复杂功能型面冷滚打成形表层性能形成机理及表面完整性控制

Cold roll-beating forming is a kind of manufacturing method which is no smear metal, high efficiency, high quality and green. This method has a wide application prospect in the manufacturing of complex functional surface parts which are used in aerospace, automotive and of high-tech industries. Cold roll-beating forming is a complex forming with multi-factor combined effects. The surface performance is the key factor to influence the surface integrity; it is a scientific problem of improving the quality of cold rolling parts. This project regards the study of complex functional surface in cold roll-beating forming as the research object, and the improvement of the surface integrity as the goal. Sliding friction thermodynamics behavior under the thermal coupling, surface roughness, surface residual stress, strain hardening and mechanism of micro cracks are studied systematically by the means of simulation experiment by rolling and sliding friction, crack compliance method, X-ray diffraction (XRD) and 3D roughness test. Theoretical supports of improving the quality of the complex functional surface in cold roll-beating forming parts can be provided by exploring the formation mechanism of cold rolling forming parts' surface performance, revealing the law that the rolling wheel forming parameters affect the performance of cold rolling forming surface performance, presenting the matching criterion and control method of cold rolling forming surface performance to achieve optimal parameters, realizing the accurate control complex functional surface of the cold rolling forming surface, perfecting the cold rolling forming theory.

冷滚打成形是一种无切削、高效率、高质量的等量制造方法，在航空航天、汽车等产业零件制造方面有广阔的应用前景。冷滚打成形是多因素耦合作用下的复杂成形，成形零件的表层性能及其与成形参数间的关系较为复杂，难以实现表面完整性控制。解决其科学实质，是提升冷滚打零件使用性能亟待解决的科学问题。本项目以复杂功能型面的冷滚打成形为研究对象，以实现冷滚打成形表面完整性控制为目标，以摩擦模拟试验、裂纹柔度法和X射线衍射测试为手段，系统研究冷滚打成形过程中热力耦合的滚滑摩擦热动力学行为、成形零件表面粗糙度、表层残余应力、加工硬化及微裂纹产生的机理，探索冷滚打成形件表层性能的形成机制，揭示滚打轮成形参数对成形表层性能的影响规律，提出冷滚打成形表层性能达到最优的参数匹配准则和参数控制方法，实现复杂功能型面冷滚打成形表面完整性的精确控制，完善冷滚打成形理论，为复杂功能型面冷滚打成形零件品质的提升提供理论支撑。

冷滚打成形技术是一种新型的塑性加工成形技术，具有材料利用率高、绿色无污染、低成本、加工效率高等优点。冷滚打成形过程中滚打轮对工件进行往复断续击打，使材料受到非均匀热和力耦合作用，引起材料内部发生金属流动，从而工件产生变形。非均匀热力耦合作用不仅影响冷滚打成形表层性能，而且很难控制成形工件表面完整性，进而影响成形工件的性能。研究冷滚打成形表层性能形成机理，探寻冷滚打成形表面完整性与成形参数之间的最优匹配，已成为迫切需要解决的问题。.针对复杂功能型面冷滚打成形表层性能形成机理及表面完整性控制项目，运用理论分析、有限元模拟、试验研究、理论计算相结合的方法，研究冷滚打成形过程，建立冷滚打成形过程中打入、稳定击打、离开三个阶段的数学模型；分析击打过程中产生的热量，研究等效应变、等效应力、节点温度对工件塑性变形的影响；探究滚打过程中滚滑摩擦热效应对应变、金属流动、应力、击打力的影响，分析滚打轮转速、工件进给量、击打方式、击打深度等对冷滚打滚滑热力耦合摩擦过程的影响；研究冷滚打成形工件表面微观形貌形成过程，分析金属流动、弹性恢复对冷滚打表面微观形貌的影响，开展冷滚打花键表面粗糙度试验，分析滚打轮转速、工件进给量对表面粗糙度的影响，构建冷滚打花键表面粗糙度数学模型；研究冷滚打成形表层残余应力成形原理，探究成形过程中金属流动与残余应力之间的关系，探明冷滚打成形金属表层微观组织形貌演变过程，运用轮廓法进行冷滚打成形表层残余应力试验，探究热力因素对残余应力形成的影响过程，分析残余应力对表面微观形貌的影响，基于试验结果构建复杂功能型面冷滚打表层残余应力与加工参数之间的模型；研究冷滚打花键加工硬化宏观、微观机制，分析冷滚打不同位置的应变、金属流动随时间的变化情况，基于冷滚打花键试验结果，分析不同工件进给量、滚打轮转速下显微硬度变化规律，建立加工硬化微观模型，探究位错密度与加工硬化评价指标、维氏硬度与应力应变、维氏硬度与残余应力、维氏硬度与位错密度之间的关系，基于试验结果建立滚打成形表层加工硬化程度、硬化层深与加工参数之间的模型；运用改进的粒子群算法对冷滚打成形表面完整性进行多目标优化，从而实现冷滚打成形表面完整性成形参数的精确控制。研究成果为在实际工程应用中推广冷滚打成形技术，具有重要的理论指导意义和实际应用价值。.