高速冷滚打成形花键表面加工硬化试验.pdf

第42卷第3期V01．42 No．3锻 层技 #FORGING＆STAMPING TECHNOLOGY2017年3月Mar． 2017’+、究}^』高速冷滚打成形花键表面加工硬化试验徐红玉1，刘玉会1，卜 敏2，崔凤奎1(1．河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003；2．中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471023)摘要：以渐开线花键为研究对象，进行了高速冷滚打成形工件的显微硬度和扫描电镜试验，分析了同一工艺参数下花键不同位置表层硬度随深度的变化趋势，花键的表面硬化程度和微观组织随不同工艺参数的变化规律。试验结果表明：同一工艺参数下，齿顶、分度圆和齿根的表层硬度均随着与齿面距离的增大总体趋于减小，基体硬度为238．5 HV，花键表面形成明显的加工硬化层，齿顶处表面硬度值最小，且硬化层最浅；齿根部分表面硬度略低于分度圆处的表面硬度，硬化层达到1．5 mm；成形花键的表面加工硬化程度，在同一转速下，随着进给量的增大而上升，在同一进给量下，随着转速的增大而下降。关键词：冷滚打；渐开线花键；显微硬度；微观组织；硬化程度DOI：10．13330／j．issn．1000-3940．2017．03．031中图分类号：THl61 文献标识码：A 文章编号：1000-3940【2017)03-0165-05Experiment on surface work·-hardening of spline by high speed cold roll--beatingXu Hongyul，Liu Yuhuil，Bu Min2，Cui Fengkuil(1．School of Meehatmnics En6neering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 47 1003，China；2．Luoyang Ship Material Research Institute，Luoyang 471023，China)Abstract：For the involute spline，the micmhardness and scanning electron microscope experiments of workpiece processed by high speedcold roll—beating were carried out．It WaS analyzed the variation trends of spline surface hardness in different positions with differentdepths with the same process parameter and the changes of spline surface hardening degree and microstructure with different processparameters．The experiment results show that the surface hardness of addendum，pitch and dedendum tends to reduce with the increase ofdistance from the tooth surface with different process parameters．The matrix hardness of workpiece is 238．5 HV，and the spline surfaceforms work—hardening layer．In the addendum，the hardness is the smallest，and the hardening layer is the shallowest．In the deden·dum，the hardness is lower than that of the pitch，the harden layer is up to 1．5 am．The spline surface hardening degree increases withthe increase of feed rate at the same rotation speed，and decreases with the increase of rotation speed at the saine feed rate．Key words：cold roll-heating；involute spline；miemhardness；microstructure；degree of hardening高速冷滚打成形技术是一种绿色、高精密的塑性成形方法，利用冷态金属材料的固有属性，通过高速旋转的滚打轮对工件进行断续击打，渐变塑性成形，从而形成高性能的零件。该技术具有生产效率高、加工成本低、无需金属切削等特点，同时工件表层金属组织得到改善，提高其使用性能。在冷滚打成形过程中，成形表面质量直接影响产品的使用性能，其中，加工硬化是影响成形工件表面质量收稿日期：2016—08—12；修订日期：2016一ll一28基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475146，51475366)作者简介：徐红玉(1972一)，男，博士，教授E·mail：xuhongyu@hausL edu．cn通讯作者：刘玉会(1989一)，女，硕士研究生E-mail：958330425@qq．tom的一个重要因素。加工硬化能够提高工件表面的强度、抗疲劳性、耐冲击性等，但过度的加工硬化会使工件表面出现微裂纹等缺陷。控制加工硬化程度能够提高冷滚打成形工件的表面完整性，增强其机械性能，因此，研究冷滚打花键表层硬化行为具有重要的工程应用价值。Kahn—Jetter Z L等‘1 o采用有限元法分析了渐开线花键在轴对称加载和非轴对称加载两种方式下的接触情况，得到两种模型应力集中分布状况。吕耀峰等旧。建立了连续分度冷滚打花键运动模型，揭示了范成法为渐开线花键冷滚打成形方法。李玉玺等”。应用Deform仿真软件进行了高速冷滚打成形的分析，揭示了高速冷滚打成形的应力、应变、温度、金属流动变化规律，为深入研究高速冷滚打成形奠万方数据锻 压 技 术 第42卷定了基础。马群等H1设计了改进的滚打头结构，建立了计算滚打轮在键槽截面上成形曲线的数学模型。朱文娟等怕。基于耗散理论对冷滚打成形过程中的多场强耦合机制进行了理论建模分析。张璐等№1根据单次冷滚打丝杠应力场、应变场数值模拟结果，获得了丝杠冷滚打成形过程中金属流动规律。综上所述，冷滚打技术的研究主要在动力学、运动学、滚打轮设计与制造、金属流动规律、热力耦合形成机制等方面，而有关冷滚打加工硬化行为的报道很少。加工硬化是评定表面质量的重要指标，不同的加工参数对加工硬化程度均有一定的影响，因此，研究冷滚打成形参数对表面加工硬化的影响规律具有很大的理论意义和工程应用价值。本文通过不同加工参数下的成形花键的表层显微硬度和扫描电镜试验，对冷滚打加工硬化行为和微观组织变化进行研究，分析了冷滚打成形花键表层显微硬度随层深的变化趋势，及其加工参数对加工硬化和微观组织的影响规律。1 试验方案1．1试验设备冷滚打渐开线花键的加工在瑞士Grob公司的ZRme9滚打机上进行，采用HVS一1000A型显微硬度计测量试样表层硬度，在JSM一5610LV型扫描电子显微镜(SEM)下观察花键齿试样微观组织。1．2试验材料与加工参数本文中渐开线花键的毛坯材料为20钢，其主要化学成分如表1所示，渐开线花键的模数为2．5，齿数为14，压力角为30。，齿顶高系数ha+=0．5，齿根高系数hi’=0．75。滚打轮转速为1428，1581，1806，2032和2258 r·min～，进给量为21，28，35和42 mm．min～。表1 20钢主要化学成分(％，质量分数)Table 1 Chemical compositions of 20 steel(％，瑚鹦fraction)C0．20 0．17．0．37 0．35～0．65≤0．035≤O．035≤0．30≤O．251．3试验过程采用拉出顺打的方式在滚打机上进行冷滚打渐开线花键的加工。加工出的花键如图1所示。使用线切割机床切下利用高速冷滚打加工所得到的花键的一个齿，沿齿向切下花键齿的一段，对切下的花键齿试样(图2)进行磨制和抛光处理。图1冷滚打花键Fig．1 Spline of cold roll—beating图2花键试样Fig．2 Spline sample采用显微硬度计测量试样3个部位(齿顶、分度圆和齿根)的硬度，测量方向沿表面的法线由表向里，每个部分测量20个点的维氏硬度，每个测量点之间的距离为0．1 mm，每次测量施加载荷1 N，加载时间10 S。经酒精棉对其表面进行清洁后，用4％浓度的硝酸酒精溶液对试样截面进行50 S的腐蚀处理，试样截面呈现出淡褐色，清水清洗后烘干。在扫描电子显微镜下对花键齿试样截面的齿顶、分度圆和齿根位置的表面微观组织形貌进行观察，电子加速电压为20 kV…“o。2 试验结果2．1同--32艺参数下花键不同位置显微硬度试验结果及分析同一工艺参数下花键齿顶、分度圆和齿根处沿法线方向硬度变化曲线如图3所示，该图显示了转速为1428 r·min～，进给量为42 mm·min叫时冷滚打花键表层硬度分布情况、硬化程度和硬化层深。从图3可以看出，不同工艺参数下不同位置的硬度变化趋势基本一致，每一处的硬度随着与齿面距离的增大总体趋于减小，基体硬度为238．5 HV，3处的硬度均明显有所提高，形成明显的加工硬化层。万方数据第3期 徐红玉等：高速冷滚打成形花键表面加工硬化试验 167齿顶处最大硬度达到307．8 HV，随着沿表面法向距离的增大，硬度开始明显下降，后来逐渐趋于稳定，硬化层厚度接近0．5 mm；分度圆处最大硬度达到351．6 HV，其硬度随着测量深度的加深，开始下降比较明显，中间-d,段较为平缓，而后继续下降，最后趋于稳定，硬化层深超过1．25 mm；齿根处最大硬度为339．7 HV，硬度从表层向层深方向一直下降，最后接近基体硬度，其硬化层达到了1．5 nlm。图3不同工艺参数下齿顶、分度圆和齿根处沿法线方向硬度分布曲线Fig．3 Hardness distribution curve along the normal direction ofaddendum，pitch and dedendum under different process parameters成形过程与滚打轮最先接触的区域形成齿槽，也就是齿顶圆所在的区域，随着击打深度的增加，整个齿廓都会与滚打轮接触。受变形方向的约束和各种应力的综合作用，虽然最先与滚打轮接触的是齿顶圆区域，但由于齿顶圆处的金属流动较为自由，受到的挤压力并不强烈，因此，表面硬度值较小，且硬化层比较浅。分度圆处与滚打轮相接触，是直接受力部分，其塑性变形量比较大，表面硬度值也比较大，硬化层也较深。齿根部分虽然变形程度最大，但受到的温升软化效应较为明显，所以齿根处表面硬度略低于分度圆处的表面硬度。2．2不同进给量下显微硬度试验结果及分析加工硬化程度是评价加工硬化的一项重要指标，用加工后与加工前表面层显微硬度的比值来表示。滚打轮转速为1428和2258 r·rain一时、不同工件进给量的分度圆处和齿根处表面硬化程度变化曲线如图4所示，可以看出，进给量为21 nln,l·min。1时，分度圆处和齿根处硬化程度最小，进给量为42 mill·rain。1时，分度圆处和齿根处硬化程度最大；同一滚打轮转速下，分度圆处和齿根处的表面硬化程度随着工件进给量的增大而上升。工件的变形量随着进给量的增大而增大，而应力随着变形量的增大有明显的上升，应力越大，硬度值越高，硬化程度越明显；随着变形量的增大，塑性变形产生的热量也会增多，温升软化效应也会明显。但20钢在变形量较小时，加工硬化率较高，应力强化效应较为明显。因为变形量在小范围内变化时，温升软化效应有限，应力强化效应依然占据主导地位。因此，花键齿硬化程度随着进给量的增大而上升。图4不同进给量下分度圆处和齿根处硬化程度变化曲线Fig．4 Hardening degree of graduated circle and toothroot under different feed rates2．3不同转速下显微硬度试验结果及分析工件进给量为21和42 mm·min。1时，不同转速下分度圆处和齿根处表面硬化程度变化曲线如图5所示。可以看出：滚打轮转速为1581 1F-min。1时，分度圆处和齿根处硬化程度最大；滚打轮转速为2258 r·min。1时，齿顶、分度圆处和齿根处硬化程度最小；同一工件进给量下，分度圆处和齿根处硬化程度随着滚打轮转速的增大而略微下降。虽然滚打轮转速的上升会使应变率增大，位错运动加剧，起到一定述魁剧鼍隧图5 不同转速下分度圆处和齿根处硬化程度的变化曲线Fig．5 Hardening degree of graduated circle and toothroot at different rotation speeds％，越踺革隧万方数据168 锻 压 技 术 第42卷的应力强化作用，但是滚打轮转速的上升会使单位时间内的击打次数增加，滚打轮与工件接触时间变短，塑性变形产生的热量来不及向周围扩散，使工件的温度升高，温升软化效应明显。由滚打轮转速的提高所带来的应变速率增加而引起的应变硬化现象，会受到表面热软化效应的影响有所减弱，因此，硬化程度随着转速的增大而略微下降。2．4扫描电镜试验结果及分析通过试验可以观察到不同工艺参数下花键齿截面表层微观组织形貌，如图6所示，每组所示的微观组织从左到右依次是齿顶、分度圆、齿根位置。(c)图6不同工艺参数下的花键齿表面微观组织形貌(a)转速为1428 r·min～，进给量为21 him·min-1 (b)转速为1428 r·rain-。，进给量为42 mm·min。1(c)转速为2258 r·min～，进给量为21 mm·min“Fig．6 Micmstmcture of spline tooth surface with different process parameters(a)Rotation speed of 1428 r·min一1，feed rate of21 IBm·min一1 (b)Rotation speed of 1428 r·rain一。，feed rate of42 mm·min一(c)Rotation speed of2258 r·min～，feed rate of21 mm·min“在同一工艺参数下，花键齿截面不同位置晶粒的变化情况有明显差别，齿根位置的晶粒不均匀程度最高，且晶粒被显著拉长，齿顶位置的拉长量不大，晶粒的变形程度相近，分度圆位置晶粒的变形程度则介于齿根和齿顶之间。由于滚打轮击打工件时，金属在滚打轮的击打力的作用下，将向滚打轮的周边空白区域流动一o，此时，工件表层及其以下金属晶粒将沿金属变形方向被拉伸，位错密度相应增加，晶体开始滑移，在滑移过程中由于受外界约束作用会发生转动，原来任意取向的各个晶粒逐渐调整其方位而趋于一致。随着变形量的增加，金属表层的晶粒及其夹杂物逐渐被压碎和细化，最终形成条形的纤维组织¨0I。在塑性变形过程中，滚打轮对齿顶、分度圆和齿根3个位置处的压应力不同，因而3个位置变形程度也不同，导致晶粒的细化程度不同，纤维组织的密集程度也不同。工件齿顶位万方数据第3期 徐红玉等：高速冷滚打成形花键表面加工硬化试验置受到滚打轮的压力相对较小，此处金属流动比较自由，阻力最小，因此，金属组织的细化程度不大。因滚打轮的两侧同时作用于花键齿槽的两侧，齿槽两侧受到的压力比齿顶大，且此处金属组织沿着滚打轮的两侧轮廓向上流动，因此，分度圆处的纤维组织密度大于齿顶。齿根部分受到的压力最大，且该部分金属只能向齿槽底部和两侧流动，相比分度圆和齿顶部位变形量大，因此，纤维组织的密度也最大。加工参数不同，齿廓表层晶粒的变形程度也不同。进给量越大，主轴转速越小，纤维组织越密集¨1。12j。工件的变形程度和纤维组织的密度直接影响了成形件的加工硬化程度，变形量大和组织密集的地方硬度值比较高。由金属组织的变化情况亦可知，齿顶处的硬度值最小，齿根和分度圆处的硬度值较大，且工件的加工硬化程度随着进给量的增大而增大，随着转速的增大而下降。此结果与显微硬度试验结果一致。3 结论(1)同一工艺参数下不同位置的表层硬度变化趋势基本一致，均随着与齿面距离的增大总体趋于减小，基体硬度为238．5 HV，齿顶、分度圆和齿根的硬度均明显有所提高，形成明显的加工硬化层，齿根处硬化层最厚，其硬化层达到了1．5 mm。(2)齿顶圆处的表面硬度值较小，且硬化层比较浅；分度圆处的表面硬度值比较大，硬化层也较深；齿根部分受到的温升软化效应较为明显，所以齿根处表面硬度略低于分度圆处的表面硬度。(3)不同工艺参数下，成形工件的加工硬化程度不同。同一转速下，工件的加工硬化程度随着进给量的增大而增大；同一进给量下，工件的加工硬化程度随着转速的增大而下降。(4)在塑性变形过程中，金属表层的晶粒及其夹杂物逐渐被压碎和细化，最终形成条形的纤维组织。滚打轮对齿顶、分度圆和齿根3个位置处的压应力不同，因而3个位置变形程度也不同，导致晶粒的细化程度不同，纤维组织的密集程度也不同，变形量大和组织密集的地方硬度值会比较高。参考文献：[1] Kahn—Jetter Z L，wrist S．Finite element analysis of an involute spline[J]Journal of Mechanical Design，20130，122(2)：239—244．[2] 吕耀峰，崔风奎，杨建玺，等．冷滚轧渐开线花键成形原理及理论误差计算分析[J]．组合机床与自动化加工技术，2007，34(5)：20一23．Lu Y F，Cui F K，Yang J X，et al，Theformingtheory and error eal—culating of cold rolling involute spline[J]．Combination MachineTools and Automatic Processing Technology。2007，314(5)：20—23．[3] 李玉玺，李言，杨明顺，等．滚珠丝杠冷滚打的齿形理论误差研究[J]．兵工学报，2015，36(8)：1594—1600．U Y X，“Y，Yang M S，et a1．Investigation of the tooth profileerl'or based on the forming theory of balloscrew nmnufactured by coldwiling[J]．Acta Armamentarii，2015，36(8)：1594—1600．[4] 马群，李言，杨明顺，等．连续分度冷滚打机床滚打头结构改进[J]．兵工学报，2015，36(8)：1587—1593．Ma Q，Li Y，Yang M S，et a1．Structure improvement of roll—beat—ing head for continuous indexing cold roll—beating machine[J]．Aeta Armamentarii，2015，36(8)：1587—1593．[5] 崔风奎，朱文娟，刘继国，等．高速冷滚打成形热力耦合模拟[J]．河南科技大学学报，2014，35(1)：13一16．Cui F K，Zhu W J，Liu J G，et a1．Thermo mechanical couplingsimulation of high speed cold roll—beating[J]．Journal of HenanUniversity of Science and Technology，2014，35(1)：13—16．【6] 张璐，李言，杨明顺，等．丝杠冷滚打成形过程金属流动规律研究[J]．中国机械工程，2012。23(13)：1623—1628．Zhang L，Li Y。Yang M S，et a1．Study on metal flowing of leadscrew cold roll—beating forming[J]．China Mechanical Engineer-ing，20t2，23(13)：1623—1628．[7] 周子同，陈志同，蒋理科，等．钛合金q316铣削JJnT硬化试验[J]．北京航空航天大学学报，2014，40(1)：135—140．Zhou Z T，Chen Z T，Jiang L K，et a1．Experiment on work hard—ening of milling TB6[J]．Journal of Beihang University，2014，40(1)：135—140．[8] 张为，郑敏利，徐锦辉，等．钛合金Ti一6A1—4V车削加工表面硬化试验[J]．哈尔滨工程大学学报，2013，34(8)：1052—1056．Zhang W，Zheng M L，Xu J H，et a1．Surface work hardening ex—periment of titanium alloy Ti一6AI一4V[j]．Journal of HarbinEngineering University，2013，34(8)：1052—1056．[9] 崔凤奎，谢亚飞，董晓丹，等．高速冷滚打成形金属流动仿真分析[J]．河南理工大学学报：自然科学版，2014，33(4)：467—471．Cui F K，Xie Y F，Dong X D，et a1．Simulation analysis of metalflow in hish—speed cold roll—beating[J]．Joumal of Henan Pol—yteehnie University：Natural Science，2014，33(4)：467—471．[10] 王晓强，崔凤奎，燕根鹏，等．40Cr冷滚打成形中位错密度变化研究[J]．中国机械工程，2013，24(16)：2248—2256，Wang X Q，Cui F K，Yan G P，et a1．Study on dislocation densitychange during cold roll-beating of 40Cr[J]，China MechanicalEngineering，2013，24(16)：2248—2256．[11]崔凤奎．高速精密冷滚打成形技术研究[D]．西安：西安理工大学，2007．Cui F K．Research 011 High Speed Precision Cold Rolling FormingTechnology[D]．Xi’all：Xi 7an University of Technology．2007．[12] 孙红云，李俊，孟庆格，等．加热速率对双相钢微观组织和烘烤硬化性能的影响[J]．锻压技术，2014，39(4)：115—121．Sum H Y，Li J，Meng Q G，et a1．Effect ofheating rates on micro—structure and bake hardening behavior of DP steel[J]．Fo呼“g＆StampingTechnology，2014，39(4)：115—121．万方数据