1 引言

　　油缸、氣缸、活塞、活塞桿等需要緊密配合的大型軸套類零件對尺寸精度及表面粗糙度的要求較高，并要求工作表面具有殘余壓應力。此類零件的精加工通常采用磨削 + 噴丸處理工藝，但加工效率低，加工成本高，且對直徑及長度尺寸較大的內圓表面的磨削加工相當困難。為解決這一加工難題，本文提出一種使用改型硬質合金車刀對工件表面進行冷擠壓光整加工的方法。

　　2 硬質合金擠壓刀

　　擠壓刀用 90 硬質合金車刀磨制而成，其外形尺寸如圖 1 所示。要求刀具具有較高尺寸精度，且擠壓工作部分表面粗糙度 Ra<0.4μm 。

圖 1 硬質合金擠壓刀

　　3 冷擠壓工作原理

　　冷擠壓工作原理如圖 2 所示。將擠壓刀裝夾在普通車床的刀架或刀桿上，工件裝夾在三爪卡盤上。通過縱向進給對工件表面施加一定擠壓力，可使表層金屬產生相應的塑性變形;再通過橫向走刀和工件的旋轉，迫使工件車削后殘留的刀痕波峰在自變形的同時將凸起材料擠向前方的波谷內，從而降低刀痕波峰與波谷的高度差，達到降低表面粗糙度的目的。在擠壓過程中，工件表層將產生殘余壓應力，可提高其疲勞強度和抗腐蝕能力。

圖 2 擠壓過程示意圖

　　用擠壓刀進行冷擠壓加工是一種無屑加工，它可替代磨削和噴丸處理兩道工序，顯著提高加工效率。采用傳統工藝加工需耗時 1 小時的工件，用冷擠壓加工僅需 10 分鐘。

　　4 擠壓表面強化機理

　　擠壓刀擠壓工件表面時，內孔壁和外圓壁處金屬材料的晶粒及分布在晶粒邊緣上的雜質被拉長呈纖維狀，使外圍彈性區產生拉應力，而外圍彈性區的彈性恢復作用又使孔壁附近材料 ( 纖維組織 ) 產生殘余壓應力。這一殘余壓應力對疲勞裂紋的產生具有一定抑制作用，并可使已存在的微觀裂紋處于閉合狀態，從而使裂紋張開時的應力強度因子值 Kmax 減小，裂紋擴展驅動力降低。同時，這一負殘余應力與外加應力疊加后，可使金屬表層一定區域內的實際拉應力水平降低，從而顯著提高其疲勞強度 ( 圖 3 為擠壓強化提高疲勞強度極限示意圖 ) 。此外，晶粒的碎化可增加一定體積晶體內的晶粒數目，即在相同變形條件下變形量被分散到更多晶粒內，使各晶粒的變形更為均勻而不至于產生過分形變集中微區。由于形變集中微區的塑性應變量遠大于平均應變量，所以形變集中微區的存在為材料的屈服創造了有利條件，而反復產生的正反向交變塑性變形是形成疲勞裂紋的必要條件，其結果是其中少數形變集中微區內將萌生疲勞初裂紋核。

圖 3 擠壓強化提高疲勞強度示意圖

　　綜上所述，擠壓壁附近材料的晶粒被拉長而產生殘余壓應力以及晶粒碎化使變形更為均勻是用擠壓刀進行擠壓強化可提高工件材料疲勞壽命的內在機理。

　　5 擠壓工藝參數的選取

　　擠壓余量的大小決定了所需擠壓力的大小，而擠壓力的大小又直接影響擠壓效果。如擠壓余量過大，擠壓刀會迅速磨損，導致工件表面質量下降;如擠壓余量過小，則達不到預期加工目的。因此，應在保證擠壓精度的前提下盡量選擇最小擠壓余量。通常擠壓碳鋼、合金鋼材料時可選取擠壓余量 0.025 ～ 0.04mm ;擠壓鑄鐵時選取 0.03 ～ 0.05mm 。當工件材質較軟時 ( 如有色金屬 ) 可選取較大擠壓余量;工件尺寸較小時應選取較小擠壓余量，以防止整體變形。由于擠壓余量要受到擠壓表面硬度、擠壓前工件表面粗糙度、工件壁厚等因素的影響，因此加工前進行試擠壓，以確定擠壓參數。

　　較高的擠壓光整速度可使擠壓刀與工件表面接觸區溫度升高，工件表面屈服強度降低，使工件易于變形和壓低表面波峰填平波谷，從而改善工件表面粗糙度。但如擠光速度過高，則會破壞潤滑油膜，容易引起工件表面燒傷或劃傷。因此，存在一個擠光速度 ( 可通過試驗獲得 ) 。加工黑色金屬時，擠光速度可在 0.5 ～ 1m/ s 之間選取，走刀量可在 0.01 ～ 0.03mm/r 之間選取，加工外圓時取較大值，加工內孔時選取較小值。

　　擠壓加工中應注意以下問題：

　　1. 擠壓工作部位應為擠壓刀刃上 3 ～ 5mm 的直線段，并應使擠壓刀刃部略比中心高出 1mm 左右。

　　2. 擠壓時應根據工件表面產生的各種現象適當調節工藝參數。如工件表面產生麻點或擦傷，表明擠壓刀刃部表面粗糙，擠光速度過快;工件表面產生脫皮現象則表明擠壓量過大、重復擠壓或工件材料塑性較差。

　　3. 擠壓加工過程中的潤滑冷卻十分重要。擠壓前工件表面不允許存在銹斑、油污、鐵屑、灰塵等，擠壓過程中應注入充分的潤滑冷卻液，以及時帶走擠壓中產生的熱量，延長擠壓刀使用壽命。通常擠壓鑄鐵時可采用油酸 + 煤油混合液;擠壓碳鋼、合金鋼時可采用機油作為冷卻潤滑劑。

　　6 結語

　　擠壓試驗和加工實踐表明，使用硬質合金車刀對軸套類工件表面進行冷擠壓光整加工具有質量可靠、操作簡便、經濟實用、工效高、成本低等優點。擠壓前表面粗糙度為 Ra3.2 ～ 1.6μm 的工件經擠壓后表面粗糙度為 Ra0.8 ～ 0.2μm ，改善幅度可達 70% ～ 90% ;通過擠壓加工還可縮小工件直徑的尺寸公差;擠壓后工件的擠光硬化層達 3mm ，可大大提高工件的疲勞強度和抗腐蝕能力。

　　若將擠壓刀裝夾在立式車床上，可對超出磨床加工范圍的特大型工件進行擠壓加工。該擠壓加工方法適用范圍較廣，既可加工黑色金屬材料，又可加工有色金屬材料。