不同滾打方式下滾打變形力的實(shí)驗(yàn)研究

梁小明，吳神麗，劉 凌，姚梓萌，焦艷梅，郝婷婷

(1.西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，陜西 西安 710065) (2.陜西省表面工程與再制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065) (3.海寧市高級(jí)技工學(xué)校機(jī)電工程系，浙江 海寧 314400)

冷滾打成形是一種無模無約束、逐漸累積的綠色、近凈塑性成形技術(shù)，其能耗低、載荷小、加工柔性好，已引起國內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注[1-5]。冷滾打成形過程中，根據(jù)工件進(jìn)給方向與滾打輪旋轉(zhuǎn)方向是否一致，可分為順打和逆打兩種滾打方式，研究表明：順打形成的齒頂輪廓良好，齒形較圓滑、毛刺少；逆打形成的齒形質(zhì)量很好，但齒頂輪廓較順打成型的齒頂輪廓齒形質(zhì)量差些[6-7]。在成形過程中，滾打方式的選擇，不僅要考慮工件成形的形狀，還要考慮不同滾打方式下變形力的變化規(guī)律。冷滾打成形雖然是小面積接觸的局部成形過程，但是由于進(jìn)給量和材料屬性的不同，變形力小則幾千牛頓，大則上萬牛頓，其變化規(guī)律直接影響成形過程中工件表面形狀及精度，最終影響工件的質(zhì)量，而且還會(huì)影響滾打設(shè)備的使用壽命[8-9]。因此冷滾打成形過程中，變形力決定著冷滾打設(shè)備的開發(fā)、工藝參數(shù)選擇，也是影響工件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前在冷滾打變形力的研究中，張璐等[10]對(duì)滾打輪從靜止的制件表面打入和打出時(shí)的變形力進(jìn)行了解析，但其與實(shí)際冷滾打成形時(shí)周期性變化的變形力相差甚遠(yuǎn)，不能獲得冷滾打成形中連續(xù)變化的變形力的變化規(guī)律。本文通過不同滾打方式下冷滾打?qū)嶒?yàn)，測量獲得穩(wěn)定階段連續(xù)和單次滾打變形力，揭示變形力在成形過程中不同滾打方式下的變化規(guī)律，可為滾打方式的選擇及成形過程的質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

冷滾打成形技術(shù)是利用金屬在常溫狀態(tài)下具有一定塑性變形的能力，使用高速旋轉(zhuǎn)滾打輪不斷擊打工件表面，迫使工件表層金屬局部流動(dòng)，產(chǎn)生塑性變形，通過滾打輪和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使局部變形累積，最終形成一定齒形的一種近凈塑性成形技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)在臥式銑床改造成的冷滾打成形設(shè)備上進(jìn)行，如圖1所示。將銑刀替換為設(shè)計(jì)的滾打頭裝置，如圖2所示，沿著支撐軸圓周方向均勻分布3個(gè)放置滾打輪的槽。滾打輪和芯軸之間選用滾針/推力圓柱滾子組合軸承進(jìn)行裝配，組合軸承能夠承受雙向的軸向載荷和徑向載荷，具有很高的精度和剛性，組合軸承一端通過滾打輪的端面定位，另外一端通過墊片進(jìn)行定位，芯軸通過螺栓固定在支撐軸上，整個(gè)滾打裝置通過主軸安裝在臥式銑床上，主軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾打裝置旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)制件的冷滾打。工件材料為LY12，滾打輪的材料為GCr15，滾打半徑為73 mm，打入深度為0.5 mm，滾打輪公轉(zhuǎn)角速度為1 180 r/min和1 500 r/min。

為了便于分析滾打輪與制件接觸瞬間產(chǎn)生的變形力，使接觸部分材料產(chǎn)生沿滾打輪軸向、切向(滾打輪旋轉(zhuǎn)方向)和徑向(滾打深度方向)塑性變形，各部分變形對(duì)應(yīng)的力即為軸向變形力、切向變形力和徑向變形力。

1—主軸；2—滾打輪；3—滾打輪安裝架；4—工件；5—測力儀

圖2 滾打頭裝置

冷滾打成形實(shí)驗(yàn)中，在制件的底部安裝專用八角環(huán)測力儀(使用前進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定)，如圖1中5所示，使用該測力儀通過電阻信號(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)換測量冷滾打過程中的變形力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為熱點(diǎn)成像記錄儀OMNIACE Ⅱ RA1200，采樣頻率為2 000 Hz，可以記錄一定時(shí)間內(nèi)相應(yīng)的應(yīng)變值，如圖3所示，根據(jù)解耦關(guān)系，將其換算成滾打力的數(shù)值。冷滾打成形的齒槽如圖4所示。

圖3 熱點(diǎn)成像記錄儀

圖4 冷滾打成形的齒槽

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量與分析

測量時(shí)，采樣頻率為2 000 Hz，當(dāng)滾打輪達(dá)到最大滾打深度時(shí)，變形力基本穩(wěn)定，由于存在硬化現(xiàn)象，變形力有緩慢增加的趨勢，且呈周期性變化，因此只需采集中間滾打力穩(wěn)定時(shí)的一段數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。圖5,6分別為滾打輪公轉(zhuǎn)速度為1 180 r/min時(shí)順、逆打成形穩(wěn)定階段的變形力，順打時(shí)徑向與切向變形力反向，逆打時(shí)徑向與切向變形力同向；且順打時(shí)的徑、切向變形力均大于逆打時(shí)，其中徑向變形力相差約5%，切向變形力相差約62%。順打時(shí)，滾打輪與制件表面先接觸，由于同向運(yùn)動(dòng)，滾打輪運(yùn)動(dòng)于制件表面以下必然會(huì)增加成形槽底部金屬材料的形變量，因此需要的變形力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制件表面產(chǎn)生變形時(shí)需要的力。而逆打時(shí)，相反的運(yùn)動(dòng)方向增加了制件表面附近金屬材料的形變量，

圖5 順打時(shí)穩(wěn)定階段變形力

圖6 逆打時(shí)穩(wěn)定階段變形力

其產(chǎn)生形變需要的力相對(duì)于齒槽底部小。公轉(zhuǎn)速度為1 500 r/min時(shí)穩(wěn)定階段變形力的規(guī)律基本相似，不再列出分析，只對(duì)兩種滾打輪公轉(zhuǎn)速度下穩(wěn)定階段單次滾打力進(jìn)行詳細(xì)分析。

分別隨機(jī)取滾打輪公轉(zhuǎn)速度為1 180 r/min時(shí)穩(wěn)定階段單次滾打徑向、切向變形力進(jìn)行比較，如圖7和圖8所示。順打時(shí)加載時(shí)間約為1.1 ms，卸載時(shí)間約為0.3 ms；逆打時(shí)加載時(shí)間約為0.3 ms，卸載時(shí)間約為1.1 ms。這是因?yàn)闊o論順、逆打，滾打輪與工件接觸后產(chǎn)生形變需要克服的最大力都在接近齒槽底部處。逆打時(shí)，滾打輪從工件上次滾打成形齒槽底部開始打入，很快變形力就達(dá)到最大(加載過程)，隨著滾打輪運(yùn)動(dòng)接近工件表面，變形力逐漸較小，直到離開工件表面時(shí)，變形力變?yōu)榱?卸載過程)；順打時(shí)，滾打輪從工件上面開始打入，隨著滾打輪進(jìn)入工件表面逐漸深入，變形力也隨之增加，到達(dá)成形齒槽底部，變形力達(dá)到最大(加載過程)，之后，滾打輪快速從齒槽底部打出，變形力快速減小到零(卸載過程)。對(duì)于切向變形力的變化規(guī)律與徑向變形力基本相同，不再單獨(dú)分析。

圖7 公轉(zhuǎn)速度為1 180 r/min時(shí)徑向變形力

圖8 公轉(zhuǎn)速度為1 180 r/min時(shí)切向變形力

同理，取滾打輪公轉(zhuǎn)速度為1 500 r/min時(shí)穩(wěn)定階段單次滾打徑向、切向變形力進(jìn)行比較，如圖9和圖10所示。順打時(shí)加載時(shí)間約為0.85 ms，卸載時(shí)間約為0.25 ms；逆打時(shí)加載時(shí)間約為0.25 ms，卸載時(shí)間約為0.85 ms，與滾打輪公轉(zhuǎn)角速度為1 180 r/min時(shí)相比較，卸載與加載時(shí)間均縮短了，變形力也減小了，這是由于滾打輪公轉(zhuǎn)速度增大時(shí)，在工件水平進(jìn)給速度和滾打深度不變的條件下，單次滾打與工件接觸的時(shí)間減小，滾打部分金屬材料的體積也變小，需要的滾打變形力也相應(yīng)減小了。但是順打加載慢、卸載快，逆打加載快、卸載慢的規(guī)律相同。

圖9 公轉(zhuǎn)速度為1 500 r/min時(shí)徑向變形力

圖10 公轉(zhuǎn)速度為1 500 r/min時(shí)切向變形力

冷滾打成形過程中滾打輪和工件接觸時(shí)間極短，在進(jìn)行非精密加工時(shí)，可以近似認(rèn)為成形過程中單次冷滾打成形是一個(gè)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)加載的過程，順打、逆打成形方式可以不加區(qū)分。但是在精密滾打成形時(shí)，順打、逆打的成形方式的選擇必須考慮。順打時(shí)徑向、切向變形力加載時(shí)間長，卸載時(shí)間短；逆打時(shí)則正好相反。加載時(shí)間短時(shí)，滾打輪對(duì)工件表面沖擊大，接觸瞬間的變形速率大，變形量也會(huì)變大，從而影響成形工件的齒槽輪廓形狀及精度。因此,冷滾打成形精密工件時(shí)，必須選用順打方式。

3 結(jié)論

1)在改造的冷滾打設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了成形過程中不同滾打方式下穩(wěn)定階段徑向和切向變形力的變化規(guī)律：順打時(shí)徑向與切向變形力反向，逆打時(shí)徑向與切向變形力同向；順打時(shí)的徑、切向變形力均大于逆打時(shí)，其中徑向變形力相差約5%，切向變形力相差約62%。

2)在穩(wěn)定階段，取滾打輪公轉(zhuǎn)角速度為1 180 r/min和1 500 r/min時(shí)單次冷滾打中變形力進(jìn)行分析，獲得了不同轉(zhuǎn)速條件下順打時(shí)變形力加載慢、卸載快，逆打時(shí)則反之的規(guī)律，明確精密成形過程中應(yīng)選擇順打方式。研究結(jié)果可為冷滾打設(shè)備的研發(fā)、工藝參數(shù)選擇，成形件質(zhì)量的控制提供指導(dǎo)和借鑒。