項艦，劉志奇，李永堂，宋建麗

(1.太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024；2.金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點實驗室，太原 030024）

大模數(shù)花鍵冷敲成形質(zhì)量實驗研究

項艦，劉志奇，李永堂，宋建麗

(1.太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024；2.金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點實驗室，太原 030024）

本文針對冷敲工藝特點，通過測定花鍵表面的粗糙度和硬度值對冷敲花鍵表面質(zhì)量進行定量研究，并觀察微觀金相組織，對冷敲成形內(nèi)部組織特點進行研究。實驗結(jié)果表明:冷敲花鍵表面成形質(zhì)量較高，粗糙度Ra達到了7～8級;冷敲過程中，齒形發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，晶粒被打碎拉長，形成流體狀纖維組織沿齒形分布，強度硬度都得以提高。冷敲加工工藝生產(chǎn)出的花鍵軸綜合性能較高。

花鍵;粗糙度;硬度;微觀組織

花鍵軸是機械系統(tǒng)中用來傳遞軸與軸之間運動和扭矩的零件，被廣泛應用于機床制造業(yè)及各種航天、工業(yè)設(shè)備。目前花鍵軸主要加工方法以滾切、銑削和磨削等切削工藝為主，切削加工方法材料利用率低，切斷了金屬纖維流線，花鍵強度低，性能無法滿足機械上越來越高的傳動要求，在這種背景下，花鍵冷敲工藝等無削加工工藝應運而生，與傳統(tǒng)工藝相比，無削加工不破壞金屬纖維組織，花鍵強度高，表面質(zhì)量好，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，零件壽命長［1］。

本文通過測定冷敲花鍵的表面粗糙度、硬度，對冷敲加工的零件表面質(zhì)量進行定量研究，并觀察金相組織，對冷敲工藝成形成性質(zhì)量進行探討。

1 冷敲加工工藝

冷敲工藝是20世紀50年代發(fā)展起來的加工齒輪、花鍵的工藝方法。這種方法是將一對滾打輪分別安裝在左右對稱的兩個打軸上，打軸繞著其回轉(zhuǎn)中心高速旋轉(zhuǎn)，帶動打輪運動，打輪在繞著打軸中心旋轉(zhuǎn)時同時也發(fā)生自轉(zhuǎn)。在打軸高速旋轉(zhuǎn)的同時，工件做進給和旋轉(zhuǎn)運動，打軸旋轉(zhuǎn)一周，其上的一對打輪同時對稱打擊一次工件，工件在高速沖擊下發(fā)生塑性變形，如此反復形成齒形［2-8］。

2 實驗方案

2.1 實驗設(shè)備

實驗樣品由山東省青島生建機械廠生產(chǎn)的LQ200數(shù)控花鍵冷敲機加工而成，采用間歇分度方式，打輪轉(zhuǎn)速1 400 r/min.

吉泰JD330便攜式粗糙度儀測量齒面粗糙度;

HV-1000B顯微硬度計測定花鍵橫截面硬度分布;

Zeiss Imager.Alm金相顯微鏡觀察顯微組織。

2.2 材料與工藝參數(shù)

試樣采用45鋼加工，經(jīng)調(diào)質(zhì)滲碳處理。花鍵參數(shù):模數(shù)2.5，齒數(shù)28，齒頂圓直徑75 mm，齒根圓直徑63.75 mm，分度圓直徑70 mm.打輪回轉(zhuǎn)速度1 400 r/min.

2.3 試樣制備

用線切割機取樣三個，編號分別為1、2、3，試樣1為粗糙度試樣，試樣2端面進行磨制拋光，進行顯微硬度測定，試樣3拋光后用4%的HNO3酒精腐蝕45 s，用吹風機吹干，觀察金相組織。

3 實驗過程及結(jié)果分析

3.1 粗糙度測定及結(jié)果分析

實驗采用吉泰JD330便攜式粗糙度測量儀測量粗糙度Ra［9］，最大測量長度2.5 mm，試樣長度10 mm，任選其中兩個表面，每個表面分成四個區(qū)間，每個長2.5 mm，從打輪剛接觸的端面為起始面，數(shù)據(jù)如下:

表1 表面粗糙度Tab.1 Surface roughness

冷敲是一種塑性變形，在打輪的打擊下進行體積重新分配，花鍵表面的粗糙度很大程度上取決于打輪的精度，而打輪都是經(jīng)過精磨而成，精度可以達到Ra0.15～0.4，因此花鍵表面粗糙度應能達到磨削精度。由表1數(shù)據(jù)可以看出，試樣表面粗糙度分布在0.7～1.1之間，基本達到磨削精度，整個表面每個區(qū)域粗糙度變化不大，基本規(guī)律為兩端粗糙度精度稍低，中間精度稍高，這是由于打輪在打入和退出時的影響所致，尤其在打輪剛剛接觸工件時，齒槽尚未形成，會形成一定的“打滑”現(xiàn)象，第一次打入時，軸端受到巨大沖擊，金屬沿打輪形狀向外流動，形成槽形，軸端會有毛刺產(chǎn)生，這些現(xiàn)象在一定程度上影響了端部齒槽的精度。

3.2 硬度測定及結(jié)果分析

采用華銀HV-1000B顯微硬度計對試樣2進行表面硬度測定，沿齒頂中線向徑向方向測量20個點，間距0.5 mm;沿齒頂圓向切線方向測量11個點，間距0.4 mm;沿分度圓向切線方向測量13個點，間距0.4 mm;沿齒根圓向切線方向測量15個點，間距0.4 mm.

圖1 沿齒頂圓切線方向硬度分布Fig.1 Hardness distribution along the addendum circle tangent direction

圖2 沿分度圓切線方向硬度分布Fig.2 Hardness distribution along the divided circle tangent direction

圖3 沿齒根圓切線方向硬度分布Fig.3 Hardness distribution along the dedendum circle tangent direction

圖4 沿齒頂徑向硬度分布Fig.4 Hardness distribution along the addendum radial direction

冷敲是一種塑性成形工藝，成形過程實質(zhì)是在打輪的打擊下金屬體積重新分配，在塑性成形的過程中，軸坯受到巨大沖擊，晶格發(fā)生扭曲、畸變，晶?；啤⒗L，位錯密度急劇增加，位錯運動時相互交割，產(chǎn)生位錯塞積割階等阻礙，增大位錯阻力，提高材料變形抗力，這些導致金屬表層硬度增大，產(chǎn)生加工硬化效應。由圖1-圖3可知，由齒側(cè)到齒中硬度逐漸增加，齒中雖也產(chǎn)生了一定的硬化效應，但相比齒表，硬化要小的多，這是由于加工時，齒表面發(fā)生的變形最大，晶格嚴重扭曲，形成金屬流線，向打輪兩側(cè)分布，嚴重的晶格畸變、晶體拉長造成了齒表的加工硬化效應最明顯。齒表最高硬度達到了955 HV，而齒中最高硬度只有850 HV，由圖可以看到，由齒側(cè)到齒中再到另一齒側(cè)，硬度分布形成了“波谷”狀。對比圖1-圖3，可以發(fā)現(xiàn)，沿齒側(cè)-齒中-齒側(cè)方向，3張圖的基本規(guī)律相同，都是兩邊齒表硬度高，齒中硬度低。由于變形位置和變形量不同，也導致了縱向?qū)Ρ鹊牟煌?，同?cè)齒表面，齒頂位置的硬度要低于分度圓和齒根位置，分度圓位置的硬度和齒根位置相當，分度圓位置略高于齒根位置。成形時，齒頂處金屬受擠壓沿打輪輪廓向外流動，晶體所受抗力較小，流動相對自由，此處晶格畸變較小，加工硬化較小;分度圓附近金屬受到的流動阻力最大，導致此處晶格畸變嚴重，組織密集，加工硬化明顯，硬度較高;齒根附近變形比較復雜，一部分金屬在打輪頂端的壓力下，晶?？焖倮L留在齒槽最低端，一部分金屬沿打輪頂端外輪廓向上流動，形成齒根，因此，齒根附近的硬度也較高。實驗還得出由齒頂中點沿徑向方向硬度分布情況，基本規(guī)律為由齒頂中點向徑向延伸，硬度逐漸降低，直到基本平穩(wěn)，最后降低到母材自身硬度，由圖4看出，齒頂中點硬度為850 HV，隨著距離增加，硬度越來越低，在距離齒頂10 mm處，硬度保持在母材硬度，為810 HV.

3.3 金相觀察及結(jié)果分析

用Zeiss Imager.Alm金相顯微鏡對試樣3進行端面金相組織觀察，分別在齒頂、齒中、齒底三個位置放大500倍。

圖5 齒頂金相組織(放大500倍)Fig.5 The microstructure of addendum(×500)

圖6 齒中金相組織(放大500倍)Fig.6 The microstructure of middle spline(×500)

圖7 齒根金相組織(放大500倍)Fig.7 The microstructure of dedendum(×500)

軸坯在發(fā)生塑性變形時，不僅外形尺寸發(fā)生變化，同時其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)以及各種性能也發(fā)生改變。冷敲工藝是一種間歇受力快速成形的一種塑性加工工藝，為了研究在冷敲過程中金屬的流動規(guī)律，分別對齒頂、齒中和齒底位置進行了放大拍攝，如圖5-圖7。由圖能看到在塑性變形的過程中，等軸晶粒的形狀發(fā)生相應的改變，其顯微組織則發(fā)生明顯改變，在冷敲過程中隨著變形量的增加，原有的等軸晶粒逐步被拉長，當變形量到達一定程度后，晶界變得模糊不清，各晶粒難以區(qū)分，形成條狀的纖維組織。冷敲過程中的金屬流動遵循最小阻力定律，齒頂金屬流動受的阻力較小，形成的組織較粗大，由圖可知，齒頂位置的金屬被壓碎，混為一體，已經(jīng)分辨不出單個晶粒，在外力作用下，金屬沿打輪輪廓形成齒頂。齒中位置變形抗力較大，晶粒被細化，形成較細且均勻的流體狀纖維組織，整體向上成散射狀。齒根位置變形比較復雜，金屬只能向下和兩側(cè)流動，纖維組織較細且相互交錯。通過對金相組織的觀察在發(fā)現(xiàn)金屬流動規(guī)律的同時也驗證了鍵齒的硬度分布規(guī)律。

總之，在冷敲過程中，軸坯在打輪的作用下，外形發(fā)生變化，形成齒形，內(nèi)部組織也發(fā)生劇烈變化，等軸晶粒被打碎拉長，形成纖維組織［10］，由于打輪表面精度較高且轉(zhuǎn)速極快，在此情形下，使得冷敲加工的鍵齒表面有著很高的精度，達到了磨削精度。同時，由于位錯的交割塞積導致加工硬化現(xiàn)象，變形抗力增大，表面硬度得以提高，力學性能得到極大改善，由于冷敲是一種無削加工，不破壞金屬組織流線，使其綜合機械性能較好。

［1］余志娟.機械加工表面質(zhì)量及影響因素探析［J］.裝備制造技術(shù)，2009(6):155-157.

［2］崔鳳奎.高速冷滾打成形技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.河南理工大學學報，2012，31(2):191-196.

［3］ZHANG DA-WEI，LI YONG-TANG，F(xiàn)U JIAN-HUA.Rolling Force and Rolling Moment in Spline Cold Rolling Using Slip-line Field Method［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2009，22(5):688-695.

［4］廣州拖拉機制造廠.冷打花鍵軸［J］.拖拉機，1974(3):54-58.

［5］俞漢青，陳金德.金屬成型原理［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［6］SILVA M B，SKJOEDT M，ATKINS A G，et al.Single point in-cremental forming＆formability failure diagrams［J］.Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2008，43(1):15-36.

［7］BOMAN R，PAPELEUX L，BUI Q V，et al.Ponthot.Application of the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation to the numerical simulation of cold roll forming process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，177(1-3):621-625.

［8］崔鳳奎.花鍵冷滾打和洗削加工的金屬組織變形研究［J］.鍛壓技術(shù)，2008(4):71-72.

［9］甘曉川，張瑜.表面粗糙度參數(shù)Rz、Rmax、Rt、R3z、RPc等的測量［J］.中國計量，2008(9):75-76.

［10］趙品.材料科學基礎(chǔ)教程［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007.

Research on Forming Quality of Large Module Spline by Cold Rolling

XIANG Jian，LIU Zhi-qi，LI Yong-tang，SONG Jian-li
(1.School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi Key Laboratory of Metallic Materials Forming Theory and Technology，Taiyuan 030024，China)

According to the characteristics of cold rolling，the research on surface quality about spline was done by measuring surface roughness and hardness of spline，and a study was made on the cold rolling's internal organization characteristics by observing microscopic metallographic organization.The experimental results showed that the surface forming quality of cold rolling spline is better，and the roughness has reached the level 7～8.Work hardening occurred on the spline during the process of cold rolling.The grain was broken and elongated，which translated into fluid shape fiber distributing along the spline shape.The strength and hardness were improved.Cold rolling processing technology has the advantage of producing the spline shaft with high comprehensive performance.

spline，roughness，hardness，microstructure

TG386

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.004

1673-2057(2015)03-0180-04

2015-01-20

國家自然基金資助項目(51275331);高等學校博士學科點專項科研基金(20131415110001);山西省科技重大專項(20111101034);山西省自然科學基金(2013011022-1)

項艦(1986-)，男，碩士研究生，主要研究方向為材料成型。