0 引 言  

    金屬材料的破壞往往從表面開始。目前，許多發(fā)達國家都在大力研究和應用各種提高零件表面性能的新技術、新工藝。表面強化作為表面工程學的一項重要技術，對于改善材料的表面性能，提高零件表面的耐磨性，抗疲勞性，延長其使用壽命等具有重要意義。在表面強化技術中，作為機械方式的強化方法，現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用在技術上也受到一定的限制。如滾壓技術一般只適用于回轉體類零件。而且由于加壓為靜載荷形式，為達到一定量的滾壓變形所需的壓力較大。而噴丸技術通常用于表面質量要求不太高的零件。  

    在分析研究現有技術以及零件表面強化要求的基礎上，我們研究開發(fā)了一種新的稱之為‘沖擊滾壓’的表面強化技術并進行了工藝性試驗。試驗結果表明：采用該項技術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，由于該項技術中在滾壓的同時還引入了沖擊源，能對零件的表面產生動壓作用。對比試驗結果顯示，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，該項技術還能對一些不便采用一般滾壓方法的零件形面進行強化處理。沖擊滾壓技術的研究開發(fā)為零件表面強化技術探索了一條新的途徑。  

    1 沖擊滾壓工作原理  

    大量的實驗數據和工業(yè)應用表明，對金屬零件表層材料的局部加壓使其表層產生塑性變形，能改善表層晶粒組織，產生冷作硬化現象，使表層材料存在殘余壓應力等作用。這對于提高零件的耐磨性以及抗疲勞強度等具有明顯效果。目前常用的滾壓和噴丸兩種表面強化方法正是應用了這一原理。  

    我們研究開發(fā)的沖擊滾壓技術是在一般的滾壓方法基礎上增加了一個沖擊源，使被強化的零件表層材料不僅受到靜壓力的作用還同時受到沖擊源引起的動壓力的作用。這使得材料表面的變形更加容易，零件表面強化更容易實現。  

    以我們研制的高強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。啟動沖擊滾壓裝置后，一方面通過鋼球對工件表面施加靜壓力，同時由沖擊源引起鋼球對工件表面施加一個較高頻率的動壓力。在上述動壓和靜壓力的復合作用下完成對零件的表面強化——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化方面體現出諸多特點。  

    2 沖擊滾壓技術特點  

    根據我們進行的各種工藝試驗表明，沖擊滾壓技術主要具有以下特點：  

    2.1 沖擊滾壓所需壓力較小  

    試驗結果表明：為了使零件表面產生一定的塑性變形量，沖擊滾壓時比一般滾壓所需施加的壓力小得多。例如，對材料為中硬度的碳鋼和較高硬度的高溫合金的高強度螺栓圓角進行的沖擊滾壓和一般滾壓對比試驗表明，當圓角部位的變形量相同時，沖擊滾壓時所需的壓力僅為一般滾壓時的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，使這種技術可以在較小的設備上進行。另一方面，也使一些受設備限制而不便處理的較大零件的表面強化處理獲得一種新的途徑。  

    2.2 易于使材料表面產生較大的塑性變形  

    對比試驗表明：沖擊滾壓比一般滾壓更容易使零件表面產生較大的塑性變形。對于某些滾壓前表面加工質量不高的零件，必需在滾壓時產生較大地變形量才能滿足表面質量的要求。對于這類情況，采用一般滾壓方法往往由于表面被反復碾壓形成加工硬化層，即使采用很大的壓力有時也無法消除上道工序在表面留下的加工痕跡。對于某些硬度較高的零件，這種問題尤為突出。試驗結果表明，采用沖擊滾壓方法，即便是對于硬度較高的零件也能使材料表面產生較大的塑性變形，消除表面缺陷。我們對材料硬度達到HRC48—52的高溫合金，圓角尺寸為R=1.6mm，圓角滾壓前工序為車削的高強度螺栓圓角進行了對比試驗；當圓角車削的質量較好時，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，由于采用一般滾壓方法很難使材料產生較大的塑性變形，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量。沖擊滾壓易于使零件表面產生較大的塑性變形，這就可以使?jié)L壓前的表面質量要求降低，減小了加工難度。  

    2.3 沖擊滾壓后零件的表面質量較好  

    為提高零件疲勞強度等目的的表面強化工藝，通常對表面質量要求都比較高。試驗結果表明，沖擊滾壓后零件的表面質量良好，表面粗糙度較小。表面質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  
    現在常用的一般滾壓方法通常只適用于滾壓回轉體類零件。我們用沖擊滾壓方法對平面和曲面進行了試驗，這種方法同樣有效。由于沖擊滾壓同時具有滾壓和噴丸方法的技術特點，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運動以及沖擊力，滾壓力等工藝參數，就能對平面和曲面等進行處理。試驗結果表明，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化方法，并能獲得較好的表面質量。  

    2.5 沖擊滾壓技術簡單易行  

    根據上述分析可見，沖擊滾壓技術并不復雜。沖擊滾壓裝置也僅比一般的滾壓裝置增加了一個用于引起沖擊載荷的沖擊源。屬于一項簡單易行且效果良好的表面強化技術。  

    3 應用前景分析  

    零件表面強化作為新興的表面工程學中一項重要技術，通過表面質量的改善，僅花費很少的費用，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，提高生產率。因此越來越受到制造業(yè)的普遍重視。沖擊滾壓作為一種新開發(fā)的技術對于表面強化中提高零件表面質量，減小滾壓過程的壓力，能使材料表面產生較大的變形，能適應各種不同零件形面的強化以及技術和裝備上簡單易行等方面已經顯示出許多優(yōu)點，具有良好的應用前景。  

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

    以我們?yōu)槎嗉绎w機制造企業(yè)研制的高強度螺栓圓角冷滾壓圓角設備為例。航空工業(yè)所用螺栓材料的強度一般都很高，硬度相應也比較高(某型飛機的高強度螺栓硬度達到HRC48-52)。由于這類高強度，高硬度的零件抗塑性變形能力強，進行滾壓比較困難。特別是對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量不太高等情況下，必需在滾壓過程中產生較大的塑性變形才能滿足零件對形狀，尺寸和表面質量的要求。這就增加了滾壓的難度。在實際生產中就只好對零件的尺寸及有關工序加以許多限制。如只允許滾壓較小尺寸的零件，而且對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，就很容易出現因滾壓質量達不到要求而導致零件報廢。采用沖擊滾壓能較好地解決上述問題。我們對前面提到的硬度達HRC48—52的高強度螺栓圓角滾壓進行的對比試驗表明，沖擊滾壓效果明顯優(yōu)于一般滾壓。即使是對于那些表面有較大加工缺陷的零件，通過沖擊滾壓只需施加比一般滾壓小得多的壓力也能使其產生足夠的塑性變形，從而消除加工痕跡獲得良好的表面質量。若能將這項技術應用于上述螺栓圓角冷滾壓圓角設備，必將大大改善該設備的性能，擴大應用范圍。同時，零件滾壓前的加工要求可以降低，這對于降低費用，提高生產率等都大有好處。
    另一方面，沖擊滾壓還可以用于對平面和曲面等零件形面進行表面強化處理。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化新手段。從某種意義上說，這是開發(fā)該項技術更重要的一面。值得作進一步的研究。  

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

    4 結 語  

    研究和試驗表明，沖擊滾壓技術具有加工過程中所需壓力較小，易于使材料表面產生較大的塑性變形，沖擊滾壓后零件的表面質量良好，可用于處理平面和曲面以及技術和設備上簡單易行等特點。較好地解決了高強度，高硬度螺栓圓角的滾壓等技術難題。是一項具有良好應用前景的表面強化實用技術。 

參考文獻： 
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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.