鋁合金內孔滾壓余量與預滾壓孔表面粗糙度的關系

摘 要：文章從滾壓工藝原理結合生產實踐，對內孔加工工藝中，根據預滾壓孔的表面形狀及粗糙度Rz來計算滾壓余量。通過設定適當的滾壓余量滾壓出良好的表面，對塑性較高的零件內孔滾壓有指導性作用。

關鍵詞：滾壓余量；粗糙度Rz；滾壓參數；表面質量

引言

隨著機械制造業的不斷發展，滾壓工藝在生產實踐的運用范圍不斷擴大，可以用于加工內圓表面、圓錐、圓柱、絲桿螺紋和齒輪齒形等各種特殊形狀表面。滾壓在待加工表面精加工后，以無屑光整加工的方法，減小工件表面的粗糙度和強化其表面，經過滾壓后可以使表面粗糙度從Ra6.3提高到Ra2.4～Ra0.2，硬度可提高15%～30%，而耐磨性提高15%。所以滾壓工藝能夠提高零件表面的顯微硬度和疲勞壽命、耐磨性和配合穩定性。并且有較高的生產效率，有些工件可在數分或數秒鐘內完成。

1 滾壓原理

根據金屬變形的理論，利用硬度很高的自由旋轉滾柱，在常溫條件下工件表面施加一定壓力，被滾壓金屬的原子間距離會發生變動或晶格之間產生滑移。當達到一定數值時，被加工表面金屬產生的塑性變形。

在車、鏜、刨等機械加工中，刀具加工紋路必然在零件表面產生顯微的“波峰”“波谷”，滾壓原理即是通過金屬的塑性變形將零件表面上的“波峰”滾壓變形去填充“波谷”，如圖1所示。好比是軋路機將凹凸不平的馬路壓得很平整。

2 滾壓工藝的適用范圍

根據滾壓原理可知，材料軟，塑性大，容易被滾壓光。隨著塑性降低，硬度的提高，永久變形量隨之減少。一般來說工件的硬度不超過40HRC。為避免薄壁件在滾壓過程中變形，加工部位的壁厚應達到孔徑的15%～20%以上。滾壓鑄件時，當鑄件的材料硬度不均勻時，被滾壓表面的缺陷（氣孔、砂眼等）會馬上顯露出來。因此，當鑄件表面缺隱較多，質量較差時不宜采用滾壓工藝。

滾壓加工使用范圍廣，在各大、中及小型工廠均能使用。不論是從加工質量、生產效率，生產成本等方面來看，滾壓加工都是一項比較優越的加工方法。在某些方面，它完全可代替精磨、研磨、珩磨等光整加工。

3 滾壓工具的形式

內孔滾壓工具可分為可調和不可調的、剛性和彈性的、滾柱（圓柱和圓錐）式的和滾珠式的等等。根據工件的尺寸和結構、具體用途和對孔要求的精度和粗糙度的不同，可采用不同的滾壓方式和不同結構的內孔滾壓工具來滾壓。各種內孔滾壓方法的特點如下：

（1）圓錐滾柱式。圓錐滾柱工作接觸面積較大，能承受較大的滾壓力，可選用較大的進給量，以提高生產效率；

（2）圓柱滾壓式。制造簡單、便宜，但由于沒有滾壓后角α，金屬塑性變形的條件較惡劣；它一般用于不可調試滾壓頭；

（3）滾珠式。在較小負荷下，能產生對工件較大的單位壓力，且結構簡單，可以利用軸承上的標注滾珠，適用于以壓光表面，強化表層為主的彈性滾壓頭中和滾壓剛性若的工件，但承受滾壓力較小，效率較低。

結合產品特性及生產效率，文章中所提滾壓均是采用多滾柱剛性可調式滾壓頭。

4 滾壓余量的設定

4.1 粗糙度截面形狀

表面粗糙度是零件表面的微觀輪廓，粗糙度Rz即是用于評價“波峰”與“波谷”之間的高度差。理論的粗糙度形狀是規則的“波峰”“波谷”一起一伏，根據使用刀具的刀尖圓角、主偏角、副偏角等刀片結構因素，可以切削處不同的表面形狀，如圖2是在沒有波紋度的條件假設下中的三種預加工的表面形狀。切削加工后的殘余面積高度一樣，但殘余面積不同，C最小。

但是加工過程中因刀具產生積削瘤或參數設置不當等會產生震紋，導致表面粗糙度或者波紋度不規則，當出現震紋的時候，預滾壓表面粗糙度合格，但是滾壓后的內孔表面質量卻不合格，圖3即是預滾壓孔粗糙度正常和有震紋的對比檢測結果。從檢測結果可以看出有震紋時，有的地方沒有被填充滿，導致有低谷，粗糙度不合格，所以在生產中應避免震紋的產生。

4.2 滾壓余量的確定

由于滾壓加工是利用滾柱碾壓的加工方法，所以加工前后工件的直徑將發生變化，內徑將擴大，這個變化量我們稱之為滾壓余量。滾壓余量的大小對表面粗糙度和幾何精度的影響都很大。為了能加工到尺寸公差范圍內且保證良好的表面質量，應綜合考慮滾壓余量來決定滾壓前的尺寸及公差。

滾壓過程是突出的“波峰”被擠壓入“波谷”中的過程。圖2中的三種表面形狀，如滾壓后全部被擠平，寬度相等的長方形，面積越小，高度越小。可見三種形狀滾壓加工后C的高度最小，也就表明C的粗糙度最小，它的模式是預滾壓的理想模式，因此預滾壓孔的加工應使用鋒利的、刀尖圓弧小的刀具。但是實際情況是刀尖圓角不可能為零，通用較小的刀尖圓角為R0.4，且刀尖圓角過小極容易崩刃，從經濟和性能綜合考慮通常使用刀尖圓角R0.4的刀片。以鋁合金AlSi12Cu滾壓Φ14的內孔為例，預滾壓孔使用60°，刀尖圓角R0.4的鏜刀進行加工，加工出的表面形狀如圖4所示，底部較寬，頂部較尖，需大量波峰才能填平波谷。經工藝驗證，滾壓量設置為0.014，使用圓柱滾壓工具滾壓后粗糙度Rz由5.2變為0.39（見表1），大大的改善了表面粗糙度。滾壓后的表面微觀質量如圖5左所示，表面光滑自然。同樣的孔當滾壓量增加到0.05mm時，表面粗糙度Rz無明顯變化，但是表面微觀組織發生龜裂現象，如圖5右圖所示，該現象存在表面硬化層剝落的風險，應避免發生。

如圖1所示，在理論形狀下要將“波峰”填滿“波谷”，內孔單邊滾壓余量需要0.72倍Rz，一周滾壓余量則為1.44倍Rz。由于預滾壓孔的表面質量并不理想，粗糙度儀測針圓角等因素的影響，檢測值略小于真實值，所以需要提供富余的滾壓余量，根據多次試加工的結果驗證，直徑方向滾壓余量在Rz的2～3倍的時候表面質量良好。

5 結束語

鋁合金根據預滾壓孔的不同表面形狀來計算滾壓余量，在將波峰完全填平波谷的基礎上，預留0.5～1.5倍Rz的富裕滾壓余量即可。預滾壓孔加工刀片的刀尖圓角為R0.4時，滾壓余量（直徑方向）為Rz的2～3倍。不同材質的鋁合金由于其塑性和硬度的影響，具體滾壓余量可以根據工藝試驗來進行適當調整。

參考文獻

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