0 引 言  

    金屬材料的破壞往往從表面開(kāi)始。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在大力研究和應(yīng)用各種提高零件表面性能的新技術(shù)、新工藝。表面強(qiáng)化作為表面工程學(xué)的一項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)于改善材料的表面性能，提高零件表面的耐磨性，抗疲勞性，延長(zhǎng)其使用壽命等具有重要意義。在表面強(qiáng)化技術(shù)中，作為機(jī)械方式的強(qiáng)化方法，現(xiàn)在主要采用滾壓和噴丸兩種方式。但是，上述滾壓或噴丸方法的應(yīng)用在技術(shù)上也受到一定的限制。如滾壓技術(shù)一般只適用于回轉(zhuǎn)體類零件。而且由于加壓為靜載荷形式，為達(dá)到一定量的滾壓變形所需的壓力較大。而噴丸技術(shù)通常用于表面質(zhì)量要求不太高的零件。  

    在分析研究現(xiàn)有技術(shù)以及零件表面強(qiáng)化要求的基礎(chǔ)上，我們研究開(kāi)發(fā)了一種新的稱之為‘沖擊滾壓’的表面強(qiáng)化技術(shù)并進(jìn)行了工藝性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該項(xiàng)技術(shù)能明顯改善零件的表面性能。零件表面的硬度得到提高，表面的粗糙度也明顯下降。與一般滾壓方法相比較，由于該項(xiàng)技術(shù)中在滾壓的同時(shí)還引入了沖擊源，能對(duì)零件的表面產(chǎn)生動(dòng)壓作用。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用沖擊滾壓方法能使零件表面容易獲得較大的塑性變形。在滿足一定的變形量的要求下，沖擊滾壓方法比一般滾壓方法所需施加的壓力小得多。另外，該項(xiàng)技術(shù)還能對(duì)一些不便采用一般滾壓方法的零件形面進(jìn)行強(qiáng)化處理。沖擊滾壓技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)為零件表面強(qiáng)化技術(shù)探索了一條新的途徑。  

    1 沖擊滾壓工作原理  

    大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工業(yè)應(yīng)用表明，對(duì)金屬零件表層材料的局部加壓使其表層產(chǎn)生塑性變形，能改善表層晶粒組織，產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，使表層材料存在殘余壓應(yīng)力等作用。這對(duì)于提高零件的耐磨性以及抗疲勞強(qiáng)度等具有明顯效果。目前常用的滾壓和噴丸兩種表面強(qiáng)化方法正是應(yīng)用了這一原理。  

    我們研究開(kāi)發(fā)的沖擊滾壓技術(shù)是在一般的滾壓方法基礎(chǔ)上增加了一個(gè)沖擊源，使被強(qiáng)化的零件表層材料不僅受到靜壓力的作用還同時(shí)受到?jīng)_擊源引起的動(dòng)壓力的作用。這使得材料表面的變形更加容易，零件表面強(qiáng)化更容易實(shí)現(xiàn)。  

    以我們研制的高強(qiáng)度螺栓圓角沖擊滾壓裝置為例。沖擊滾壓裝置主要由主軸，壓頭，夾具，傳感器及控制系統(tǒng)等組成。啟動(dòng)沖擊滾壓裝置后，一方面通過(guò)鋼球?qū)�工件表面施加靜壓力，同時(shí)由沖擊源引起鋼球?qū)�工件表面施加一個(gè)較高頻率的動(dòng)壓力。在上述動(dòng)壓和靜壓力的復(fù)合作用下完成對(duì)零件的表面強(qiáng)化——沖擊滾壓。沖擊滾壓裝置僅比一般的滾壓裝置增加了一個(gè)沖擊部分。若取消這一沖擊源，該裝置就變成了一套常用的普通的滾壓裝置。正是有了這一沖擊源的存在使沖擊滾壓方法在零件的表面強(qiáng)化方面體現(xiàn)出諸多特點(diǎn)。  

    2 沖擊滾壓技術(shù)特點(diǎn)  

    根據(jù)我們進(jìn)行的各種工藝試驗(yàn)表明，沖擊滾壓技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)：  

    2.1 沖擊滾壓所需壓力較小  

    試驗(yàn)結(jié)果表明：為了使零件表面產(chǎn)生一定的塑性變形量，沖擊滾壓時(shí)比一般滾壓所需施加的壓力小得多。例如，對(duì)材料為中硬度的碳鋼和較高硬度的高溫合金的高強(qiáng)度螺栓圓角進(jìn)行的沖擊滾壓和一般滾壓對(duì)比試驗(yàn)表明，當(dāng)圓角部位的變形量相同時(shí)，沖擊滾壓時(shí)所需的壓力僅為一般滾壓時(shí)的10%—17%。這顯然是由于沖擊載荷使材料表面易于變形所致。由于所需的壓力較小，使這種技術(shù)可以在較小的設(shè)備上進(jìn)行。另一方面，也使一些受設(shè)備限制而不便處理的較大零件的表面強(qiáng)化處理獲得一種新的途徑。  

    2.2 易于使材料表面產(chǎn)生較大的塑性變形  

    對(duì)比試驗(yàn)表明：沖擊滾壓比一般滾壓更容易使零件表面產(chǎn)生較大的塑性變形。對(duì)于某些滾壓前表面加工質(zhì)量不高的零件，必需在滾壓時(shí)產(chǎn)生較大地變形量才能滿足表面質(zhì)量的要求。對(duì)于這類情況，采用一般滾壓方法往往由于表面被反復(fù)碾壓形成加工硬化層，即使采用很大的壓力有時(shí)也無(wú)法消除上道工序在表面留下的加工痕跡。對(duì)于某些硬度較高的零件，這種問(wèn)題尤為突出。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用沖擊滾壓方法，即便是對(duì)于硬度較高的零件也能使材料表面產(chǎn)生較大的塑性變形，消除表面缺陷。我們對(duì)材料硬度達(dá)到HRC48—52的高溫合金，圓角尺寸為R=1.6mm，圓角滾壓前工序?yàn)檐囅鞯母邚?qiáng)度螺栓圓角進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)；當(dāng)圓角車削的質(zhì)量較好時(shí)，采用一般滾壓方法就可以獲得滿意的滾壓效果。但是在圓角部位有意加工出較明顯的刀痕時(shí)，由于采用一般滾壓方法很難使材料產(chǎn)生較大的塑性變形，即使施加了比正常情況下高出幾倍的壓力，達(dá)3000N甚至更高，也未能消除車削留下的刀痕。而采用沖擊滾壓只施加了350N的壓力就使圓角部位產(chǎn)生了足夠大的塑性變形，完全削除了車削留下的刀痕，獲得了滿意的表面質(zhì)量。沖擊滾壓易于使零件表面產(chǎn)生較大的塑性變形，這就可以使?jié)L壓前的表面質(zhì)量要求降低，減小了加工難度。  

    2.3 沖擊滾壓后零件的表面質(zhì)量較好  

    為提高零件疲勞強(qiáng)度等目的的表面強(qiáng)化工藝，通常對(duì)表面質(zhì)量要求都比較高。試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊滾壓后零件的表面質(zhì)量良好，表面粗糙度較小。表面質(zhì)量不低于一般滾壓的效果，其表面粗糙度Ra值小于0.2μm。能滿足一般零件的要求。  

    2.4 沖擊滾壓適用于處理多種零件形面  
    現(xiàn)在常用的一般滾壓方法通常只適用于滾壓回轉(zhuǎn)體類零件。我們用沖擊滾壓方法對(duì)平面和曲面進(jìn)行了試驗(yàn)，這種方法同樣有效。由于沖擊滾壓同時(shí)具有滾壓和噴丸方法的技術(shù)特點(diǎn)，只要正確處理好沖擊滾壓工具，控制好工件與工具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及沖擊力，滾壓力等工藝參數(shù)，就能對(duì)平面和曲面等進(jìn)行處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，零件的表面粗糙度，硬度都得到一定程度的改善。這對(duì)某些不便采用一般滾壓方法的零件形面提供了一種有效的表面強(qiáng)化方法，并能獲得較好的表面質(zhì)量。  

    2.5 沖擊滾壓技術(shù)簡(jiǎn)單易行  

    根據(jù)上述分析可見(jiàn)，沖擊滾壓技術(shù)并不復(fù)雜。沖擊滾壓裝置也僅比一般的滾壓裝置增加了一個(gè)用于引起沖擊載荷的沖擊源。屬于一項(xiàng)簡(jiǎn)單易行且效果良好的表面強(qiáng)化技術(shù)。  

    3 應(yīng)用前景分析  

    零件表面強(qiáng)化作為新興的表面工程學(xué)中一項(xiàng)重要技術(shù)，通過(guò)表面質(zhì)量的改善，僅花費(fèi)很少的費(fèi)用，就能大幅度地，甚至成倍地提高零件的工作壽命，節(jié)約資源，提高生產(chǎn)率。因此越來(lái)越受到制造業(yè)的普遍重視。沖擊滾壓作為一種新開(kāi)發(fā)的技術(shù)對(duì)于表面強(qiáng)化中提高零件表面質(zhì)量，減小滾壓過(guò)程的壓力，能使材料表面產(chǎn)生較大的變形，能適應(yīng)各種不同零件形面的強(qiáng)化以及技術(shù)和裝備上簡(jiǎn)單易行等方面已經(jīng)顯示出許多優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。  

    一方面，沖擊滾壓可以作為解決一般滾壓方法中許多技術(shù)難點(diǎn)的重要手段。利用沖擊滾壓具有的易于使零件表面產(chǎn)生較大的變形，所需施加的壓力小，適用于較高硬度的材料等特點(diǎn)，與已比較成熟的滾壓技術(shù)的結(jié)合可以解決許多已往不好處理的技術(shù)難題，擴(kuò)展?jié)L壓技術(shù)的應(yīng)用范圍。  

    以我們?yōu)槎嗉绎w機(jī)制造企業(yè)研制的高強(qiáng)度螺栓圓角冷滾壓圓角設(shè)備為例。航空工業(yè)所用螺栓材料的強(qiáng)度一般都很高，硬度相應(yīng)也比較高(某型飛機(jī)的高強(qiáng)度螺栓硬度達(dá)到HRC48-52)。由于這類高強(qiáng)度，高硬度的零件抗塑性變形能力強(qiáng)，進(jìn)行滾壓比較困難。特別是對(duì)于零件尺寸較大或滾壓前零件加工的公差比較大以及表面質(zhì)量不太高等情況下，必需在滾壓過(guò)程中產(chǎn)生較大的塑性變形才能滿足零件對(duì)形狀，尺寸和表面質(zhì)量的要求。這就增加了滾壓的難度。在實(shí)際生產(chǎn)中就只好對(duì)零件的尺寸及有關(guān)工序加以許多限制。如只允許滾壓較小尺寸的零件，而且對(duì)滾壓前零件的形狀和尺寸公差以及表面粗糙度都提出了很高的要求。否則，就很容易出現(xiàn)因滾壓質(zhì)量達(dá)不到要求而導(dǎo)致零件報(bào)廢。采用沖擊滾壓能較好地解決上述問(wèn)題。我們對(duì)前面提到的硬度達(dá)HRC48—52的高強(qiáng)度螺栓圓角滾壓進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)表明，沖擊滾壓效果明顯優(yōu)于一般滾壓。即使是對(duì)于那些表面有較大加工缺陷的零件，通過(guò)沖擊滾壓只需施加比一般滾壓小得多的壓力也能使其產(chǎn)生足夠的塑性變形，從而消除加工痕跡獲得良好的表面質(zhì)量。若能將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于上述螺栓圓角冷滾壓圓角設(shè)備，必將大大改善該設(shè)備的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)，零件滾壓前的加工要求可以降低，這對(duì)于降低費(fèi)用，提高生產(chǎn)率等都大有好處。
    另一方面，沖擊滾壓還可以用于對(duì)平面和曲面等零件形面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。這為目前不便處理的某些零件形面提供了一種有效的表面強(qiáng)化新手段。從某種意義上說(shuō)，這是開(kāi)發(fā)該項(xiàng)技術(shù)更重要的一面。值得作進(jìn)一步的研究。  

    沖擊滾壓技術(shù)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，而且在技術(shù)上和設(shè)備方面都易于推廣使用。將具有良好的應(yīng)用前景。  

    4 結(jié) 語(yǔ)  

    研究和試驗(yàn)表明，沖擊滾壓技術(shù)具有加工過(guò)程中所需壓力較小，易于使材料表面產(chǎn)生較大的塑性變形，沖擊滾壓后零件的表面質(zhì)量良好，可用于處理平面和曲面以及技術(shù)和設(shè)備上簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)。較好地解決了高強(qiáng)度，高硬度螺栓圓角的滾壓等技術(shù)難題。是一項(xiàng)具有良好應(yīng)用前景的表面強(qiáng)化實(shí)用技術(shù)。 

參考文獻(xiàn)： 
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The Research and Development of the Shock and Rolling Technology 

WANG Zi-qin,YU Shu-fan,GUAN Qi-ming 

(Deparment of Mechanical Engineering GUT,Guiyang 550003,China) 

Abstract：A new method of shock and rolling is introduced for surface-strengthening of machine part.The technology and its potential applications are described in detail.