铝合金内孔滚压余量与预滚压孔表面粗糙度的关系

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摘 要：文章从滚压工艺原理结合生产实践，对内孔加工工艺中，根据预滚压孔的表面形状及粗糙度Rz来计算滚压余量。通过设定适当的滚压余量滚压出良好的表面，对塑性较高的零件内孔滚压有指导性作用。

关键词：滚压余量；粗糙度Rz；滚压参数；表面质量

引言

随着机械制造业的不断发展，滚压工艺在生产实践的运用范围不断扩大，可以用于加工内圆表面、圆锥、圆柱、丝杆螺纹和齿轮齿形等各种特殊形状表面。滚压在待加工表面精加工后，以无屑光整加工的方法，减小工件表面的粗糙度和强化其表面，经过滚压后可以使表面粗糙度从Ra6.3提高到Ra2.4～Ra0.2，硬度可提高15%～30%，而耐磨性提高15%。所以滚压工艺能够提高零件表面的显微硬度和疲劳寿命、耐磨性和配合稳定性。并且有较高的生产效率，有些工件可在数分或数秒钟内完成。

1 滚压原理

根据金属变形的理论，利用硬度很高的自由旋转滚柱，在常温条件下工件表面施加一定压力，被滚压金属的原子间距离会发生变动或晶格之间产生滑移。当达到一定数值时，被加工表面金属产生的塑性变形。

在车、镗、刨等机械加工中，刀具加工纹路必然在零件表面产生显微的“波峰”“波谷”，滚压原理即是通过金属的塑性变形将零件表面上的“波峰”滚压变形去填充“波谷”，如图1所示。好比是轧路机将凹凸不平的马路压得很平整。

2 滚压工艺的适用范围

根据滚压原理可知，材料软，塑性大，容易被滚压光。随着塑性降低，硬度的提高，永久变形量随之减少。一般来说工件的硬度不超过40HRC。为避免薄壁件在滚压过程中变形，加工部位的壁厚应达到孔径的15%～20%以上。滚压铸件时，当铸件的材料硬度不均匀时，被滚压表面的缺陷（气孔、砂眼等）会马上显露出来。因此，当铸件表面缺隐较多，质量较差时不宜采用滚压工艺。

滚压加工使用范围广，在各大、中及小型工厂均能使用。不论是从加工质量、生产效率，生产成本等方面来看，滚压加工都是一项比较优越的加工方法。在某些方面，它完全可代替精磨、研磨、珩磨等光整加工。

3 滚压工具的形式

内孔滚压工具可分为可调和不可调的、刚性和弹性的、滚柱（圆柱和圆锥）式的和滚珠式的等等。根据工件的尺寸和结构、具体用途和对孔要求的精度和粗糙度的不同，可采用不同的滚压方式和不同结构的内孔滚压工具来滚压。各种内孔滚压方法的特点如下：

（1）圆锥滚柱式。圆锥滚柱工作接触面积较大，能承受较大的滚压力，可选用较大的进给量，以提高生产效率；

（2）圆柱滚压式。制造简单、便宜，但由于没有滚压后角α，金属塑性变形的条件较恶劣；它一般用于不可调试滚压头；

（3）滚珠式。在较小负荷下，能产生对工件较大的单位压力，且结构简单，可以利用轴承上的标注滚珠，适用于以压光表面，强化表层为主的弹性滚压头中和滚压刚性若的工件，但承受滚压力较小，效率较低。

结合产品特性及生产效率，文章中所提滚压均是采用多滚柱刚性可调式滚压头。

4 滚压余量的设定

4.1 粗糙度截面形状

表面粗糙度是零件表面的微观轮廓，粗糙度Rz即是用于评价“波峰”与“波谷”之间的高度差。理论的粗糙度形状是规则的“波峰”“波谷”一起一伏，根据使用刀具的刀尖圆角、主偏角、副偏角等刀片结构因素，可以切削处不同的表面形状，如图2是在没有波纹度的条件假设下中的三种预加工的表面形状。切削加工后的残余面积高度一样，但残余面积不同，C最小。

但是加工过程中因刀具产生积削瘤或参数设置不当等会产生震纹，导致表面粗糙度或者波纹度不规则，当出现震纹的时候，预滚压表面粗糙度合格，但是滚压后的内孔表面质量却不合格，图3即是预滚压孔粗糙度正常和有震纹的对比检测结果。从检测结果可以看出有震纹时，有的地方没有被填充满，导致有低谷，粗糙度不合格，所以在生产中应避免震纹的产生。

4.2 滚压余量的确定

由于滚压加工是利用滚柱碾压的加工方法，所以加工前后工件的直径将发生变化，内径将扩大，这个变化量我们称之为滚压余量。滚压余量的大小对表面粗糙度和几何精度的影响都很大。为了能加工到尺寸公差范围内且保证良好的表面质量，应综合考虑滚压余量来决定滚压前的尺寸及公差。

滚压过程是突出的“波峰”被挤压入“波谷”中的过程。图2中的三种表面形状，如滚压后全部被挤平，宽度相等的长方形，面积越小，高度越小。可见三种形状滚压加工后C的高度最小，也就表明C的粗糙度最小，它的模式是预滚压的理想模式，因此预滚压孔的加工应使用锋利的、刀尖圆弧小的刀具。但是实际情况是刀尖圆角不可能为零，通用较小的刀尖圆角为R0.4，且刀尖圆角过小极容易崩刃，从经济和性能综合考虑通常使用刀尖圆角R0.4的刀片。以铝合金AlSi12Cu滚压Φ14的内孔为例，预滚压孔使用60°，刀尖圆角R0.4的镗刀进行加工，加工出的表面形状如图4所示，底部较宽，顶部较尖，需大量波峰才能填平波谷。经工艺验证，滚压量设置为0.014，使用圆柱滚压工具滚压后粗糙度Rz由5.2变为0.39（见表1），大大的改善了表面粗糙度。滚压后的表面微观质量如图5左所示，表面光滑自然。同样的孔当滚压量增加到0.05mm时，表面粗糙度Rz无明显变化，但是表面微观组织发生龟裂现象，如图5右图所示，该现象存在表面硬化层剥落的风险，应避免发生。

如图1所示，在理论形状下要将“波峰”填满“波谷”，内孔单边滚压余量需要0.72倍Rz，一周滚压余量则为1.44倍Rz。由于预滚压孔的表面质量并不理想，粗糙度仪测针圆角等因素的影响，检测值略小于真实值，所以需要提供富余的滚压余量，根据多次试加工的结果验证，直径方向滚压余量在Rz的2～3倍的时候表面质量良好。

5 结束语

铝合金根据预滚压孔的不同表面形状来计算滚压余量，在将波峰完全填平波谷的基础上，预留0.5～1.5倍Rz的富裕滚压余量即可。预滚压孔加工刀片的刀尖圆角为R0.4时，滚压余量（直径方向）为Rz的2～3倍。不同材质的铝合金由于其塑性和硬度的影响，具体滚压余量可以根据工艺试验来进行适当调整。

参考文献

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[2]程通模.滚压和挤压光整加工[M].机械工艺出版社.

[3]王先逵.机械加工工艺手册[M].机械工艺出版社.