文桂梅 李科鋒 周玉潔

（哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱，150056）

關(guān)于解決履帶板體及銷套深孔冷擠壓問題的工藝研究

文桂梅 李科鋒 周玉潔

（哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱，150056）

本文針對材料和結(jié)構(gòu)不同的工件（銷套和板體）的內(nèi)孔，用鋼球擠壓的方式進(jìn)行強(qiáng)化加工，即在鋼球上施加推動(dòng)力進(jìn)行推動(dòng)鋼球擠壓孔壁，同時(shí)驗(yàn)證了深孔冷擠壓可以改善工件的質(zhì)量。

孔加工；深孔；擠壓；銷套；板體

1 介紹

孔加工的問題是機(jī)械加工中的一個(gè)主要的問題，孔結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，其中深孔加工的問題一直是加工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其加工質(zhì)量直接關(guān)系到零件的可靠性和使用壽命。利用光整強(qiáng)化技術(shù)加工內(nèi)孔，不但可以提高表面質(zhì)量，而且可以對孔壁產(chǎn)生加工硬化作用。但是，目前的孔冷擠壓加工技術(shù)大多應(yīng)用于緊固孔的強(qiáng)化，而對于工程實(shí)踐中深孔冷擠壓工藝技術(shù)則是一項(xiàng)需要探究的課題。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

冷擠壓技術(shù)起源于18世紀(jì)末，是一種金屬塑性成型技術(shù)，其中孔擠壓強(qiáng)化技術(shù)為冷擠壓技術(shù)的分支是一種抗疲勞的強(qiáng)化工藝，廣泛的應(yīng)用于航空航天、鐵路運(yùn)輸、軍事工業(yè)等機(jī)械制造行業(yè)。

3 國內(nèi)外行業(yè)對比

國內(nèi)外很多企業(yè)和高校在冷擠壓技術(shù)提高內(nèi)孔表面質(zhì)量、提高孔表面抗疲勞強(qiáng)度、提高孔零件壽命等方面進(jìn)行了大量研究。像波音公司、美國疲勞工程技術(shù)公司、洛克希德公司等均對冷擠壓技術(shù)進(jìn)行了長時(shí)間的研究，經(jīng)過冷擠壓的孔和未經(jīng)過冷擠壓孔的疲勞性能，經(jīng)對比兩種孔發(fā)現(xiàn)：與未經(jīng)擠壓加工的孔相比，經(jīng)過冷擠壓的孔的疲勞壽命提高3-10倍；通過對斷口裂紋深度和長度兩個(gè)方向的疲勞光條紋間距的測量發(fā)現(xiàn)：裂紋長度方向的疲勞光條紋間距減小，這說明殘余應(yīng)力對裂紋的生長有阻止作用。

國內(nèi)同樣對孔冷擠壓技術(shù)進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為鋼球冷滾擠壓內(nèi)孔的工藝在提高表面粗糙度的同時(shí)提高了表面耐腐蝕性能、修正內(nèi)孔圓度和錐度，并提出諸如擠壓鋼球直徑、材料壁厚、過盈量、擠壓速度以及潤滑劑等要求。針對孔進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)研究，得出鋼球擠壓加工后表面的粗糙度大幅度提升，可以用來代替效率較低的珩磨工序。

4 協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)與方案

履帶板分為兩種形式：雙銷耳、銷套組裝、單板體式和鍛造雙板體式，單板體的銷套和雙板體的板體內(nèi)孔（φ38mm），如圖1、圖2所示，用來裝配掛膠履帶銷耳，而履帶銷耳將相鄰履帶板通過端聯(lián)器連接固定，履帶板板體及銷套均為履帶的重要組成部分，在加工制造中對兩者的要求偏高，在加工中涉及到孔加工的問題，尤其是深孔加工的問題，不但要求較高的尺寸精度，良好的表面質(zhì)量（主要體現(xiàn)為較小的表面粗糙度值），還對孔表面的硬度和零件的使用壽命有所要求。

圖1 銷套示意圖

在實(shí)際工程加工中，依據(jù)工件的材料及其硬度、韌性、導(dǎo)電性及化學(xué)性能等特性特點(diǎn)，提高加工效率，降低加工成本，比較各種光整加工方法，選擇合適的加工方法對工件進(jìn)行加工。在多種孔表面光整加工方法中，孔冷擠壓技術(shù)是提高零部件孔表面疲勞強(qiáng)度的有效的塑性變形強(qiáng)化方法之一，目前廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。

4.1 孔冷擠壓的作用

孔的冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)是針對內(nèi)孔光整加工常用傳統(tǒng)技術(shù)的一種，在提高表面粗糙度的同時(shí)在表面形成加工硬化、提高零件疲勞強(qiáng)度，是一種塑變強(qiáng)化方法。在常溫條件下，將工作環(huán)直徑大于孔直徑的工具從潤滑過的孔中擠壓通過，孔壁在一定的范圍內(nèi)的金屬產(chǎn)生塑性變形，孔壁附近塑性變形區(qū)域外彈性變形產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，在強(qiáng)化孔附近區(qū)域的同時(shí)提高表面質(zhì)量，在此過程中孔壁壁厚發(fā)生變化的同時(shí)金屬微觀組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變。

圖2 板體示意圖

4.2 孔冷擠壓的分類

其分類包括：滾壓拋光處理、孔口端面壓印、芯棒擠壓、帶襯套擠壓、強(qiáng)力襯套壓合、鋼球擠壓技術(shù)。

4.3 孔擠壓加工過程中主要因素

4.3.1 擠壓量

擠壓量，即擠壓工具工作部位的直徑與孔擠壓加工前的內(nèi)徑只差，作為擠壓強(qiáng)化工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，對孔的擠壓過程有著決定性的影響。當(dāng)擠壓量過小時(shí)，孔周不能形成適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力層，無法起到理想的孔表面強(qiáng)化效果；當(dāng)擠壓量過大時(shí)，又會(huì)引起諸多的問題，如孔軸線方向金屬流動(dòng)量增加，使擠壓出口處有明顯凸起；擠壓工具對孔壁的切割作用明顯，擠壓時(shí)孔壁處容易產(chǎn)微裂紋，這樣會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低。

孔的最佳擠壓量大小主要取決于試件材料的機(jī)械性能、孔邊距（壁厚）、孔徑、孔深等，合理的擠壓量要通過多次試驗(yàn)來確定，最終得出優(yōu)化值。

4.3.2 摩擦系數(shù)

圖3 內(nèi)孔經(jīng)過鏜削加工的工件

圖4 工件銑圓角

圖5 銑削后的工件

在塑性加工中凡是存在相對運(yùn)動(dòng)的接觸表面，都存在著摩擦，由此引起變形力和變形功的增大，加劇工件的磨損，降低使用壽命，引起坯料變形的不均勻，降低材料的工藝塑性。

4.3.3 擠壓速度

孔擠壓工藝中，要求擠壓工具連續(xù)、均勻地?cái)D入孔中，使孔壁得到充分變形，不允許在擠壓過程中有停頓、間歇避免發(fā)生沖擊載荷，直至擠壓工具通過孔位置。速度不能過慢，容易造成襯套褶皺，甚至出現(xiàn)卡棒現(xiàn)象。快速擠壓可減少孔壁回彈和“翻邊”，但擠壓速度過快時(shí)，會(huì)造成塑性變型的不充分、晶格組織的不穩(wěn)定。因此，擠壓速度要根據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐確

5 創(chuàng)新點(diǎn)

孔冷擠壓加工中的工藝參數(shù)對工件的表面粗糙度、表層強(qiáng)化、生產(chǎn)效率等都有影響，為使擠壓后的工件有良好的質(zhì)量，需要進(jìn)行具體分析。通常冷擠壓工藝參數(shù)主要有擠壓量、擠壓壓力、進(jìn)給量、擠壓速度、擠壓次數(shù)以及擠壓時(shí)產(chǎn)生的摩擦力等。

5.1 擠壓試驗(yàn)

在擠壓加工之前要經(jīng)過一道鏜削深孔的工序，將待加工表面的尺寸加工到合適的范圍再進(jìn)行內(nèi)孔擠壓。由于鏜削深孔過程中出現(xiàn)的震動(dòng)等問題會(huì)影響表面質(zhì)量，將鏜削加工后的零件分為a、b兩個(gè)等級，其中a類的表面質(zhì)量優(yōu)于b類質(zhì)量。鏜削過內(nèi)孔表面的工件如圖3所示。

因鋼球直徑大于孔徑，為避免在擠入端產(chǎn)生裂紋，破壞板體，因此在擠入前對擠入端銑削一個(gè)半徑為2mm的圓角，避免上述情況的發(fā)生。圖4為銑削圓角的加工圖，圖5為銑削后的工件。在銑削圓角之后，使用特定夾具將工件定位，經(jīng)潤滑處理后進(jìn)行加工，夾具如圖6所示。

圖6 擠壓時(shí)使用的夾具

圖7 量程100T的油壓機(jī)

油壓機(jī)(液壓機(jī)的一種)是一種通過專用液壓油做為工作介質(zhì)，通過液壓泵作為動(dòng)力源，靠泵的作用力使液壓油通過液壓管路進(jìn)入油缸/活塞 ，然后油缸/活塞里有幾組互相配合的密封件，不同位置的密封都是不同的，但都起到密封的作用，使液壓油不能泄露。最后通過單向閥使液壓油在油箱循環(huán)使油缸/活塞循環(huán)做功從而完成一定機(jī)械動(dòng)作，并以此作為生產(chǎn)力的一種機(jī)械。

加工主要設(shè)備為量程100T的油壓機(jī)，此設(shè)備經(jīng)過改造，如圖7所示。

擠壓實(shí)驗(yàn)的過程如圖8所示。首先零件定位裝夾，將鋼球放置在孔上，用潤滑油進(jìn)行潤滑，將壓桿置于鋼球上，施加壓力進(jìn)行擠壓。夾具底座有通孔，擠壓鋼球可以沿孔掉落。

5.2 試驗(yàn)分析

將銷套和板體加工后測得的各8組內(nèi)孔直徑數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果相對比，如圖9所示。

從圖9中可以看出擠壓后內(nèi)孔直徑的仿真結(jié)果大于實(shí)際內(nèi)孔直徑的尺寸結(jié)果，但是變化趨勢相同。

銷套和板體上加工出內(nèi)孔為38mm的深孔，在絕對擠壓量在0.53-0.79%附近，推進(jìn)力400-500N，摩擦系數(shù)0.1-0.15時(shí)有比較好的加工效果。

5.3 擠壓后孔的質(zhì)量測定

1）表面粗糙度

表面粗糙度時(shí)評價(jià)表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響零件的摩擦磨損、穩(wěn)定性和使用壽命。擠壓加工后，為驗(yàn)證孔冷擠壓實(shí)驗(yàn)對工件表面質(zhì)量的影響，需對表面粗糙度進(jìn)行檢測，本文展開了如下的試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)照片如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)采用對比的方法，破壞未經(jīng)擠壓和孔擠壓后的工件，沿直線方向測量表面的粗糙度值，兩者對比，總結(jié)規(guī)律。

為對比兩種工件擠壓前后對表面質(zhì)量的影響，求取各組測量結(jié)果的平均值，孔冷擠壓后的表面粗糙度值比加工前內(nèi)孔表面的粗糙值小，說明擠壓加工明顯提升了內(nèi)孔表面光潔程度：銷套內(nèi)孔擠壓后粗糙度改善倍率約為1.626倍，板體內(nèi)孔擠壓后粗糙度改善倍率約為2.579倍。此外，內(nèi)孔表面的粗糙度值比銷套表面的粗糙度值小，銷套內(nèi)孔深380mm，板體內(nèi)孔深200mm，可以推測孔的加工深度對表面粗糙度也有很大影響。

將4組數(shù)據(jù)做折線圖，分析各組粗糙度變化規(guī)律，如圖11所示。

圖8 內(nèi)孔擠壓加工

圖9 擠壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對比圖

根據(jù)圖11中各個(gè)曲線的分布情況可以看出，在每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，從擠壓端開始沿軸線方向，工件表面的粗糙度值先減小后上升，擠入端和擠出端的粗糙度值大于中間部位的粗糙度值。

2）材料的維氏硬度測量

由圖12可得出以下結(jié)論：（1）測量擠壓前后內(nèi)孔表面的粗糙度值，實(shí)驗(yàn)表明，工件內(nèi)孔擠入端和擠出端的粗糙度高于中部位置的粗糙度，銷套內(nèi)孔擠壓后粗糙度改善倍率約為1.626倍，板體內(nèi)孔擠壓后粗糙度改善倍率約為2.579倍，表面質(zhì)量明顯提高；（2）通過對擠壓前后試樣表面硬度的測量，擠壓提高了孔表面硬度，證明了加工硬化層的存在。

6 應(yīng)用和推廣情況

通過對板體及銷套（銷套和板體）內(nèi)孔冷擠壓工藝的探究，可以推廣到針對材料和結(jié)構(gòu)不同的工件的內(nèi)孔，用鋼球擠壓的方式進(jìn)行強(qiáng)化加工，即在鋼球上施加推動(dòng)力進(jìn)行推動(dòng)鋼球擠壓孔壁。隨著相對擠壓量的增大，孔徑尺寸之間變小；隨著摩擦系數(shù)的增大和對鋼球推動(dòng)力的增加，擠壓后孔徑增大，從而提高零件的使用壽命。

圖10 內(nèi)孔表面粗糙度測量的照片

圖11 4組表面粗糙度分布情況

圖12 試樣徑向方向硬度值分布情況

7 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

實(shí)際工程實(shí)踐中對于關(guān)鍵的零部件要求較高的尺寸精度，良好的表面質(zhì)量（主要體現(xiàn)為較小的表面粗糙度值），還對表面的硬度和零件的使用壽命有所要求。深孔冷擠壓工藝技術(shù)，可以提高工件孔的質(zhì)量,強(qiáng)化改善了擠壓接觸面附近材料的缺陷,擠壓作用下表面形成了加工硬化層，是一種經(jīng)濟(jì)可行易操作的工藝手段。

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文桂梅（1967-），女，研究員級高級工程師，從事機(jī)加工藝設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)。