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滾壓工藝對銅瓦PV值的影響
文章來源：仿古金屬瓦dongshen6.com官網(wǎng)
(2014-4-11)
Hits：2121
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摘要：隨著超聲滾壓加工在銅瓦機(jī)加工藝上的應(yīng)用和推廣，與傳統(tǒng)的機(jī)加工藝相比，銅瓦的表面粗糙度顯著降低、表面顯微硬度卻得到提高，擴(kuò)大了銅瓦PV值的許用范圍。本文通過運(yùn)用粘著摩擦理論，對此工藝引起的PV值變化情況進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：滾壓加工；銅瓦；Py值；粘著摩擦理論中圖分類號：TG315．5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 高速重載滑動軸承是高速壓力機(jī)的核心研究課題之一，而滑動軸承又以采用銅瓦的形式居多。隨著超聲滾壓加工在銅瓦機(jī)加工藝上的應(yīng)用和推廣，與傳統(tǒng)的機(jī)加工藝相比，銅瓦的表面粗糙度顯著降低、表面顯微硬度卻得到提高，擴(kuò)大了銅瓦PV 值的許用范圍。本文通過理論和實踐的探索，對此現(xiàn)象引起的PV值變化情況進(jìn)行了研究，僅供參考。 1問題的提出放熱量和磨損率，是進(jìn)行摩擦副(滑動軸承)設(shè)計時首要考慮的因素。滑動軸承在高速壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，通常用于曲軸支撐瓦、連桿瓦、副連桿瓦等。圖1所示為高速壓力機(jī)采用滑動軸承的典型結(jié)構(gòu)布置圖。在進(jìn)行壓力機(jī)設(shè)計時，曲軸支承銅瓦和連桿銅瓦的選型，主要依據(jù)不同規(guī)格的金屬軸瓦材料收稿日期：2012—11-27 作者簡介：秦劍(1971一)，男，高級工程師，從事機(jī)械壓力機(jī)工藝工裝設(shè)計及制造的P值(壓強(qiáng))、y值(速度)、PV乘積值(功率)三個參數(shù)確定。其中，P值的許用值選用，主要依據(jù)銅瓦的磨損率測算；V值和PV乘積值的許用值選用，主要依據(jù)銅瓦的放熱量計算。岡l 高述71|I床滑動軸承典型結(jié)構(gòu)前j咒網(wǎng)通常情況下，當(dāng)金屬軸瓦的P值達(dá)不到設(shè)計要求時，實際使用中銅瓦變形較大，會導(dǎo)致發(fā)熱、“抱車”等問題出現(xiàn)；當(dāng)金屬軸瓦的PV乘積值超標(biāo)時， ·。。+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；萬方數(shù)據(jù)會產(chǎn)生軸承溫升、咬粘現(xiàn)象。一臺新型精密閉式快速雙點壓力機(jī)，曲軸支撐銅瓦采用滾壓工藝后，在進(jìn)行極限沖次和載荷測試時，發(fā)現(xiàn)P值、y值、PV值等的許用范圍均擴(kuò)大到20％1以上。對此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，我們進(jìn)行了探究。 2原因分析超聲滾壓加工對銅瓦PV值的影響機(jī)理，主要從超聲滾壓加工的原理和對摩擦系數(shù)的影響兩方面進(jìn)行分析。 2．1機(jī)加工藝變化說明如圖2所示，滑動軸承(銅瓦)常用的]：藝路線為：鑄坯一車(除內(nèi)孔直徑留量 0．60mm～0．80mm 外，其余加工至成品)一裝配(用液氮冷裝進(jìn)軸承座)一鏜(鏜內(nèi)孑L，至圖紙尺寸)一拋光(將拋光輪裝在鏜床主軸上，拋光銅瓦內(nèi)孔)。 —] ■一—j LI一采用滾壓工藝后，工藝路線調(diào)整為：鑄坯一車 (除內(nèi)孔直徑留量0．60mm～0．80mm外，其余加工至成品)一裝配(用液氮冷裝進(jìn)軸承座)一鏜(鏜內(nèi)孔，直徑留滾壓量0．04mm～0．06mm)一滾壓(將滾壓輪／沖擊頭裝在鏜床主軸上，滾壓銅瓦內(nèi)孑L至圖紙尺寸)。采用超聲滾壓工藝后，銅瓦內(nèi)孔表面粗糙度(輪廓算術(shù)平均偏差)，由鏜孔時的3．2～1．6減／J,至JJ了滾壓后的0．4～0．I。 2．2超聲滾壓加工的原理超聲滾壓(Ultrasonic surface rolling extrusion， USRE)加工原理如圖3所示，是利用超聲沖擊能量和靜載滾壓相結(jié)合的T作方式，對金屬零部件表面進(jìn)行處理。通過加工二r=作頭沿丁件表面法線方向施加一定幅度的超聲頻機(jī)械振動，在一定進(jìn)給條件下，工作頭將靜壓力和超聲沖擊振動傳遞到旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零部件表面，產(chǎn)生沖擠作用而使金屬材料產(chǎn)生大幅度彈塑性變形。加工后，工件表面產(chǎn)生一定的彈性恢復(fù)，所產(chǎn)生的塑性流動將工件表面上的“谷”被“峰”填滿或部分填滿，從而大大降低表面粗糙度Ra至納米水平，并提高其表面的綜合性能指標(biāo)。 SPECIAL FORMING圓圖3超聲滾壓原理示意圖 1．超聲波發(fā)生器2．氣泵3．執(zhí)行機(jī)構(gòu)4．變幅桿 5．換能器6．沖擊頭7．工件 2．3滾壓加工影響銅瓦性能的原理分析采用滾壓工藝后的銅瓦，在沖床工作過程中放熱量(能量消耗)明顯降低。能量消耗代表了運(yùn)動阻力，它可用摩擦系數(shù)來表征。普通物理學(xué)中的摩擦系數(shù)定義為：兩個相互接觸的物體存在滑動趨勢或產(chǎn)生滑動時，滑動阻力與接觸壓力的比值。經(jīng)典庫倫摩擦定律從1785年使用至今，其主要結(jié)論為： ①摩擦力與作用于摩擦面的垂直力(接觸壓力) 成正比，與接觸面積無關(guān)；摩擦系數(shù)，僅取決于兩個接觸表面的物理因素：接觸表面的材質(zhì)、接觸表面的粗糙度、滑動的速度和接觸表面中間使用的潤滑劑種類等； ②摩擦力(動摩擦)與滑動速度的大小無關(guān)； ③靜摩擦力大于動摩擦力。該經(jīng)典摩擦理論建立在絕對的剛體(即接觸表面的的接觸壓力小，物體表面不變形)的假設(shè)上，即兩個物體相對滑動產(chǎn)生阻力的起因是由于表面上的凹凸不平，兩個固體表面發(fā)生接觸時，因接觸表i面凹凸不平處的互相鑲合，產(chǎn)生阻礙兩個固體相互滑動的阻力，故又可稱之為“機(jī)械摩擦理論”，所以此理論僅適應(yīng)于接觸壓力比較小的滑動規(guī)律。由于沖床滑動軸承頻繁承受較大沖擊載荷、接觸表面壓力較大，不適用于機(jī)械摩擦理論；相對于經(jīng)典庫倫摩擦定律，近代摩擦學(xué)“粘著摩擦理論”的解釋，更接近沖床滑動軸承的實際工況。粘著摩擦理論由英國學(xué)者鮑登(F．P．Bowden)和泰伯(D．Tabor)在1935年提出。該理論認(rèn)為： ①當(dāng)兩表面相接觸時，在載荷作用下，兩個上的某些微凸體相互接觸并承擔(dān)外部載荷，這互接觸的點稱為“真實接觸面積”，某些接觸點位壓力大而處于塑性接觸狀態(tài)，接觸表面距離而引起電子轉(zhuǎn)移，使兩表面黏著，形成“冷焊點” 時接觸點塑性變形引起實際接觸面積增加，直真實接觸面積能夠承受所加載荷時為止。摩擦萬方數(shù)據(jù)表面的真實接觸情況，如圖4所示：圖4重載摩擦副兩表面接觸示意圖 ②在金屬材料相對滑動時，黏著的金屬材料將被剪開，滑動摩擦的過程就是金屬材料的黏著與滑動剪切交替發(fā)生的黏一滑過程。 ③較硬金屬材料的微凸體在較軟金屬材料的表面上產(chǎn)生犁溝效應(yīng)，所以摩擦阻力是黏著撕裂力和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生阻力的總和。在“修正的粘著理論”中，又進(jìn)一步提出了壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力聯(lián)合作用當(dāng)量應(yīng)力的概念，并以當(dāng)量應(yīng)力代替較軟金屬材料的屈服應(yīng)力。根據(jù)“粘著摩擦理論”的說明，銅瓦采用滾壓加工后，承載內(nèi)孔表面由于粗糙度減小，微凸體高度下降、微凸體數(shù)量增多，“真實接觸面積”增大，“冷焊點”減少，摩擦系數(shù)降低。 3滾壓工藝對銅瓦性能的影響滾壓加工對銅瓦性能的影響是綜合性的，既包括對銅瓦PV值的影響，又包括對銅瓦表面抗疲勞性能、表面抗腐蝕能力等的影響。 3．1金屬表面滾壓(光整)效果據(jù)國內(nèi)一家光整加工設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的檢測數(shù)據(jù)顯示：經(jīng)過超聲滾壓加工的金屬表面，具有傳統(tǒng)壓光與噴丸強(qiáng)化的綜合效果，表面粗糙度比光整加工前降低2～4個等級，表面顯微硬度一般提高20％～50％，金屬表面抗腐蝕能力比未光整加工的金屬表面提高數(shù)倍，最大可達(dá)100倍以上；經(jīng)過光整加工的金屬表面抗疲勞性能一般增加200％～250％，光整加工可以消除金屬表面微觀缺陷，減少工件使用的初期損傷；經(jīng)過光整加工的金屬表面的摩擦阻力大大降低，一般可降低35％以上。 3．2銅瓦P值的變化銅瓦P值的變化，需要運(yùn)用磨損理論和“簡單粘損定律”予以解釋。按照Burwell的磨損理論，磨損機(jī)理共分為粘損、磨粒磨損、腐蝕磨損和表面疲勞四種。滑承的磨損，主要以粘著磨損和(或)磨粒磨損。粘著磨損，是指摩擦副表面相對滑動時，由于粘應(yīng)所形成的粘著結(jié)點發(fā)生剪切和斷裂，被剪切的材料脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面的現(xiàn)象。“簡單粘著磨損定律”，是在“粘著摩擦理論”的基礎(chǔ)上，采納Archard的方法計算得出。該定律的方程式為： Q=k里(1) jpq 式中：p——單位滑動距離的總磨損量；南——一微凸體接觸點產(chǎn)生一個磨粒的概率；形——法向載荷； _p0_一金屬的屈服壓力。該定律有三條結(jié)論： ①材料磨損量與行程成正比；②材料磨損量與載荷成正比；③材料磨損量與較軟材料的屈服應(yīng)力或硬度成反比。對于彈性材料p。一了H，H為布氏硬度值，則式 J (1)變?yōu)椋荷腈?2) 由式(2)可知，采用滾壓工藝后由于銅瓦表面顯微硬度提高，磨損量降低，銅瓦所許用的P值范圍將相應(yīng)擴(kuò)大。以錫青銅ZcuSnl0P1為例：原許用舊值承受沖擊載荷為20MPa，采用新工藝后可增大到25MPa。 3．3銅瓦y值的變化采用滾壓加工后銅瓦[y]值提高的原因，可用閃溫摩擦理論加以解釋。根據(jù)“粘著摩擦理論”，閃溫是由于摩擦副兩表面微凸體間不斷相互作用產(chǎn)生的溫升。換句話說，閃溫是真實接觸面的摩擦熱引起的溫升，故只產(chǎn)生在真實接觸面積上。銅瓦和配摩軸的溫升，是由閃溫 (摩擦表面產(chǎn)生的熱量)通過微凸體傳向金屬整體引起的，如圖5所示。根據(jù)熱平衡原理，即產(chǎn)生的摩擦熱等于向外散出的熱量，可列出摩擦副表面平均最高溫升方程： T=K 鯉!竺!型21．一(3) (C。、／百+c：、／i)、／} Y二式中：卜摩擦副表面平均最高溫升；圖5摩擦接點的溫度分布示意圖萬方數(shù)據(jù) K——常數(shù)； #廣～摩擦系數(shù)； p——銅瓦單位長度上的法向載荷； ”。、∥廠—鑰瓦和配摩軸的表面速度； 6——銅瓦接觸帶寬度； c。、c廠銅瓦和配摩軸的材料常數(shù)； C=ApC’，A為導(dǎo)熱系數(shù)，P為密度，C’為比熱。由式(3)可知，采用滾壓加工后，由于摩擦阻力 (摩擦系數(shù))降低，在摩擦副表面平均最高溫升值(國家標(biāo)準(zhǔn)要求不超過35℃)標(biāo)準(zhǔn)不變的條件下，如其他條件不作變化，則摩擦副的相對速度允許增大，即銅瓦最大許用[y]值得以提高。需要說明一點的是，目前關(guān)于摩擦熱的精確計算比較困難，銅瓦的最大許用【y]值通常通過試驗獲得。 3．4銅瓦PV值的變化銅瓦的PV值乘積量綱為功率單位，代表單位時間內(nèi)運(yùn)動零件的摩擦生熱量(放熱量)。由于滑動軸承的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析十分復(fù)雜，至今仍沒有軸承壽命、失效形式、可靠性等的準(zhǔn)確分析結(jié)果。滑動軸承的PV值，主要利用試驗獲得。PV值試驗通常是在一定速度下，采用逐步加載的方法進(jìn)行。當(dāng)軸承溫度達(dá)到80℃或摩擦系數(shù)急劇上升時的前一級載荷即為該速度時的極限載荷 PITlax，然后計算極限載荷和速度的乘積即得極限 Py值。根據(jù)極限PV值的獲取過程可知，在速度一定的條件下，極限PV值的大小主要取決于摩擦阻力的數(shù)值。按照國內(nèi)某光整加工設(shè)備公司提供的試驗數(shù)據(jù)“經(jīng)過超聲滾壓加工的金屬表面的摩擦阻力大大降低，一般可降低35％以上”的說明，滑動軸承的極限(許用)PV值采用新工藝后，將比原來增大35％以上。以錫青銅ZcuSnl0P1為例：原許用[Py】值承受沖擊載荷時為15MPa·m／s，采用新工藝后增大為 SPECIAL FORMING圓 20．25MPa·m／s。在實際生產(chǎn)中，如同時將與滑動軸承對磨的曲軸圓柱面粗糙度減小至Ra0．4以內(nèi)，滑動軸承在Py值達(dá)到30MPa·m／s以上時仍運(yùn)轉(zhuǎn)正常。 3．5銅瓦其他性能的變化滑動軸承(銅瓦材料)應(yīng)具備的性能包括：摩擦相容性、嵌入性、磨合性、摩擦順應(yīng)性、耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、耐氣蝕性、抗壓強(qiáng)度等。超聲滾壓加工，是在超聲波沖擊和靜壓力滾壓聯(lián)合作用下，對金屬工件表面進(jìn)行劇烈而均勻的塑性變形，導(dǎo)致工件一定深度表層的原始狀態(tài)晶粒被嚴(yán)重地打碎細(xì)化，從而獲得納米結(jié)構(gòu)層。由于工件表面被均勻壓縮，伴隨著產(chǎn)生了殘余壓縮應(yīng)力，從而提高了機(jī)械零部件的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、耐氣蝕性、抗壓強(qiáng)度等性能。但是采用滾壓工藝后，銅瓦的嵌人性、磨合性的性能降低，銅瓦的摩擦相容性、摩擦順應(yīng)性等性能基本保持不變。 4結(jié)語隨著新工藝、新技術(shù)的不斷應(yīng)用，進(jìn)行沖床設(shè)計時所依據(jù)的傳統(tǒng)銅瓦參數(shù)，需要根據(jù)試驗情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，才能更好地發(fā)揮沖床潛能。這就要求技術(shù)人員持續(xù)學(xué)習(xí)、不斷探索、及時總結(jié)，才能跟上科技進(jìn)步的步伐。【參考文獻(xiàn)】 [1] (英)J．霍林，主編．上海交通大學(xué)摩擦學(xué)教研室，譯．摩擦學(xué)原理．北京：機(jī)械_T業(yè)出版社，1981．【2】趙振鐸，等．金屬塑性成形的“平均摩擦系數(shù)”與接觸壓力的關(guān)系研究．英才高職論壇，2007，(1)． [3】何德譽(yù)，主編．曲柄壓力機(jī)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987． [4】秦劍．壓力機(jī)連桿外圓弧面加工新工藝．鍛壓裝備與制造技術(shù)， 201 1．46(2)．【5】秦劍，閔建成，孫興超．壓力機(jī)飛輪圓錐軸承裝配游隙的確定．鍛壓裝備與制造技術(shù)，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 萬
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