哈爾濱中天數(shù)控工具有限責任公司
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滾壓工藝的最近的發(fā)展先是在概念的認識上，德國的亞琛工業(yè)大學，ECOROLL公司等進行了新的區(qū)分；他們把著重提高表面質(zhì)量的滾壓工藝和著重冷態(tài)壓制成形的輥、彎，搓、擠，軋等工藝區(qū)分出來。又將籠統(tǒng)的滾壓工藝細分為；滾光（Roller Burnishing）和深滾壓工藝（Deep Rolling）以及切削（刮等）+滾光復合工藝（Skive Burnishing etc）三類。
滾光和深滾壓是在一定要求的預切削加工（車、鏜、鉸、銑等）基礎上進行的，預加工若只是冷拔、熱軋的工件不適合繼續(xù)進行滾光與深滾壓，但適合切削+滾光復合工藝。因此一般滾壓的加工余量很小，僅在其預加工后表面的粗糙度范圍之內(nèi)，實際的余量為預加工的粗糙度和滾壓加工粗糙度之差，經(jīng)統(tǒng)計各公司的推薦大多約為0.01-0.04mm左右。余量受許多因素影響，最適當?shù)臐L壓余量應據(jù)具體條件經(jīng)實驗來確定。
一般來說金屬材料塑性指標之一的延伸率大于8%，硬度小于HRc45的均能被順利滾壓，延伸率小于8%，據(jù)具體性能不同，滾壓后降低原預加工粗糙度的比率有所不同。如材料延伸率大于5%，小于8%，滾壓后最小可達到預加工粗糙度的20%，即可降低至原粗糙度高度的1/5。延伸率小于5%的，最小只能達到預加工粗糙度的40%。施加滾壓力可通過機械或液體靜壓的方式。
使用液體靜壓滾珠工具滾壓被加工材料硬度可大于HRc45甚至可達HRC65。滾壓一般不改變零件的尺寸、公差、形狀，這些要求必須在預加工時達到。
滾壓加工包括滾光和深滾壓后工件的表面特征是 :
?、趴蛇_到很低的粗糙度（Rz<1μm/Ra<0.1μm）或需要的粗糙度。
?、票患庸け砻嫫交慵遍g的接觸支承比增大，改善了其受力狀態(tài)。
?、悄Σ料禂?shù)降低。
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滾光和深滾壓工藝二者均可在普通機床和數(shù)控機床上運用，故一次安裝條件下，更換工具即可完成預加工和滾壓加工。滾光和深滾壓加工時間均短，噪音小，能耗低，潤滑要求不高，可采用只費最少潤滑油量的MQL技術，工具壽命長，不因其磨損而導致加工尺寸變化。但二者又不是完全相同的，特別是工藝目的是不同的。
滾光工藝是使用一個或多個滾柱或滾珠，滾輪的滾壓頭滾壓工件表面，使之產(chǎn)生塑性變形，工件表面的波峰被壓下，使材料自下而上地流動填充表面波谷形成光滑的表面。注意它是材料表層整體的流動，而不是一般錯誤地認為，僅是表層波峰的被壓彎壓平。滾光一次達不到要求可重復加工。深滾壓卻難以做到。實踐經(jīng)驗證明；在表面粗糙度要求Rz<10μm的加工中，滾光工藝具有很大的技術和經(jīng)濟優(yōu)勢。在一定條件下可以代替精細車、精細鏜、磨削、鉸削、珩磨、超精加工、研磨、拋光和刮削等。因為不需特殊設備費用。
誠如表面粗糙度(Surface Roughness)和表面綜合質(zhì)量或稱表面完整性（Surface Integrate）有所區(qū)別，前者主要指表面粗糙度情況。后者指表面綜合品質(zhì)情況，除要求低粗糙度外，重要零件還要求零件間接觸有較高的支承比，達到的一定的硬度、形成壓縮殘余應力并具有一定大小和合理分布，以提高被加工零件動態(tài)的抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能等。
其一例如圖1所示。深滾壓使表層產(chǎn)生的塑性變形，造成作為晶體缺陷的位錯（晶格原子離開原位置晶面發(fā)生錯動）密度增加，使晶格歪扭晶界畸變，需要更大的外力才能使它變形、破壞，而顯示被加工工件表層硬度（冷作硬化）和抗拉、屈服強度的提高，也使它的工作性能更趨穩(wěn)定。深滾壓后光潔度也大為改善，使谷底的凹口減少，也減少了裂紋的生成源。提高了耐疲勞性能。也使零件間支承率提高，接觸應力、摩擦系數(shù)減少，滑動性能改善。
滾光和深滾壓主要區(qū)別就在以；是要分別達到以上這兩種不同的目的。盡管滾光后也兼提高了硬度和生成了殘余應力，但未作具體要求。實現(xiàn)此兩種目的使用的工具有時可以通用，但作為深滾壓則多采用能產(chǎn)生較大壓強的滾珠和窄滾輪。而滾珠用得更多。它與工件接觸面小，可用較小的滾壓力，在較小的余量下，獲得較高的壓強，且成本低，精度高，硬度高達到多種要求。使用壽命也長，不易磨損，易更換。
圖1 深滾壓的優(yōu)點及其能提高的幾項性能
這里著重介紹一下ECOROLL公司先進的HG系列液體靜壓滾珠式滾壓工具，圖2中滾珠以流體靜壓方式被球體保持器中的冷卻液（乳化液或油）握持并壓向工件表面。它既可采用外置的HGP高壓泵提供壓力（最高達400bar）也可由滾壓工具內(nèi)的集成的高壓泵供給。HG系列滾珠滾壓頭可以加工其他形狀的滾壓頭無法加工的復雜型面。因為滾珠的摩擦力非常低，還可以在高速轉(zhuǎn)動中，自由地改變旋轉(zhuǎn)方向。保持滾珠和保持器間的油膜潤滑，還可通過獨特的跟蹤系統(tǒng)調(diào)節(jié)滾珠和工件間的位置和距離。以保證穩(wěn)定的滾壓力和加工表面質(zhì)量（圖3）。
圖2 滾壓球（滾珠）安裝及外供高
圖3 滾珠壓頭的保持系統(tǒng)跟蹤
HG系列滾壓工具可以進行滾光和深滾壓，但二者具體工作參數(shù)不同，更重要的是質(zhì)量控制的方式方法不同。滾光常只需要通過目測，調(diào)節(jié)壓力和簡單的物理測試，判斷是否達到要求。深滾壓目的的達到，則需要通過調(diào)節(jié)壓力、改變滾動速度，進給速度，還要經(jīng)壽命測試，測定殘余應力分布等，才能判斷是否達到要求。這意味試件將受到破壞。為此對于深滾壓，必須保證按預定合理的工藝參數(shù)加工，做到準確無誤，才能確保加工質(zhì)量。特別對那些與安全相關的工件，更應在過程監(jiān)測中，實時記錄并調(diào)整工藝參數(shù)，及時歸檔，以供檢查和以后參考使用。對同一工件，一次預加工如達不到要求，就難以重復深滾壓。 而按合理工藝參數(shù)進行的深滾壓則可達到；要求的壓縮殘余應力大小和分布、冷作硬化程度和表面光潔度以及零件間實際支承比率的要求。
承受動態(tài)交變應力的零件，它的表層反復的作用著最大拉伸應力和壓縮應力，拉伸應力超過材料強度極限會產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴大后就造成疲勞破壞。零件表面加工后若殘留一定的壓縮殘余應力，就會抵消零件循環(huán)工作時產(chǎn)生的拉伸應力，有可能使其不超過極限值，從而減少裂紋生成和擴張，提高其疲勞強度和使用壽命。
深滾壓達到預定表面綜合質(zhì)量后，一般可將疲勞強度提高1-5倍多，顯著提高承受動態(tài)應力零件的壽命。深滾壓可代替提高疲勞強度的其他復雜的需用專用設備的加工工藝，如；噴丸強化、激光硬化、滲氮處理等。深滾壓與其他工藝對比各自的優(yōu)點如下；
壓縮殘余應力分布和強化層較深。作用力（液壓力，彈簧力）和質(zhì)量易控制。作業(yè)時間短，在一般機床工件一次安裝預切削加工后即可進行深滾壓?？滓部缮顫L壓。深滾壓后抗疲勞強度比噴丸強化高約40%-85%，比氮化高約50%。在氮化處理基礎上還可進一步深滾壓，比僅氮化的可提高70%-100%。噴丸強化雖能處理較復雜形狀，但不能處理型孔，處理后表面粗糙，而且作業(yè)環(huán)境差，需用特殊設備。運輸成本高，作業(yè)耗時長，質(zhì)量控制較難，影響參數(shù)多，難以復制。
深滾壓后既增加了零件材料的強度，疲勞強度，可提高它承受更大的負荷，更多的交變應力的循環(huán)次數(shù)。在此基礎上可使結構減輕。所以可廣泛用于處理多種重要零件。
圖 4 HG系列的模塊化系統(tǒng)示例
圖4是HGx-y系列流體靜壓式模塊化工具，它可以滾光和深滾壓內(nèi)外表面、非常復雜的輪廓和自由曲面。工件在加工時可以保持靜止或旋轉(zhuǎn)，圖中HG后的x，表示滾珠的直徑（Φ2-25），圖4左側表示了不同滾珠直徑滾壓頭的結構形狀。一般來說，據(jù)工件的輪廓形狀尺寸選定滾珠尺寸，為了形成較大的壓縮殘余應力，應盡量選擇最大的滾珠。y代表深滾壓頭不同的版本及其功能，圖4右側顯示了為完成不同功能，滾壓頭體的結構形狀各種式樣。
圖5多種功能版本的HG系列滾壓工具
圖5中可見HGx-1,-2,-2p,-4主要用于加工不同直徑不同長度的內(nèi)孔，-5用于加工外型面和端面。-6用于加工球體，-7用于加工端面和自由曲面，-9用于加工旋轉(zhuǎn)對稱的外型面（圓柱面，圓錐面，端面，圓弧轉(zhuǎn)角和球面）-20是3點式工具（三個滾珠）用于加工細長軸（直徑大于等于0.5），-29是2點式工具（2個滾珠）用于一次性加工厚度大于0.8毫米的盤狀和薄壁工件的兩面（例如渦輪葉片）。其余詳見樣本。
深滾壓滾壓頭的另一種形式是多種尺寸的窄滾輪，主要用于提高臺階面轉(zhuǎn)角處，汽輪機等的關鍵軸類，重要螺栓螺紋的根部等處的疲勞強度。軸的表面承受交變應力最大，轉(zhuǎn)角及螺紋根部容易產(chǎn)生應力集中生成裂紋，而造成整個重要零件的失效和破壞。故必須提高這些部位的綜合表面質(zhì)量。滾輪式深滾壓滾壓力主要是靠機械加載（圖6）
圖6機械式圓盤滾壓頭深滾壓工具
圖6所示的深滾壓工具可以在普通和CNC機床上加工回轉(zhuǎn)體工件如各類軸、螺桿、承受拉伸，彎曲、扭轉(zhuǎn)的桿件的圓弧轉(zhuǎn)角，螺紋根部。依靠彈簧機構加壓時，在刀體上裝有彈簧力的指示器，也可通過電感測量系統(tǒng)等在外部顯示器上顯示彈簧力數(shù)值。
若使用 ToolScope系統(tǒng)則可以對深滾壓過程中的關鍵工藝參數(shù)進行持續(xù)地觀察監(jiān)測和記錄。用機械式深滾壓時，可系統(tǒng)測量和監(jiān)控實際深滾壓的作用力。用流體靜壓深滾壓時，可系統(tǒng)監(jiān)測記錄與工藝相關的參數(shù)，即操作壓力和液體流量，使之控制在上下規(guī)定許可范圍內(nèi)，如工藝參數(shù)出現(xiàn)偏差，即能發(fā)出警示信息，只有在查出并清除偏差后，才能繼續(xù)加工，從而顯著地減少了不合格率、返工率和相關損失。系統(tǒng)還可將工藝參數(shù)記錄歸檔，以檢查生產(chǎn)過程是否遵循合理正確的工藝參數(shù)。由于使用了高精度的傳感器，自主式過程監(jiān)控，數(shù)月前使用的正確加工工藝由于良好保存可以重現(xiàn)。
另外由于使用了觸摸屏，也使操作簡單方便。此外系統(tǒng)還對生產(chǎn)中加工的實際尺寸也進行了及時監(jiān)測，直接顯示加工結果，即滾壓后的最后尺寸是否在公差許可范圍內(nèi)，當加工尺寸超出公差帶，即發(fā)出“加工錯誤”信號，信號傳給控制系統(tǒng)，再通過液壓裝置調(diào)節(jié)壓力，速度等，從而能及時加以調(diào)整使加工尺寸回復到公差范圍內(nèi)。滾壓工藝結合新的智能控制監(jiān)測系統(tǒng)，確保了高的加工表面質(zhì)量。故使承受動態(tài)交變彎曲、扭轉(zhuǎn)應力的零件的疲勞耐用度大幅提高。得到了航空航天汽車鐵道醫(yī)藥等等許多行業(yè)所歡迎而采用。
來源：國際機床網(wǎng)
