空心销轴无缝钢管的表面滚压强化加工技术研究

空心销轴无缝钢管的表面滚压强化加工技术研究

一、引言

空心销轴作为机械传动、工程机械、交通运输等领域的关键承载零部件，其核心基材多采用无缝钢管。在实际工况中，空心销轴需承受交变载荷、摩擦磨损及冲击载荷等复杂作用，其表面性能直接决定了零部件的使用寿命、可靠性及整体设备的运行安全性。传统的表面强化技术如热处理、电镀等，在提升空心销轴无缝钢管表面硬度的同时，易产生表面氧化、裂纹、结合力不足等缺陷，难以满足高端装备对零部件高性能的需求。

表面滚压强化加工技术作为一种绿色、高效的塑性变形强化工艺，通过滚压工具对工件表面施加一定的压力，使表面材料发生塑性流动，从而改善表面粗糙度、提高表面硬度和残余压应力，增强材料的抗疲劳、抗磨损能力。相较于传统技术，该技术具有加工效率高、无污染物排放、对工件基体性能影响小等显著优势。本文针对空心销轴无缝钢管的结构特点和性能要求，系统研究表面滚压强化加工技术的核心原理、关键影响因素、工艺优化及应用效果，为该技术在空心销轴制造领域的推广应用提供理论支撑和技术参考。

二、空心销轴无缝钢管表面滚压强化加工原理 2.1 核心作用机制

表面滚压强化的本质是通过滚压头与空心销轴无缝钢管表面的接触挤压，使工件表层金属产生塑性变形。在滚压力的作用下，表层金属晶粒发生滑移、畸变甚至细化，形成致密的纤维组织。同时，塑性变形过程中产生的应力会使表层金属处于残余压应力状态，这一状态能够有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展。此外，滚压过程还能碾压掉工件表面的微小凸起，降低表面粗糙度，形成光滑平整的表面形貌，减少摩擦磨损过程中的应力集中现象。

对于空心销轴无缝钢管而言，由于其具有中空结构，滚压过程中需特别关注内壁和外壁的变形协调性。当滚压工具作用于钢管表面时，表层金属的塑性流动会受到内部空心结构的约束，因此需要通过合理控制滚压力、滚压速度等参数，确保表面强化效果的同时，避免出现内壁凹陷、截面椭圆度超差等结构缺陷。

2.2 加工过程特征

空心销轴无缝钢管表面滚压强化加工过程主要分为三个阶段：接触挤压阶段、塑性变形阶段和弹性恢复阶段。在接触挤压阶段，滚压头与钢管表面初步接触，随着压力的逐渐增大，表面凸起部分首先发生弹性变形；当压力达到材料的屈服极限后，进入塑性变形阶段，表层金属开始发生显著的滑移和流动，凸起部分被碾压平整，晶粒结构得到优化；当滚压头离开工件表面时，进入弹性恢复阶段，表层金属在内部应力的作用下发生少量弹性恢复，最终形成稳定的强化表层。

该过程中，滚压工具的运动形式直接影响强化效果。针对空心销轴的圆柱面结构，通常采用轴向滚压或径向滚压两种方式：轴向滚压是滚压头沿钢管轴线方向移动，同时绕自身轴线旋转，适用于长尺寸空心销轴的加工；径向滚压是滚压头绕钢管圆周方向旋转，沿径向施加压力，适用于短尺寸或精度要求较高的空心销轴加工。

三、空心销轴无缝钢管表面滚压强化关键影响因素

表面滚压强化效果主要取决于滚压工艺参数、滚压工具特性、工件材料性能及空心结构参数等，各因素相互作用，共同决定了最终的表面强化质量。

3.1 滚压工艺参数

滚压工艺参数是影响强化效果的核心因素，主要包括滚压力、滚压速度、滚压次数及进给量等。

滚压力是决定塑性变形程度的关键参数。滚压力过小，表层金属塑性变形不足，无法达到理想的强化效果，表面硬度和残余压应力提升不明显；滚压力过大，会导致表层金属过度变形，产生加工硬化过度现象，甚至出现微裂纹、起皮等缺陷，同时还可能因过大的压力导致空心销轴内壁凹陷，影响其尺寸精度。因此，需根据空心销轴无缝钢管的材料硬度、壁厚及直径等参数，确定合理的滚压力范围。

滚压速度直接影响加工效率和表面质量。滚压速度过快，滚压头与工件表面的接触时间过短，表层金属塑性变形不充分，且易产生振动，导致表面粗糙度增大；滚压速度过慢，虽然能保证塑性变形充分，但加工效率过低，增加了生产成本。通常情况下，滚压速度需与滚压力、进给量相互匹配，一般控制在50-200mm/min范围内。

滚压次数对表面强化效果具有显著影响。单次滚压时，表层金属塑性变形不均匀，表面质量和强化效果较差；多次滚压可使表层金属塑性变形更加充分，晶粒细化更均匀，残余压应力分布更合理，表面粗糙度进一步降低。但滚压次数过多，会导致加工时间延长，同时可能因累积塑性变形过大产生缺陷，一般以2-4次为宜。

3.2 滚压工具特性

滚压工具的材料、结构及表面精度直接影响滚压效果和工具使用寿命。滚压头的材料需具有较高的硬度、耐磨性和韧性，常用材料包括高速钢、硬质合金及立方氮化硼（CBN）等。其中，硬质合金滚压头适用于加工硬度较高的无缝钢管，具有耐磨性好、使用寿命长等优势；高速钢滚压头则适用于加工硬度较低的材料，成本相对较低。

滚压头的结构设计需与空心销轴的尺寸和形状相匹配。对于空心销轴的外表面滚压，通常采用多滚柱式滚压头，通过多个滚柱均匀分布在圆周方向，确保滚压力均匀施加；对于内表面滚压，由于空间受限，常采用单滚柱或双滚柱式滚压头，需保证滚压头在空心内部能够稳定运动。此外，滚压头的表面粗糙度需控制在较低水平，避免在加工过程中对工件表面造成二次划伤。

3.3 工件材料与结构参数

空心销轴无缝钢管的材料性能直接影响滚压强化效果。材料的屈服强度、抗拉强度及塑性越好，滚压过程中表层金属的塑性变形越充分，强化效果越显著。常用的空心销轴无缝钢管材料包括20、45、40Cr等，其中40Cr等合金结构钢由于强度和塑性适中，经过滚压强化后，表面硬度和抗疲劳性能提升更为明显。

空心销轴的结构参数如壁厚、直径及长度等也会对滚压过程产生影响。壁厚较薄的空心销轴，在滚压力作用下易发生整体变形，因此需要采用较小的滚压力和多次滚压的方式；直径较大的空心销轴，需保证滚压头与工件表面的良好接触，避免出现局部强化不足的现象；长度较长的空心销轴，需控制滚压过程中的直线度，防止因两端受力不均导致表面质量不一致。

四、空心销轴无缝钢管表面滚压强化工艺优化 4.1 工艺优化目标

空心销轴无缝钢管表面滚压强化工艺优化的核心目标是在保证空心销轴尺寸精度和结构完整性的前提下，最大限度地提升表面硬度、降低表面粗糙度、增大残余压应力，从而增强其抗疲劳和抗磨损性能。同时，还需兼顾加工效率和生产成本，实现工艺的经济性和实用性。

4.2 工艺优化方法

采用正交试验法对滚压工艺参数进行优化是目前较为常用的方法。通过选取滚压力、滚压速度、滚压次数作为试验因素，每个因素设置3-4个水平，以表面硬度、表面粗糙度和残余压应力作为评价指标，设计正交试验方案。通过对试验结果的极差分析和方差分析，确定各因素对评价指标的影响程度，进而得出最优的工艺参数组合。

例如，针对45（直径50mm，壁厚5mm），选取滚压力（15kN、20kN、25kN）、滚压速度（80mm/min、120mm/min、160mm/min）、滚压次数（2次、3次、4次）作为试验因素，通过正交试验发现，滚压力对表面硬度和残余压应力的影响最为显著，滚压次数对表面粗糙度的影响最为显著，最终确定最优工艺参数为滚压力20kN、滚压速度120mm/min、滚压次数3次。

此外，还可通过数值模拟方法对滚压过程进行仿真分析，预测不同工艺参数下工件表面的应力分布、塑性变形程度及尺寸变化情况，为工艺参数的优化提供理论依据。通过数值模拟与试验相结合的方式，可有效缩短工艺优化周期，降低试验成本。

4.3 特殊结构的工艺调整

对于一些具有特殊结构的空心销轴，如两端带有台阶、内壁有沟槽等，需要对滚压工艺进行针对性调整。例如，对于带台阶的空心销轴，可采用分段滚压的方式，先滚压大直径段，再滚压小直径段，避免台阶部位因应力集中导致变形；对于内壁有沟槽的空心销轴，需设计专用的滚压头，确保沟槽部位能够得到充分滚压强化，同时避免对沟槽边缘造成损伤。

五、滚压强化加工技术的应用效果验证 5.1 表面性能检测

对经过滚压强化处理的空心销轴无缝钢管进行表面性能检测，结果表明：相较于未滚压处理的工件，表面硬度可提升30%-50%，例如45，表面硬度可从220HB提升至320-350HB；表面粗糙度可显著降低，从Ra1.6μm以上降低至Ra0.2-0.4μm；表层残余压应力可达到-200--400MPa，有效抑制了疲劳裂纹的萌生。

5.2 疲劳性能测试

通过疲劳试验对滚压强化后的空心销轴进行性能验证，采用弯曲疲劳试验方法，试验载荷为10kN，频率为10Hz。结果显示，未滚压处理的空心销轴疲劳寿命约为5×10⁵次，而经过滚压强化处理的空心销轴疲劳寿命可提升至1.5×10⁶-2×10⁶次，疲劳寿命提升了2-4倍，显著增强了其抗疲劳性能。

5.3 实际工况应用验证

将滚压强化处理后的空心销轴应用于某工程机械的传动系统中，进行为期1000小时的实地工况测试。测试结果表明，滚压强化后的空心销轴表面无明显磨损痕迹，运行稳定，未出现断裂、变形等故障；而同期使用的未滚压强化空心销轴，表面出现了明显的磨损和微小裂纹，使用寿命仅为600小时左右。这一结果充分证明了滚压强化加工技术能够显著提升空心销轴的实际使用性能和使用寿命。

六、结论与展望 6.1 结论

本文系统研究了空心销轴无缝钢管表面滚压强化加工技术，得出以下主要结论：

1. 表面滚压强化通过表层金属的塑性变形，能够有效提升空心销轴无缝钢管的表面硬度、降低表面粗糙度、增大残余压应力，从而显著增强其抗疲劳和抗磨损性能。

2. 滚压力、滚压速度、滚压次数等工艺参数，滚压工具的材料和结构，以及工件的材料性能和结构参数是影响滚压强化效果的关键因素，需通过正交试验、数值模拟等方法进行优化。

3. 经优化后的滚压强化工艺应用于空心销轴加工，可使表面硬度提升30%-50%，表面粗糙度降低至Ra0.2-0.4μm，疲劳寿命提升2-4倍，实际工况使用寿命显著延长。

4. 表面滚压强化加工技术具有绿色、高效、成本低等优势，适用于空心销轴无缝钢管的批量生产，具有良好的应用前景。

6.2 展望

虽然表面滚压强化加工技术在空心销轴无缝钢管加工中取得了良好的应用效果，但仍有以下几个方面需要进一步研究和完善：

1. 针对高强度、高硬度无缝钢管材料的滚压强化技术研究，开发专用的滚压工具和工艺参数，进一步提升强化效果。

2. 结合智能化加工技术，开发自适应滚压加工系统，实现滚压过程中工艺参数的实时监测和自动调整，提高加工精度和稳定性。

3. 深入研究滚压强化表层的微观组织结构演变规律，建立微观结构与宏观性能之间的关联模型，为工艺优化提供更精准的理论支撑。

4. 拓展滚压强化技术的应用范围，研究其在异形空心销轴、薄壁空心销轴等特殊结构零部件加工中的应用，进一步提升该技术的适用性。