精密襯套滾壓光整工藝參數(shù)研究

馬興奎 姜勝洋 歐陽旭東

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

目前，工程中存在大量的精密襯套，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)各個系統(tǒng)，尺寸精度要求達(dá)到IT6級，表面粗糙度達(dá)到Ra0.1～0.2 μm。通常采用數(shù)控加工后再拋光的方法提高零件表面質(zhì)量，但鉗工耗時費力，且對鉗工操作人員的技能要求較高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，例如加工后產(chǎn)生表面不平、毛刺及微觀波紋等缺陷。

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對武器裝備制造提出更高的要求。飛機(jī)零件加工精度要求也越來越高，對于配合表面精度及粗糙度要求很高的精密零件，傳統(tǒng)的制造技術(shù)很難滿足精度要求，因此滾壓加工技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛。梁志強(qiáng)等[1]研究出強(qiáng)力滾壓可有效細(xì)化超高強(qiáng)度鋼表層晶粒并且改善殘余應(yīng)力分布，殘余壓應(yīng)力值隨著滾壓深度和滾壓次數(shù)的增加而增大，隨進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速的增大而減小。王虎軍等[2]通過有限元分析研究出滾壓強(qiáng)化能夠提高零件的疲勞強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能。張海泉等[3]研究了滾壓力和重復(fù)滾壓次數(shù)對ZK60鎂合金的表面粗糙度、表面形貌以及表面殘余應(yīng)力和表層硬度影響程度較大，滾壓速度影響較小，白音胡等[4]研究了超聲滾壓對材料疲勞性能的變化規(guī)律，且通過超聲滾壓可以提高表面粗糙度。宋錦春等[5]研究了適當(dāng)?shù)某暆L壓工藝參數(shù)會提高45鋼表面粗糙度及表面硬度。燕松山等[6]研究了滾壓力、滾壓圈數(shù)與曲軸圓角塑性變形量和殘余應(yīng)力之間的變化關(guān)系，為曲軸滾壓加工工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。趙建等[7]從微觀結(jié)構(gòu)分析了旋轉(zhuǎn)超聲壓力與滾壓深度的線性比例關(guān)系，及滾壓力對工件表面形貌的影響。賀俊等[8]基于ANSYS Workbench分析了過盈量、進(jìn)給量、滾壓速度對液壓缸滾壓加工精度的影響，但并未研究滾針數(shù)量對滾壓加工的影響，同時也缺乏試驗驗證。

以精密襯套為研究對象，建立滾壓有限元模型?；趶椝苄粤W(xué)理論，采用有限元法對滾壓光整加工工藝進(jìn)行仿真，并通過試驗驗證理論分析的正確性。

1 滾壓模型建立

在滾壓光整過程中，滾光刀具安裝在數(shù)控車床的刀塔上，主軸夾持襯套旋轉(zhuǎn)，刀具沿襯套內(nèi)孔進(jìn)給，如圖1所示。經(jīng)過研究，將滾針及保持架簡化為一體，如圖2所示。由于1Cr18Ni9的襯套應(yīng)用廣泛、占比大，故研究此材料的襯套；滾光刀具的材料為3Cr2W8V高速鋼，相關(guān)材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。在ANSYS有限元軟件中建立襯套滾壓光整襯套的結(jié)構(gòu)模型，并設(shè)置材料屬性。

表1 材料屬性

根據(jù)實際情況，刀具和襯套之間屬于過盈配合，兩者之間的接觸類型為摩擦接觸(Frictional)，并設(shè)置摩擦系數(shù)和過盈量。對整機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分后節(jié)點數(shù)為78 480個，單元數(shù)為45 471個，如圖2所示。滾壓光整過程中，由于零件在旋轉(zhuǎn)，故需要在約束中設(shè)置一定轉(zhuǎn)速(rotational velocity)；并對刀具的另一端夾持位置施加固定約束。

2 滾壓工藝參數(shù)有限元仿真

2.1 過盈量對滾壓加工的影響

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論[9]，滾壓加工零件時，不同的壓力會導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生不同的變形。當(dāng)滾壓力小于零件的屈服強(qiáng)度時，金屬表面只發(fā)生彈性變形；當(dāng)滾壓力介于零件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間時，金屬表面發(fā)生彈性變形和塑性變形共存。進(jìn)而言之，隨著滾壓力增加，金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性流動，內(nèi)孔表面微觀凸起部位被壓至凹處，從而提高加工精度，達(dá)到光整目的。若滾壓力超過抗拉強(qiáng)度，則內(nèi)孔表面被壓壞。所以適當(dāng)?shù)臐L壓力是決定滾壓加工好壞的關(guān)鍵因素，而滾壓力可以通過過盈量來控制，所以猜想過盈量是影響滾壓光整加工效果的重要因素。

采用控制變量法，基于有限元仿真，研究不同過盈量下滾壓力的變化。從圖3可知，隨著過盈量的增加，等效應(yīng)力也增加。當(dāng)過盈量為0.024 mm時，等效應(yīng)力超過襯套的抗拉強(qiáng)度520 MPa；當(dāng)過盈量為0.022 mm時，等效應(yīng)力為489～515 MPa，略小于襯套的抗拉強(qiáng)度。而轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對等效應(yīng)力的影響不明顯。

2.2 滾壓速度(轉(zhuǎn)速)對滾壓加工的影響

設(shè)置不同的滾壓速度(400、500、600、700、800 r/min)，進(jìn)給量(0.6 mm/r)不變，研究同一過盈量下，滾壓速度對等效應(yīng)力的影響。從圖4可知，隨著滾壓速度的增加，等效應(yīng)力無明顯的增大或者減??；圖3b中也可見，不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的5條曲線基本重合，故滾壓速度對滾壓加的影響可以忽略不計。

2.3 進(jìn)給量對滾壓加工的影響

設(shè)置不同的進(jìn)給量(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm/r)，滾壓速度(600 r/min)不變，研究同一過盈量下，進(jìn)給量對等效應(yīng)力的影響。從圖5可知，隨著進(jìn)給量的增加，等效應(yīng)力有減小的趨勢但是不明顯，因為進(jìn)給量越小，單位時間內(nèi)滾壓越充分，進(jìn)而零件表面的塑性變形也越充分。

2.4 滾針數(shù)量對滾壓加工的影響

設(shè)置不同的滾針數(shù)量(4、6、8、10個)，滾壓速度(600 r/min)和進(jìn)給量(0.6 mm/r)不變，研究同一過盈量下，滾針數(shù)量對等效應(yīng)力的影響。從圖6可知，同一過盈量下，滾針數(shù)量為6個時，等效應(yīng)力最大。

3 滾壓工藝參數(shù)試驗研究

3.1 過盈量對粗糙度的影響

采用控制變量法，在數(shù)控機(jī)床上設(shè)置不同的過盈量(0.016、0.018、0.02、0.022、0.024 mm)對襯套內(nèi)孔進(jìn)行滾壓。從圖7可知，隨著過盈量的增加，表面粗糙度先減小再增大，過盈量為0.022 mm時，對應(yīng)表面粗糙度最?。欢贿^盈量時，進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速對表面粗糙度無明顯影響，圖8和圖9亦反應(yīng)出相同規(guī)律，說明過盈量是影響襯套表面粗糙度的關(guān)鍵因素。同時，試驗結(jié)果與理論仿真(圖2)形成對比論證，兩者具有相同的變化規(guī)律。

3.2 滾壓速度(轉(zhuǎn)速)對粗糙度的影響

設(shè)置不同的滾壓速度(400、500、600、700、800 r/min)，進(jìn)給量(0.6 mm/r)不變，研究同一過盈量下，滾壓速度對表面粗糙度的影響。從圖8可知，隨著滾壓速度的增加，襯套內(nèi)孔表面粗糙度無明顯的增大或者減小。

3.3 進(jìn)給量對粗糙度的影響

設(shè)置不同的進(jìn)給量((0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm/r)，滾壓速度(600 r/min)不變，研究同一過盈量下，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響。從圖9可知，隨著進(jìn)給量的增加，襯套內(nèi)孔表面粗糙度無明顯的增大或者減小。

3.4 滾針數(shù)量對粗糙度的影響

設(shè)置不同的滾針數(shù)量(4、6、8、10個)，滾壓速度(600 r/min)和進(jìn)給量(0.6 mm/r)不變，研究同一過盈量下，滾針數(shù)量對襯套內(nèi)孔表面粗糙度的影響。從圖10可知，同一過盈量下，滾針數(shù)量為6個時，表面粗糙度最小。

3.5 實例應(yīng)用

合理的滾壓參數(shù)可以提高精密襯套表面加工質(zhì)量，根據(jù)上述分析，最終選擇過盈量為0.022 mm，滾針為6個?？紤]到材料的加工性能，轉(zhuǎn)速選取為600 r/min，進(jìn)給量選取為0.4 mm/r。加工10件襯套，尺寸公差要求為φ26.8(+0.02/+0.007) mm，表面粗糙度要求為Ra0.1 μm。加工后實測結(jié)果見表2，可見內(nèi)孔尺寸及粗糙度均滿足公差要求。

表2 實際加工尺寸

4 結(jié)語

(1)過盈量是影響滾壓光整效果的關(guān)鍵因素，一定范圍內(nèi)，隨著過盈量增加，精密襯套內(nèi)孔表面粗糙度減小，直到過盈量超過0.022 mm時，粗糙度又增大，故0.022 mm的過盈量，是最合適的過盈量。同時，同一過盈量下，滾針數(shù)量為6個時，滾壓效果較好。

(2)滾壓速度和進(jìn)給量對滾壓光整效果無明顯影響，但是為了使?jié)L壓更充分盡量選擇較小的進(jìn)給量。

(3)滾壓光整工藝參數(shù)研究，為精密襯套加工提供了技術(shù)支持，也為其他精密零件的加工提供了參考。