作者：蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校 穆璽清
s?+fPOF N 4 +g(" 摘要：分析了用硬質(zhì)合金車刀進(jìn)行冷擠壓光整加工的工作原理及擠壓表面強(qiáng)化機(jī)理，并給出了合理的擠壓工藝參數(shù)。
KE#$+,? :5<#X 8>d 1 引言
@:IL/o* H\f/n`@,G 油缸、氣缸、活塞、活塞桿等需要緊密配合的大型軸套類零件對尺寸精度及表面粗糙度的要求較高，并要求工作表面具有殘余壓應(yīng)力。此類零件的精加工通常采用磨削+噴丸處理工藝，但加工效率低，加工成本高，且對直徑及長度尺寸較大的內(nèi)圓表面的磨削加工相當(dāng)困難。為解決這一加工難題，本文提出一種使用改型硬質(zhì)合金車刀對工件表面進(jìn)行冷擠壓光整加工的方法。
H CuK &$Ci}{{n# 2 硬質(zhì)合金擠壓刀
.hgH 9$\ omT(3)TP 擠壓刀用90 硬質(zhì)合金車刀磨制而成，其外形尺寸如圖1所示。要求刀具具有較高尺寸精度，且擠壓工作部分表面粗糙度Ra<0.4µm。
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PuU*vs3 圖1 硬質(zhì)合金擠壓刀
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EV`dI k 3 冷擠壓工作原理
U~hCn+0 #\0TxG5'QA 冷擠壓工作原理如圖2所示。將擠壓刀裝夾在普通車床的刀架或刀桿上，工件裝夾在三爪卡盤上。通過縱向進(jìn)給對工件表面施加一定擠壓力，可使表層金屬產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形；再通過橫向走刀和工件的旋轉(zhuǎn)，迫使工件車削后殘留的刀痕波峰在自變形的同時將凸起材料擠向前方的波谷內(nèi)，從而降低刀痕波峰與波谷的高度差，達(dá)到降低表面粗糙度的目的。在擠壓過程中，工件表層將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，可提高其疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力。
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k) Zn> 圖2 擠壓過程示意圖
@Z"?^2 Bf+^O)Ns^ 用擠壓刀進(jìn)行冷擠壓加工是一種無屑加工，它可替代磨削和噴丸處理兩道工序，顯著提高加工效率。采用傳統(tǒng)工藝加工需耗時1小時的工件，用冷擠壓加工僅需10分鐘。
"p`o]$Wv Djyp3uUA/ 4 擠壓表面強(qiáng)化機(jī)理
m"q/,}DR |thad!? 擠壓刀擠壓工件表面時，內(nèi)孔壁和外圓壁處金屬材料的晶粒及分布在晶粒邊緣上的雜質(zhì)被拉長呈纖維狀，使外圍彈性區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而外圍彈性區(qū)的彈性恢復(fù)作用又使孔壁附近材料(纖維組織)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這一殘余壓應(yīng)力對疲勞裂紋的產(chǎn)生具有一定抑制作用，并可使已存在的微觀裂紋處于閉合狀態(tài)，從而使裂紋張開時的應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值Kmax減小，裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力降低。同時，這一負(fù)殘余應(yīng)力與外加應(yīng)力疊加后，可使金屬表層一定區(qū)域內(nèi)的實(shí)際拉應(yīng)力水平降低，從而顯著提高其疲勞強(qiáng)度(圖3為擠壓強(qiáng)化提高疲勞強(qiáng)度極限示意圖)。此外，晶粒的碎化可增加一定體積晶體內(nèi)的晶粒數(shù)目，即在相同變形條件下變形量被分散到更多晶粒內(nèi)，使各晶粒的變形更為均勻而不至于產(chǎn)生過分形變集中微區(qū)。由于形變集中微區(qū)的塑性應(yīng)變量遠(yuǎn)大于平均應(yīng)變量，所以形變集中微區(qū)的存在為材料的屈服創(chuàng)造了有利條件，而反復(fù)產(chǎn)生的正反向交變塑性變形是形成疲勞裂紋的必要條件，其結(jié)果是其中少數(shù)形變集中微區(qū)內(nèi)將萌生疲勞初裂紋核。
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h%/ssB 圖3 擠壓強(qiáng)化提高疲勞強(qiáng)度示意圖
-2z,cj&E{ n' B mz 綜上所述，擠壓壁附近材料的晶粒被拉長而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力以及晶粒碎化使變形更為均勻是用擠壓刀進(jìn)行擠壓強(qiáng)化可提高工件材料疲勞壽命的內(nèi)在機(jī)理。
}oV3EIH !2wETs? 5 擠壓工藝參數(shù)的選取
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H =}"R5 擠壓余量的大小決定了所需擠壓力的大小，而擠壓力的大小又直接影響擠壓效果。如擠壓余量過大，擠壓刀會迅速磨損，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量下降；如擠壓余量過小，則達(dá)不到預(yù)期加工目的。因此，應(yīng)在保證擠壓精度的前提下盡量選擇最小擠壓余量。通常擠壓碳鋼、合金鋼材料時可選取擠壓余量0.025～0.04mm；擠壓鑄鐵時選取0.03～0.05mm。當(dāng)工件材質(zhì)較軟時(如有色金屬)可選取較大擠壓余量；工件尺寸較小時應(yīng)選取較小擠壓余量，以防止整體變形。由于擠壓余量要受到擠壓表面硬度、擠壓前工件表面粗糙度、工件壁厚等因素的影響，因此加工前最好進(jìn)行試擠壓，以確定最佳擠壓參數(shù)。
E"ZEo9y@^ Jtext%"eNg 較高的擠壓光整速度可使擠壓刀與工件表面接觸區(qū)溫度升高，工件表面屈服強(qiáng)度降低，使工件易于變形和壓低表面波峰填平波谷，從而改善工件表面粗糙度。但如擠光速度過高，則會破壞潤滑油膜，容易引起工件表面燒傷或劃傷。因此，存在一個最佳擠光速度(可通過試驗(yàn)獲得)。加工黑色金屬時，擠光速度可在0.5～1m/ s 之間選取，走刀量可在0.01～0.03mm/r之間選取，加工外圓時取較大值，加工內(nèi)孔時選取較小值。
s v6INe : YI/{TL8*KK 擠壓加工中應(yīng)注意以下問題：
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EXz 擠壓工作部位應(yīng)為擠壓刀刃上3～5mm 的直線段，并應(yīng)使擠壓刀刃部略比中心高出1mm左右。
h^`{ . TlN (%Ng'~J\| 擠壓時應(yīng)根據(jù)工件表面產(chǎn)生的各種現(xiàn)象適當(dāng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。如工件表面產(chǎn)生麻點(diǎn)或擦傷，表明擠壓刀刃部表面粗糙，擠光速度過快；工件表面產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象則表明擠壓量過大、重復(fù)擠壓或工件材料塑性較差。
e7h\(`J0lj w}"!l G 擠壓加工過程中的潤滑冷卻十分重要。擠壓前工件表面不允許存在銹斑、油污、鐵屑、灰塵等，擠壓過程中應(yīng)注入充分的潤滑冷卻液，以及時帶走擠壓中產(chǎn)生的熱量，延長擠壓刀使用壽命。通常擠壓鑄鐵時可采用油酸+煤油混合液；擠壓碳鋼、合金鋼時可采用機(jī)油作為冷卻潤滑劑。
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XJ` 6 結(jié)語
+&(J n a4 : `2 擠壓試驗(yàn)和加工實(shí)踐表明，使用硬質(zhì)合金車刀對軸套類工件表面進(jìn)行冷擠壓光整加工具有質(zhì)量可靠、操作簡便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、工效高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。擠壓前表面粗糙度為Ra3.2～1.6µm 的工件經(jīng)擠壓后表面粗糙度為Ra0.8～0.2µm，改善幅度可達(dá)70%～90%；通過擠壓加工還可縮小工件直徑的尺寸公差；擠壓后工件的擠光硬化層達(dá)3mm，可大大提高工件的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力。
^z38<L=z" sN;(/O 若將擠壓刀裝夾在立式車床上，可對超出磨床加工范圍的特大型工件進(jìn)行擠壓加工。該擠壓加工方法適用范圍較廣，既可加工黑色金屬材料，又可加工有色金屬材料。
