空心銷軸無縫鋼管的表面滾壓強化加工技術(shù)研究

一、引言

空心銷軸作為機械傳動、工程機械、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的關(guān)鍵承載零部件，其核心基材多采用無縫鋼管。在實際工況中，空心銷軸需承受交變載荷、摩擦磨損及沖擊載荷等復(fù)雜作用，其表面性能直接決定了零部件的使用壽命、可靠性及整體設(shè)備的運行安全性。傳統(tǒng)的表面強化技術(shù)如熱處理、電鍍等，在提升空心銷軸無縫鋼管表面硬度的同時，易產(chǎn)生表面氧化、裂紋、結(jié)合力不足等缺陷，難以滿足高端裝備對零部件高性能的需求。

表面滾壓強化加工技術(shù)作為一種綠色、高效的塑性變形強化工藝，通過滾壓工具對工件表面施加一定的壓力，使表面材料發(fā)生塑性流動，從而改善表面粗糙度、提高表面硬度和殘余壓應(yīng)力，增強材料的抗疲勞、抗磨損能力。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)具有加工效率高、無污染物排放、對工件基體性能影響小等顯著優(yōu)勢。本文針對空心銷軸無縫鋼管的結(jié)構(gòu)特點和性能要求，系統(tǒng)研究表面滾壓強化加工技術(shù)的核心原理、關(guān)鍵影響因素、工藝優(yōu)化及應(yīng)用效果，為該技術(shù)在空心銷軸制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)參考。

二、空心銷軸無縫鋼管表面滾壓強化加工原理 2.1 核心作用機制

表面滾壓強化的本質(zhì)是通過滾壓頭與空心銷軸無縫鋼管表面的接觸擠壓，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性變形。在滾壓力的作用下，表層金屬晶粒發(fā)生滑移、畸變甚至細化，形成致密的纖維組織。同時，塑性變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會使表層金屬處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，這一狀態(tài)能夠有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴展。此外，滾壓過程還能碾壓掉工件表面的微小凸起，降低表面粗糙度，形成光滑平整的表面形貌，減少摩擦磨損過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

對于空心銷軸無縫鋼管而言，由于其具有中空結(jié)構(gòu)，滾壓過程中需特別關(guān)注內(nèi)壁和外壁的變形協(xié)調(diào)性。當滾壓工具作用于鋼管表面時，表層金屬的塑性流動會受到內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)的約束，因此需要通過合理控制滾壓力、滾壓速度等參數(shù)，確保表面強化效果的同時，避免出現(xiàn)內(nèi)壁凹陷、截面橢圓度超差等結(jié)構(gòu)缺陷。

2.2 加工過程特征

空心銷軸無縫鋼管表面滾壓強化加工過程主要分為三個階段：接觸擠壓階段、塑性變形階段和彈性恢復(fù)階段。在接觸擠壓階段，滾壓頭與鋼管表面初步接觸，隨著壓力的逐漸增大，表面凸起部分首先發(fā)生彈性變形；當壓力達到材料的屈服極限后，進入塑性變形階段，表層金屬開始發(fā)生顯著的滑移和流動，凸起部分被碾壓平整，晶粒結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化；當滾壓頭離開工件表面時，進入彈性恢復(fù)階段，表層金屬在內(nèi)部應(yīng)力的作用下發(fā)生少量彈性恢復(fù)，最終形成穩(wěn)定的強化表層。

該過程中，滾壓工具的運動形式直接影響強化效果。針對空心銷軸的圓柱面結(jié)構(gòu)，通常采用軸向滾壓或徑向滾壓兩種方式：軸向滾壓是滾壓頭沿鋼管軸線方向移動，同時繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，適用于長尺寸空心銷軸的加工；徑向滾壓是滾壓頭繞鋼管圓周方向旋轉(zhuǎn)，沿徑向施加壓力，適用于短尺寸或精度要求較高的空心銷軸加工。

三、空心銷軸無縫鋼管表面滾壓強化關(guān)鍵影響因素

表面滾壓強化效果主要取決于滾壓工藝參數(shù)、滾壓工具特性、工件材料性能及空心結(jié)構(gòu)參數(shù)等，各因素相互作用，共同決定了最終的表面強化質(zhì)量。

3.1 滾壓工藝參數(shù)

滾壓工藝參數(shù)是影響強化效果的核心因素，主要包括滾壓力、滾壓速度、滾壓次數(shù)及進給量等。

滾壓力是決定塑性變形程度的關(guān)鍵參數(shù)。滾壓力過小，表層金屬塑性變形不足，無法達到理想的強化效果，表面硬度和殘余壓應(yīng)力提升不明顯；滾壓力過大，會導(dǎo)致表層金屬過度變形，產(chǎn)生加工硬化過度現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)微裂紋、起皮等缺陷，同時還可能因過大的壓力導(dǎo)致空心銷軸內(nèi)壁凹陷，影響其尺寸精度。因此，需根據(jù)空心銷軸無縫鋼管的材料硬度、壁厚及直徑等參數(shù)，確定合理的滾壓力范圍。

滾壓速度直接影響加工效率和表面質(zhì)量。滾壓速度過快，滾壓頭與工件表面的接觸時間過短，表層金屬塑性變形不充分，且易產(chǎn)生振動，導(dǎo)致表面粗糙度增大；滾壓速度過慢，雖然能保證塑性變形充分，但加工效率過低，增加了生產(chǎn)成本。通常情況下，滾壓速度需與滾壓力、進給量相互匹配，一般控制在50-200mm/min范圍內(nèi)。

滾壓次數(shù)對表面強化效果具有顯著影響。單次滾壓時，表層金屬塑性變形不均勻，表面質(zhì)量和強化效果較差；多次滾壓可使表層金屬塑性變形更加充分，晶粒細化更均勻，殘余壓應(yīng)力分布更合理，表面粗糙度進一步降低。但滾壓次數(shù)過多，會導(dǎo)致加工時間延長，同時可能因累積塑性變形過大產(chǎn)生缺陷，一般以2-4次為宜。

3.2 滾壓工具特性

滾壓工具的材料、結(jié)構(gòu)及表面精度直接影響滾壓效果和工具使用壽命。滾壓頭的材料需具有較高的硬度、耐磨性和韌性，常用材料包括高速鋼、硬質(zhì)合金及立方氮化硼（CBN）等。其中，硬質(zhì)合金滾壓頭適用于加工硬度較高的無縫鋼管，具有耐磨性好、使用壽命長等優(yōu)勢；高速鋼滾壓頭則適用于加工硬度較低的材料，成本相對較低。

滾壓頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計需與空心銷軸的尺寸和形狀相匹配。對于空心銷軸的外表面滾壓，通常采用多滾柱式滾壓頭，通過多個滾柱均勻分布在圓周方向，確保滾壓力均勻施加；對于內(nèi)表面滾壓，由于空間受限，常采用單滾柱或雙滾柱式滾壓頭，需保證滾壓頭在空心內(nèi)部能夠穩(wěn)定運動。此外，滾壓頭的表面粗糙度需控制在較低水平，避免在加工過程中對工件表面造成二次劃傷。

3.3 工件材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)

空心銷軸無縫鋼管的材料性能直接影響滾壓強化效果。材料的屈服強度、抗拉強度及塑性越好，滾壓過程中表層金屬的塑性變形越充分，強化效果越顯著。常用的空心銷軸無縫鋼管材料包括20、45、40Cr等，其中40Cr等合金結(jié)構(gòu)鋼由于強度和塑性適中，經(jīng)過滾壓強化后，表面硬度和抗疲勞性能提升更為明顯。

空心銷軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)如壁厚、直徑及長度等也會對滾壓過程產(chǎn)生影響。壁厚較薄的空心銷軸，在滾壓力作用下易發(fā)生整體變形，因此需要采用較小的滾壓力和多次滾壓的方式；直徑較大的空心銷軸，需保證滾壓頭與工件表面的良好接觸，避免出現(xiàn)局部強化不足的現(xiàn)象；長度較長的空心銷軸，需控制滾壓過程中的直線度，防止因兩端受力不均導(dǎo)致表面質(zhì)量不一致。

四、空心銷軸無縫鋼管表面滾壓強化工藝優(yōu)化 4.1 工藝優(yōu)化目標

空心銷軸無縫鋼管表面滾壓強化工藝優(yōu)化的核心目標是在保證空心銷軸尺寸精度和結(jié)構(gòu)完整性的前提下，最大限度地提升表面硬度、降低表面粗糙度、增大殘余壓應(yīng)力，從而增強其抗疲勞和抗磨損性能。同時，還需兼顧加工效率和生產(chǎn)成本，實現(xiàn)工藝的經(jīng)濟性和實用性。

4.2 工藝優(yōu)化方法

采用正交試驗法對滾壓工藝參數(shù)進行優(yōu)化是目前較為常用的方法。通過選取滾壓力、滾壓速度、滾壓次數(shù)作為試驗因素，每個因素設(shè)置3-4個水平，以表面硬度、表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力作為評價指標，設(shè)計正交試驗方案。通過對試驗結(jié)果的極差分析和方差分析，確定各因素對評價指標的影響程度，進而得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

例如，針對45（直徑50mm，壁厚5mm），選取滾壓力（15kN、20kN、25kN）、滾壓速度（80mm/min、120mm/min、160mm/min）、滾壓次數(shù)（2次、3次、4次）作為試驗因素，通過正交試驗發(fā)現(xiàn)，滾壓力對表面硬度和殘余壓應(yīng)力的影響最為顯著，滾壓次數(shù)對表面粗糙度的影響最為顯著，最終確定最優(yōu)工藝參數(shù)為滾壓力20kN、滾壓速度120mm/min、滾壓次數(shù)3次。

此外，還可通過數(shù)值模擬方法對滾壓過程進行仿真分析，預(yù)測不同工藝參數(shù)下工件表面的應(yīng)力分布、塑性變形程度及尺寸變化情況，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。通過數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方式，可有效縮短工藝優(yōu)化周期，降低試驗成本。

4.3 特殊結(jié)構(gòu)的工藝調(diào)整

對于一些具有特殊結(jié)構(gòu)的空心銷軸，如兩端帶有臺階、內(nèi)壁有溝槽等，需要對滾壓工藝進行針對性調(diào)整。例如，對于帶臺階的空心銷軸，可采用分段滾壓的方式，先滾壓大直徑段，再滾壓小直徑段，避免臺階部位因應(yīng)力集中導(dǎo)致變形；對于內(nèi)壁有溝槽的空心銷軸，需設(shè)計專用的滾壓頭，確保溝槽部位能夠得到充分滾壓強化，同時避免對溝槽邊緣造成損傷。

五、滾壓強化加工技術(shù)的應(yīng)用效果驗證 5.1 表面性能檢測

對經(jīng)過滾壓強化處理的空心銷軸無縫鋼管進行表面性能檢測，結(jié)果表明：相較于未滾壓處理的工件，表面硬度可提升30%-50%，例如45，表面硬度可從220HB提升至320-350HB；表面粗糙度可顯著降低，從Ra1.6μm以上降低至Ra0.2-0.4μm；表層殘余壓應(yīng)力可達到-200--400MPa，有效抑制了疲勞裂紋的萌生。

5.2 疲勞性能測試

通過疲勞試驗對滾壓強化后的空心銷軸進行性能驗證，采用彎曲疲勞試驗方法，試驗載荷為10kN，頻率為10Hz。結(jié)果顯示，未滾壓處理的空心銷軸疲勞壽命約為5×10?次，而經(jīng)過滾壓強化處理的空心銷軸疲勞壽命可提升至1.5×10?-2×10?次，疲勞壽命提升了2-4倍，顯著增強了其抗疲勞性能。

5.3 實際工況應(yīng)用驗證

將滾壓強化處理后的空心銷軸應(yīng)用于某工程機械的傳動系統(tǒng)中，進行為期1000小時的實地工況測試。測試結(jié)果表明，滾壓強化后的空心銷軸表面無明顯磨損痕跡，運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)斷裂、變形等故障；而同期使用的未滾壓強化空心銷軸，表面出現(xiàn)了明顯的磨損和微小裂紋，使用壽命僅為600小時左右。這一結(jié)果充分證明了滾壓強化加工技術(shù)能夠顯著提升空心銷軸的實際使用性能和使用壽命。

六、結(jié)論與展望 6.1 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了空心銷軸無縫鋼管表面滾壓強化加工技術(shù)，得出以下主要結(jié)論：

1. 表面滾壓強化通過表層金屬的塑性變形，能夠有效提升空心銷軸無縫鋼管的表面硬度、降低表面粗糙度、增大殘余壓應(yīng)力，從而顯著增強其抗疲勞和抗磨損性能。

2. 滾壓力、滾壓速度、滾壓次數(shù)等工藝參數(shù)，滾壓工具的材料和結(jié)構(gòu)，以及工件的材料性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響滾壓強化效果的關(guān)鍵因素，需通過正交試驗、數(shù)值模擬等方法進行優(yōu)化。

3. 經(jīng)優(yōu)化后的滾壓強化工藝應(yīng)用于空心銷軸加工，可使表面硬度提升30%-50%，表面粗糙度降低至Ra0.2-0.4μm，疲勞壽命提升2-4倍，實際工況使用壽命顯著延長。

4. 表面滾壓強化加工技術(shù)具有綠色、高效、成本低等優(yōu)勢，適用于空心銷軸無縫鋼管的批量生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

6.2 展望

雖然表面滾壓強化加工技術(shù)在空心銷軸無縫鋼管加工中取得了良好的應(yīng)用效果，但仍有以下幾個方面需要進一步研究和完善：

1. 針對高強度、高硬度無縫鋼管材料的滾壓強化技術(shù)研究，開發(fā)專用的滾壓工具和工藝參數(shù)，進一步提升強化效果。

2. 結(jié)合智能化加工技術(shù)，開發(fā)自適應(yīng)滾壓加工系統(tǒng)，實現(xiàn)滾壓過程中工藝參數(shù)的實時監(jiān)測和自動調(diào)整，提高加工精度和穩(wěn)定性。

3. 深入研究滾壓強化表層的微觀組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)聯(lián)模型，為工藝優(yōu)化提供更精準的理論支撐。

4. 拓展?jié)L壓強化技術(shù)的應(yīng)用范圍，研究其在異形空心銷軸、薄壁空心銷軸等特殊結(jié)構(gòu)零部件加工中的應(yīng)用，進一步提升該技術(shù)的適用性。