空心銷軸無縫鋼管的表面滾壓強(qiáng)化加工技術(shù)研究

一、引言

空心銷軸作為機(jī)械傳動(dòng)、工程機(jī)械、交通運(yùn)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(shí)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(yùn)行安全性。傳統(tǒng)的表面強(qiáng)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(shí)，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(duì)零部件高性能的需求。

表面滾壓強(qiáng)化加工技術(shù)作為一種綠色、高效的塑性變形強(qiáng)化工藝，通過滾壓工具對(duì)工件表面施加一定的壓力，使表面材料發(fā)生塑性流動(dòng)，從而改善表面粗糙度、提高表面硬度和殘余壓應(yīng)力，增強(qiáng)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(duì)工件基體性能影響小等顯著優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)空心銷軸無縫鋼管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，系統(tǒng)研究表面滾壓強(qiáng)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(qiáng)化加工原理 2.1 核心作用機(jī)制

表面滾壓強(qiáng)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(xì)化，形成致密的纖維組織。同時(shí)，塑性變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)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(kuò)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(duì)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(dāng)滾壓工具作用于鋼管表面時(shí)，表層金屬的塑性流動(dòng)會(huì)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(qiáng)化效果的同時(shí)，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(qiáng)化加工過程主要分為三個(gè)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(dāng)壓力達(dá)到材料的屈服極限后，進(jìn)入塑性變形階段，表層金屬開始發(fā)生顯著的滑移和流動(dòng)，凸起部分被碾壓平整，晶粒結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化；當(dāng)滾壓頭離開工件表面時(shí)，進(jìn)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(qiáng)化表層。

該過程中，滾壓工具的運(yùn)動(dòng)形式直接影響強(qiáng)化效果。針對(duì)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(dòng)，同時(shí)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，適用于長(zhǎng)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(qiáng)化關(guān)鍵影響因素

表面滾壓強(qiáng)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(qiáng)化質(zhì)量。

3.1 滾壓工藝參數(shù)

滾壓工藝參數(shù)是影響強(qiáng)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(jìn)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(dá)到理想的強(qiáng)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(huì)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(shí)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(shí)間過短，表層金屬塑性變形不充分，且易產(chǎn)生振動(dòng)，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(jìn)給量相互匹配，一般控制在50-200mm/min范圍內(nèi)。

滾壓次數(shù)對(duì)表面強(qiáng)化效果具有顯著影響。單次滾壓時(shí)，表層金屬塑性變形不均勻，表面質(zhì)量和強(qiáng)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(xì)化更均勻，殘余壓應(yīng)力分布更合理，表面粗糙度進(jìn)一步降低。但滾壓次數(shù)過多，會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)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(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)；高速鋼滾壓頭則適用于加工硬度較低的材料，成本相對(duì)較低。

滾壓頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需與空心銷軸的尺寸和形狀相匹配。對(duì)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(gè)滾柱均勻分布在圓周方向，確保滾壓力均勻施加；對(duì)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(yùn)動(dòng)。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(duì)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(qiáng)化效果。材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及塑性越好，滾壓過程中表層金屬的塑性變形越充分，強(qiáng)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(qiáng)度和塑性適中，經(jīng)過滾壓強(qiáng)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(zhǎng)度等也會(huì)對(duì)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(qiáng)化不足的現(xiàn)象；長(zhǎng)度較長(zhǎng)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(qiáng)化工藝優(yōu)化 4.1 工藝優(yōu)化目標(biāo)

空心銷軸無縫鋼管表面滾壓強(qiáng)化工藝優(yōu)化的核心目標(biāo)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(qiáng)其抗疲勞和抗磨損性能。同時(shí)，還需兼顧加工效率和生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)工藝的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

4.2 工藝優(yōu)化方法

采用正交試驗(yàn)法對(duì)滾壓工藝參數(shù)進(jìn)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(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)置3-4個(gè)水平，以表面硬度、表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析和方差分析，確定各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，進(jìn)而得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

例如，針對(duì)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(yàn)因素，通過正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滾壓力對(duì)表面硬度和殘余壓應(yīng)力的影響最為顯著，滾壓次數(shù)對(duì)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(duì)滾壓過程進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)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(yàn)相結(jié)合的方式，可有效縮短工藝優(yōu)化周期，降低試驗(yàn)成本。

4.3 特殊結(jié)構(gòu)的工藝調(diào)整

對(duì)于一些具有特殊結(jié)構(gòu)的空心銷軸，如兩端帶有臺(tái)階、內(nèi)壁有溝槽等，需要對(duì)滾壓工藝進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。例如，對(duì)于帶臺(tái)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(tái)階部位因應(yīng)力集中導(dǎo)致變形；對(duì)于內(nèi)壁有溝槽的空心銷軸，需設(shè)計(jì)專用的滾壓頭，確保溝槽部位能夠得到充分滾壓強(qiáng)化，同時(shí)避免對(duì)溝槽邊緣造成損傷。

五、滾壓強(qiáng)化加工技術(shù)的應(yīng)用效果驗(yàn)證 5.1 表面性能檢測(cè)

對(duì)經(jīng)過滾壓強(qiáng)化處理的空心銷軸無縫鋼管進(jìn)行表面性能檢測(cè)，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(dá)到-200--400MPa，有效抑制了疲勞裂紋的萌生。

5.2 疲勞性能測(cè)試

通過疲勞試驗(yàn)對(duì)滾壓強(qiáng)化后的空心銷軸進(jìn)行性能驗(yàn)證，采用彎曲疲勞試驗(yàn)方法，試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)了其抗疲勞性能。

5.3 實(shí)際工況應(yīng)用驗(yàn)證

將滾壓強(qiáng)化處理后的空心銷軸應(yīng)用于某工程機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中，進(jìn)行為期1000小時(shí)的實(shí)地工況測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，滾壓強(qiáng)化后的空心銷軸表面無明顯磨損痕跡，運(yùn)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(qiáng)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(shí)左右。這一結(jié)果充分證明了滾壓強(qiáng)化加工技術(shù)能夠顯著提升空心銷軸的實(shí)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(qiáng)化加工技術(shù)，得出以下主要結(jié)論：

1. 表面滾壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化效果的關(guān)鍵因素，需通過正交試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行優(yōu)化。

3. 經(jīng)優(yōu)化后的滾壓強(qiáng)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(shí)際工況使用壽命顯著延長(zhǎng)。

4. 表面滾壓強(qiáng)化加工技術(shù)具有綠色、高效、成本低等優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)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(gè)方面需要進(jìn)一步研究和完善：

1. 針對(duì)高強(qiáng)度、高硬度無縫鋼管材料的滾壓強(qiáng)化技術(shù)研究，開發(fā)專用的滾壓工具和工藝參數(shù)，進(jìn)一步提升強(qiáng)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(shí)現(xiàn)滾壓過程中工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)整，提高加工精度和穩(wěn)定性。

3. 深入研究滾壓強(qiáng)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(zhǔn)的理論支撐。

4. 拓展?jié)L壓強(qiáng)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(jìn)一步提升該技術(shù)的適用性。