1 引言
油缸、气缸、活塞、活塞杆等需要紧密配合的大型轴套类零件对尺寸精度及表面粗糙度的要求较高，并要求工作表面具有残余压应力。此类零件的精加工通常采用磨削+喷丸处理工艺，但加工效率低，加工成本高，且对直径及长度尺寸较大的内圆表面的磨削加工相当困难。为解决这一加工难题，本文提出一种使用改型硬质合金车刀对工件表面进行冷挤压光整加工的方法。
图1 硬质合金挤压刀
图2 挤压过程示意图
2 硬质合金挤压刀
挤压刀用90 硬质合金车刀磨制而成，其外形尺寸如图1所示。要求刀具具有较高尺寸精度，且挤压工作部分表面粗糙度Ra<0.4µm。
3 冷挤压工作原理
冷挤压工作原理如图2所示。将挤压刀装夹在普通车床的刀架或刀杆上，工件装夹在三爪卡盘上。通过纵向进给对工件表面施加一定挤压力，可使表层金属产生相应的塑性变形；再通过横向走刀和工件的旋转，迫使工件车削后残留的刀痕波峰在自变形的同时将凸起材料挤向前方的波谷内，从而降低刀痕波峰与波谷的高度差，达到降低表面粗糙度的目的。在挤压过程中，工件表层将产生残余压应力，可提高其疲劳强度和抗腐蚀能力。
用挤压刀进行冷挤压加工是一种无屑加工，它可替代磨削和喷丸处理两道工序，显著提高加工效率。采用传统工艺加工需耗时1小时的工件，用冷挤压加工仅需10分钟。
4 挤压表面强化机理
挤压刀挤压工件表面时，内孔壁和外圆壁处金属材料的晶粒及分布在晶粒边缘上的杂质被拉长呈纤维状，使外围弹性区产生拉应力，而外围弹性区的弹性恢复作用又使孔壁附近材料(纤维组织)产生残余压应力。这一残余压应力对疲劳裂纹的产生具有一定抑制作用，并可使已存在的微观裂纹处于闭合状态，从而使裂纹张开时的应力强度因子最大值Kmax减小，裂纹扩展驱动力降低。同时，这一负残余应力与外加应力叠加后，可使金属表层一定区域内的实际拉应力水平降低，从而显著提高其疲劳强度(图3为挤压强化提高疲劳强度极限示意图)。此外，晶粒的碎化可增加一定体积晶体内的晶粒数目，即在相同变形条件下变形量被分散到更多晶粒内，使各晶粒的变形更为均匀而不至于产生过分形变集中微区。由于形变集中微区的塑性应变量远大于平均应变量，所以形变集中微区的存在为材料的屈服创造了有利条件，而反复产生的正反向交变塑性变形是形成疲劳裂纹的必要条件，其结果是其中少数形变集中微区内将萌生疲劳初裂纹核。
图3 挤压强化提高疲劳强度示意图
综上所述，挤压壁附近材料的晶粒被拉长而产生残余压应力以及晶粒碎化使变形更为均匀是用挤压刀进行挤压强化可提高工件材料疲劳寿命的内在机理。
5 挤压工艺参数的选取
挤压余量的大小决定了所需挤压力的大小，而挤压力的大小又直接影响挤压效果。如挤压余量过大，挤压刀会迅速磨损，导致工件表面质量下降；如挤压余量过小，则达不到预期加工目的。因此，应在保证挤压精度的前提下尽量选择最小挤压余量。通常挤压碳钢、合金钢材料时可选取挤压余量0.025～0.04mm；挤压铸铁时选取0.03～0.05mm。当工件材质较软时(如有色金属)可选取较大挤压余量；工件尺寸较小时应选取较小挤压余量，以防止整体变形。由于挤压余量要受到挤压表面硬度、挤压前工件表面粗糙度、工件壁厚等因素的影响，因此加工前最好进行试挤压，以确定最佳挤压参数。
较高的挤压光整速度可使挤压刀与工件表面接触区温度升高，工件表面屈服强度降低，使工件易于变形和压低表面波峰填平波谷，从而改善工件表面粗糙度。但如挤光速度过高，则会破坏润滑油膜，容易引起工件表面烧伤或划伤。因此，存在一个最佳挤光速度(可通过试验获得)。加工黑色金属时，挤光速度可在0.5～1m/ s 之间选取，走刀量可在0.01～0.03mm/r之间选取，加工外圆时取较大值，加工内孔时选取较小值。
挤压加工中应注意以下问题：
挤压工作部位应为挤压刀刃上3～5mm 的直线段，并应使挤压刀刃部略比中心高出1mm左右。
挤压时应根据工件表面产生的各种现象适当调节工艺参数。如工件表面产生麻点或擦伤，表明挤压刀刃部表面粗糙，挤光速度过快；工件表面产生脱皮现象则表明挤压量过大、重复挤压或工件材料塑性较差。
挤压加工过程中的润滑冷却十分重要。挤压前工件表面不允许存在锈斑、油污、铁屑、灰尘等，挤压过程中应注入充分的润滑冷却液，以及时带走挤压中产生的热量，延长挤压刀使用寿命。通常挤压铸铁时可采用油酸+煤油混合液；挤压碳钢、合金钢时可采用机油作为冷却润滑剂。
6 结语
挤压试验和加工实践表明，使用硬质合金车刀对轴套类工件表面进行冷挤压光整加工具有质量可靠、操作简便、经济实用、工效高、成本低等优点。挤压前表面粗糙度为Ra3.2～1.6µm 的工件经挤压后表面粗糙度为Ra0.8～0.2µm，改善幅度可达70%～90%；通过挤压加工还可缩小工件直径的尺寸公差；挤压后工件的挤光硬化层达3mm，可大大提高工件的疲劳强度和抗腐蚀能力。
若将挤压刀装夹在立式车床上，可对超出磨床加工范围的特大型工件进行挤压加工。该挤压加工方法适用范围较广，既可加工黑色金属材料，又可加工有色金属材料。
