗糙度值先减小后上升，挤入端和挤出端的粗糙度值大于中间部位的粗糙度值。

2）材料的维氏硬度测量

由图12可得出以下结论：（1）测量挤压前后内孔表面的粗糙度值，实验表明，工件内孔挤入端和挤出端的粗糙度高于中部位置的粗糙度，销套内孔挤压后粗糙度改善倍率约为1.626倍，板体内孔挤压后粗糙度改善倍率约为2.579倍，表面质量明显提高；（2）通过对挤压前后试样表面硬度的测量，挤压提高了孔表面硬度，证明了加工硬化层的存在。