滚压工艺对铜瓦PV值的影响

文章来源：仿古金属瓦dongshen6.com官网 (2014-4-11) Hits：2045

摘要：随着超声滚压加工在铜瓦机加工艺上的应用和推广，与传统的机加工艺相比，铜瓦的表面粗糙度显著降低、表面显微硬度却得到提高，扩大了铜瓦PV值的许用范围。本文通过运用粘着摩擦理论，对此工艺引起的PV值变化情况进行了分析。关键词：滚压加工；铜瓦；Py值；粘着摩擦理论中图分类号：TG315．5 文献标识码：A 高速重载滑动轴承是高速压力机的核心研究课题之一，而滑动轴承又以采用铜瓦的形式居多。随着超声滚压加工在铜瓦机加工艺上的应用和推广，与传统的机加工艺相比，铜瓦的表面粗糙度显著降低、表面显微硬度却得到提高，扩大了铜瓦PV 值的许用范围。本文通过理论和实践的探索，对此现象引起的PV值变化情况进行了研究，仅供参考。 1问题的提出放热量和磨损率，是进行摩擦副(滑动轴承)设计时首要考虑的因素。滑动轴承在高速压力机的结构设计上，通常用于曲轴支撑瓦、连杆瓦、副连杆瓦等。图1所示为高速压力机采用滑动轴承的典型结构布置图。在进行压力机设计时，曲轴支承铜瓦和连杆铜瓦的选型，主要依据不同规格的金属轴瓦材料收稿日期：2012—11-27 作者简介：秦剑(1971一)，男，高级工程师，从事机械压力机工艺工装设计及制造的P值(压强)、y值(速度)、PV乘积值(功率)三个参数确定。其中，P值的许用值选用，主要依据铜瓦的磨损率测算；V值和PV乘积值的许用值选用，主要依据铜瓦的放热量计算。冈l 高述71|I床滑动轴承典型结构前j咒网通常情况下，当金属轴瓦的P值达不到设计要求时，实际使用中铜瓦变形较大，会导致发热、“抱车”等问题出现；当金属轴瓦的PV乘积值超标时， ·。。+一一—+一-’‘+一一—+一一。。+一-1。+r一。‘+一一—+一一。‘+一一—+一一‘·+·-+一—+一*—+一-+-+-+-+·—·+一-+一+一-+-一+一--4---+一-4--+-+--+-一+-+一+-+-+-+-+-+-+-+-+-+--4--+-+一-4"- Study on forming process for high-strength hollow aluminum section WANG Rubia01，LIU Chungu02 (1．CSR Sifang Co．，Ltd．，Qingdao，Shandong China；万方数据会产生轴承温升、咬粘现象。一台新型精密闭式快速双点压力机，曲轴支撑铜瓦采用滚压工艺后，在进行极限冲次和载荷测试时，发现P值、y值、PV值等的许用范围均扩大到20％1以上。对此现象产生的原因，我们进行了探究。 2原因分析超声滚压加工对铜瓦PV值的影响机理，主要从超声滚压加工的原理和对摩擦系数的影响两方面进行分析。 2．1机加工艺变化说明如图2所示，滑动轴承(铜瓦)常用的]：艺路线为：铸坯一车(除内孔直径留量 0．60mm～0．80mm 外，其余加工至成品)一装配(用液氮冷装进轴承座)一镗(镗内孑L，至图纸尺寸)一抛光(将抛光轮装在镗床主轴上，抛光铜瓦内孔)。 —] ■一—j LI一采用滚压工艺后，工艺路线调整为：铸坯一车 (除内孔直径留量0．60mm～0．80mm外，其余加工至成品)一装配(用液氮冷装进轴承座)一镗(镗内孔，直径留滚压量0．04mm～0．06mm)一滚压(将滚压轮／冲击头装在镗床主轴上，滚压铜瓦内孑L至图纸尺寸)。采用超声滚压工艺后，铜瓦内孔表面粗糙度(轮廓算术平均偏差)，由镗孔时的3．2～1．6减／J,至JJ了滚压后的0．4～0．I。 2．2超声滚压加工的原理超声滚压(Ultrasonic surface rolling extrusion， USRE)加工原理如图3所示，是利用超声冲击能量和静载滚压相结合的T作方式，对金属零部件表面进行处理。通过加工二r=作头沿丁件表面法线方向施加一定幅度的超声频机械振动，在一定进给条件下，工作头将静压力和超声冲击振动传递到旋转的机械零部件表面，产生冲挤作用而使金属材料产生大幅度弹塑性变形。加工后，工件表面产生一定的弹性恢复，所产生的塑性流动将工件表面上的“谷”被“峰”填满或部分填满，从而大大降低表面粗糙度Ra至纳米水平，并提高其表面的综合性能指标。 SPECIAL FORMING圆图3超声滚压原理示意图 1．超声波发生器2．气泵3．执行机构4．变幅杆 5．换能器6．冲击头7．工件 2．3滚压加工影响铜瓦性能的原理分析采用滚压工艺后的铜瓦，在冲床工作过程中放热量(能量消耗)明显降低。能量消耗代表了运动阻力，它可用摩擦系数来表征。普通物理学中的摩擦系数定义为：两个相互接触的物体存在滑动趋势或产生滑动时，滑动阻力与接触压力的比值。经典库伦摩擦定律从1785年使用至今，其主要结论为： ①摩擦力与作用于摩擦面的垂直力(接触压力) 成正比，与接触面积无关；摩擦系数，仅取决于两个接触表面的物理因素：接触表面的材质、接触表面的粗糙度、滑动的速度和接触表面中间使用的润滑剂种类等； ②摩擦力(动摩擦)与滑动速度的大小无关； ③静摩擦力大于动摩擦力。该经典摩擦理论建立在绝对的刚体(即接触表面的的接触压力小，物体表面不变形)的假设上，即两个物体相对滑动产生阻力的起因是由于表面上的凹凸不平，两个固体表面发生接触时，因接触表i面凹凸不平处的互相镶合，产生阻碍两个固体相互滑动的阻力，故又可称之为“机械摩擦理论”，所以此理论仅适应于接触压力比较小的滑动规律。由于冲床滑动轴承频繁承受较大冲击载荷、接触表面压力较大，不适用于机械摩擦理论；相对于经典库伦摩擦定律，近代摩擦学“粘着摩擦理论”的解释，更接近冲床滑动轴承的实际工况。粘着摩擦理论由英国学者鲍登(F．P．Bowden)和泰伯(D．Tabor)在1935年提出。该理论认为： ①当两表面相接触时，在载荷作用下，两个上的某些微凸体相互接触并承担外部载荷，这互接触的点称为“真实接触面积”，某些接触点位压力大而处于塑性接触状态，接触表面距离而引起电子转移，使两表面黏着，形成“冷焊点” 时接触点塑性变形引起实际接触面积增加，直真实接触面积能够承受所加载荷时为止。摩擦万方数据表面的真实接触情况，如图4所示：图4重载摩擦副两表面接触示意图 ②在金属材料相对滑动时，黏着的金属材料将被剪开，滑动摩擦的过程就是金属材料的黏着与滑动剪切交替发生的黏一滑过程。 ③较硬金属材料的微凸体在较软金属材料的表面上产生犁沟效应，所以摩擦阻力是黏着撕裂力和犁沟效应产生阻力的总和。在“修正的粘着理论”中，又进一步提出了压缩应力和剪切应力联合作用当量应力的概念，并以当量应力代替较软金属材料的屈服应力。根据“粘着摩擦理论”的说明，铜瓦采用滚压加工后，承载内孔表面由于粗糙度减小，微凸体高度下降、微凸体数量增多，“真实接触面积”增大，“冷焊点”减少，摩擦系数降低。 3滚压工艺对铜瓦性能的影响滚压加工对铜瓦性能的影响是综合性的，既包括对铜瓦PV值的影响，又包括对铜瓦表面抗疲劳性能、表面抗腐蚀能力等的影响。 3．1金属表面滚压(光整)效果据国内一家光整加工设备生产厂家提供的检测数据显示：经过超声滚压加工的金属表面，具有传统压光与喷丸强化的综合效果，表面粗糙度比光整加工前降低2～4个等级，表面显微硬度一般提高20％～50％，金属表面抗腐蚀能力比未光整加工的金属表面提高数倍，最大可达100倍以上；经过光整加工的金属表面抗疲劳性能一般增加200％～250％，光整加工可以消除金属表面微观缺陷，减少工件使用的初期损伤；经过光整加工的金属表面的摩擦阻力大大降低，一般可降低35％以上。 3．2铜瓦P值的变化铜瓦P值的变化，需要运用磨损理论和“简单粘损定律”予以解释。按照Burwell的磨损理论，磨损机理共分为粘损、磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳四种。滑承的磨损，主要以粘着磨损和(或)磨粒磨损。粘着磨损，是指摩擦副表面相对滑动时，由于粘应所形成的粘着结点发生剪切和断裂，被剪切的材料脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面的现象。“简单粘着磨损定律”，是在“粘着摩擦理论”的基础上，采纳Archard的方法计算得出。该定律的方程式为： Q=k里(1) jpq 式中：p——单位滑动距离的总磨损量；南——一微凸体接触点产生一个磨粒的概率；形——法向载荷； _p0_一金属的屈服压力。该定律有三条结论： ①材料磨损量与行程成正比；②材料磨损量与载荷成正比；③材料磨损量与较软材料的屈服应力或硬度成反比。对于弹性材料p。一了H，H为布氏硬度值，则式 J (1)变为：呻孚(2) 由式(2)可知，采用滚压工艺后由于铜瓦表面显微硬度提高，磨损量降低，铜瓦所许用的P值范围将相应扩大。以锡青铜ZcuSnl0P1为例：原许用旧值承受冲击载荷为20MPa，采用新工艺后可增大到25MPa。 3．3铜瓦y值的变化采用滚压加工后铜瓦[y]值提高的原因，可用闪温摩擦理论加以解释。根据“粘着摩擦理论”，闪温是由于摩擦副两表面微凸体间不断相互作用产生的温升。换句话说，闪温是真实接触面的摩擦热引起的温升，故只产生在真实接触面积上。铜瓦和配摩轴的温升，是由闪温 (摩擦表面产生的热量)通过微凸体传向金属整体引起的，如图5所示。根据热平衡原理，即产生的摩擦热等于向外散出的热量，可列出摩擦副表面平均最高温升方程： T=K 鲤!竺!型21．一(3) (C。、／百+c：、／i)、／} Y二式中：卜摩擦副表面平均最高温升；图5摩擦接点的温度分布示意图万方数据 K——常数； #广～摩擦系数； p——铜瓦单位长度上的法向载荷； ”。、∥厂—钥瓦和配摩轴的表面速度； 6——铜瓦接触带宽度； c。、c厂铜瓦和配摩轴的材料常数； C=ApC’，A为导热系数，P为密度，C’为比热。由式(3)可知，采用滚压加工后，由于摩擦阻力 (摩擦系数)降低，在摩擦副表面平均最高温升值(国家标准要求不超过35℃)标准不变的条件下，如其他条件不作变化，则摩擦副的相对速度允许增大，即铜瓦最大许用[y]值得以提高。需要说明一点的是，目前关于摩擦热的精确计算比较困难，铜瓦的最大许用【y]值通常通过试验获得。 3．4铜瓦PV值的变化铜瓦的PV值乘积量纲为功率单位，代表单位时间内运动零件的摩擦生热量(放热量)。由于滑动轴承的运动学和动力学分析十分复杂，至今仍没有轴承寿命、失效形式、可靠性等的准确分析结果。滑动轴承的PV值，主要利用试验获得。PV值试验通常是在一定速度下，采用逐步加载的方法进行。当轴承温度达到80℃或摩擦系数急剧上升时的前一级载荷即为该速度时的极限载荷 PITlax，然后计算极限载荷和速度的乘积即得极限 Py值。根据极限PV值的获取过程可知，在速度一定的条件下，极限PV值的大小主要取决于摩擦阻力的数值。按照国内某光整加工设备公司提供的试验数据“经过超声滚压加工的金属表面的摩擦阻力大大降低，一般可降低35％以上”的说明，滑动轴承的极限(许用)PV值采用新工艺后，将比原来增大35％以上。以锡青铜ZcuSnl0P1为例：原许用[Py】值承受冲击载荷时为15MPa·m／s，采用新工艺后增大为 SPECIAL FORMING圆 20．25MPa·m／s。在实际生产中，如同时将与滑动轴承对磨的曲轴圆柱面粗糙度减小至Ra0．4以内，滑动轴承在Py值达到30MPa·m／s以上时仍运转正常。 3．5铜瓦其他性能的变化滑动轴承(铜瓦材料)应具备的性能包括：摩擦相容性、嵌入性、磨合性、摩擦顺应性、耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐气蚀性、抗压强度等。超声滚压加工，是在超声波冲击和静压力滚压联合作用下，对金属工件表面进行剧烈而均匀的塑性变形，导致工件一定深度表层的原始状态晶粒被严重地打碎细化，从而获得纳米结构层。由于工件表面被均匀压缩，伴随着产生了残余压缩应力，从而提高了机械零部件的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐气蚀性、抗压强度等性能。但是采用滚压工艺后，铜瓦的嵌人性、磨合性的性能降低，铜瓦的摩擦相容性、摩擦顺应性等性能基本保持不变。 4结语随着新工艺、新技术的不断应用，进行冲床设计时所依据的传统铜瓦参数，需要根据试验情况进行相应调整，才能更好地发挥冲床潜能。这就要求技术人员持续学习、不断探索、及时总结，才能跟上科技进步的步伐。【参考文献】 [1] (英)J．霍林，主编．上海交通大学摩擦学教研室，译．摩擦学原理．北京：机械_T业出版社，1981．【2】赵振铎，等．金属塑性成形的“平均摩擦系数”与接触压力的关系研究．英才高职论坛，2007，(1)． [3】何德誉，主编．曲柄压力机．北京：机械工业出版社，1987． [4】秦剑．压力机连杆外圆弧面加工新工艺．锻压装备与制造技术， 201 1．46(2)．【5】秦剑，闵建成，孙兴超．压力机飞轮圆锥轴承装配游隙的确定．锻压装备与制造技术，201 l，46(4)． Influence of rolling process to the PV value of copper tile QIN Jian，GUO Shiyan，KE Zunmang (Xuzhou Metalforming Machine Group Co．，Ltd．，Xuzhou 22 1 1 1 6，Jiangsu China) Abstract：With the application and promotion of the ultrasonic rolling extrusion process in copper machine，the surface roughness of the copper tile has been significantly reduced by comparing with the traditi process．The micro—hardness of surface has been improved，which enlarges the PV allowable range of copper The adhesion friction theory has been adopted in the text to explain the change of PV value caused by this proces Keywords：Roiling process；PV value of copper tile；Adhesion friction theory 万

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