扭力軸花鍵冷打表面完整性研究

劉心藜，欒曉圣，王芳，王會龍，梁志強，王雪蓮，張晶晶

精密與超精密加工

扭力軸花鍵冷打表面完整性研究

劉心藜1，欒曉圣2a，王芳1，王會龍1，梁志強2b，王雪蓮1，張晶晶1

（1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.北京理工大學 a.機械與車輛學院 b.先進加工技術國防重點學科實驗室，北京 100081）

針對扭力軸花鍵冷打表面完整性規律不明的問題，研究冷打成形后花鍵表面的幾何、力學和組織狀態演變，為扭力軸花鍵抗疲勞制造工藝提供參考。將扭力軸花鍵冷打成形，檢測、表征冷打成形后花鍵的表面形貌及表面粗糙度、殘余應力、表層硬化和表層微觀組織狀態，基于高應變率下的真實應力應變曲線，對表層等效塑性應變進行分析。花鍵冷打起始與結束區域的表面存在“加工紋理不連續”、“起裂”缺陷。齒根表面形成殘余壓應力，達到–928.5 MPa。表層加工硬化效果明顯，硬化層深度達1 mm，顯微硬度和等效塑性應變沿層深呈梯度分布，顯微硬度提升24.2%，等效塑性應變達到175%。表層組織發生嚴重塑性變形，呈“纖維狀”，深度達500 μm。扭力軸花鍵冷打表面質量不均勻，兩端為薄弱區域，對齒根進行表面滾壓處理是后續必不可少的工序。冷打成形引入的殘余壓應力、加工硬化和連續性的微觀組織變形層對于表面完整性具有積極意義，其受后續工序的影響及演變需要進一步研究。

扭力軸花鍵；冷打成形；表面完整性

當前先進制造技術面臨從“成形制造”到“表面完整性制造”的轉變，即在實現零件加工精度的同時，還需要形成高性能的表面層，以保證零件服役性能的長期可靠性，如抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕等性能要求[1-3]。加工表面幾何形態和力學性能，如表面紋理、表層硬化、殘余應力和微觀組織變形等指標是影響零件服役性能的關鍵因素，揭示其形成及演變規律，對于“表面完整性制造”具有重要的指導意義[4-5]。

冷打成形是利用金屬材料的塑性變形特征，強迫金屬塑性流動，形成輪廓外形的一種“等材制造”方法。該方法加工效率高、成本低，綠色環保，在保證高精度成形的同時，改善成形表面完整性，使表層材料產生加工硬化，引入殘余壓應力，表層形成連續組織纖維，提高結構件的抗疲勞性能，具有重要的應用價值[6-10]。崔鳳奎等[11]研究了漸開線花鍵冷打成形表層殘余應力的分布規律，發現齒根處形成的殘余壓應力最大，齒頂處形成的殘余壓應力最小。劉志奇等[12]在花鍵冷滾壓成形的研究中也發現，齒根部位強化程度最高，顯微硬度提高25%。梁小明等[13]研究了40Cr材料冷滾打后的殘余應力分布，發現沿冷打方向齒根處，殘余壓應力最大值出現在距表面0.6 mm處，約為–550 MPa。李龍等[14]對45號鋼進行了冷滾打試驗，發現齒槽表層金屬組織晶粒得到明顯細化，且呈纖維狀。Takemasu等[15]發現滾壓工藝能夠降低齒輪表層組織間的孔隙度，引入更大的殘余壓應力，提升齒輪表面的抗疲勞性能。Roy等[16]和Haghshenas等[17-18]分別采用顯微壓痕硬度法，對采用花鍵芯軸單輥流動成形的AISI 1020鋼制件內部Von-Mises等效塑性真應變的局部變化進行了評估，分析了結構件不同區域發生的塑性應變差異帶來的應變硬化效應，并在最大等效塑性應變處觀察到明顯的晶粒拉伸變形。Ryttberg等[19]研究了100Cr6鋼環件冷輾擴過程中組織和織構的發展，發現{111}纖維織構向{110}織構變化，推測出冷輾擴過程中材料剪切和壓縮的混合變形。綜上所述，表面完整性已成為零件冷打成形過程中的主要研究內容，冷打成形后零件成形區域表層材料往往產生加工硬化，引入殘余壓應力，發生嚴重塑性變形，對零件的服役性能產生重要影響。

扭力軸服役期間的主要失效形式是花鍵齒根部產生的疲勞斷裂，這與花鍵齒根加工表面形性特征密切相關[20]。冷打成形是扭力軸花鍵的主要成形工藝，目前對其表面形性特征的形成及演變規律認識仍然不足，缺乏對其表面完整性的綜合表征分析。本文對扭力軸花鍵冷打成形表面進行了全面的檢測分析，揭示了其表面形貌及表面粗糙度、殘余應力、表層顯微硬度及等效塑性應變分布、表層微觀組織的形成及演變規律，研究結果可用于指導扭力軸花鍵“表面完整性制造”。

1 試驗

1.1 工件材料

扭力軸材料為退火處理后的45CrNiMoVA鋼，其化學成分見表1。其組織狀態形貌如圖1所示，其中白色相為鐵素體，暗色相為珠光體。

表1 45CrNiMoVA鋼化學成分

Tab.1 Chemical composition of 45CrNiMoVA steel　 wt.%

圖1 退火處理后45CrNiMoVA鋼的微觀組織形貌

花鍵冷打成形過程中，其表層材料的變形是一個高應變率變形過程[21-22]，基于霍普金森壓桿（SHPB）試驗，測得該材料在室溫、高應變率（應變率分別為3420、3690、3540 s–1）下的真實應力應變曲線如圖2a所示，以產生0.2%的殘余應變值時的應力值為屈服強度，從3條真實應力應變曲線中取平均值，得到45CrNiMoVA鋼的屈服強度s=746.7 MPa。金屬材料的名義硬度和屈服應力y存在以下關系，見式（1）[23]。

式中：常數和壓頭幾何形狀及材料性質有關，對于晶體金屬材料，≈3。取y=746.7 MPa，計算得到45CrNiMoVA鋼在動態加載下的名義硬度=2 240.1 MPa。

根據Hollomon[24]關系式（2），對真實應力應變曲線的塑性流動應力階段數據進行擬合，結果如圖2b所示，得到45CrNiMoVA鋼的應變硬化指數為0.683。

式中：為真實應力；為強化系數；為真實應變。

Tabor[23]提出的顯微硬度與等效塑性應變p之間的關系見式（3）。

式中：n是Berkovich硬度，與維氏硬度近似；近似等于材料的名義硬度；近似等于材料的應變硬化指數；ind是與壓痕過程相關的附加平均等效塑性應變。基于45CrNiMoVA鋼的動態力學性能分析結果，取=2 286 N/mm2，=0.683，基于Roy[16]對低碳鋼材料的研究，取ind=0.070 7。

基于以上分析，齒根表層材料顯微硬度HV和等效塑性應變p的關系可以用（4）、（5）式表示：

1.2 花鍵冷打成形原理

扭力軸漸開線花鍵冷打成形過程如圖3a所示。1對冷打輪分別偏心安裝于2根高速轉軸上，做同步逆向旋轉（本次試驗轉速為1 800 r/min）。該旋轉運動帶動冷打輪實現對材料表面非連續擊打，冷打輪能夠自由轉動。擊打期間，冷打輪與工件表面為滾動接觸。每擊打1次，扭力軸作分齒旋轉（360 (°)/，為花鍵齒數），同時沿軸向（）做進給運動（本次試驗進給速度為52 mm/min），冷打輪的擊打、滾壓迫使材料發生塑性流動，逐漸變形，直至花鍵成形。本次花鍵冷打成形試驗是在Grob公司的C9機床上完成，冷打成形后的扭力軸花鍵試樣如圖3b所示。

冷打成形后，花鍵試樣表面完整性指標的檢測方法如下：采用基恩士3D激光掃描顯微鏡VK-X100對試樣不同位置表面形貌進行檢測，并按照GBT 1031—2009測量表面粗糙度；依據QB-JX-01—2019，采用X射線殘余應力分析儀μ-360 s測量表面殘余應力；通過線切割，從冷打成形后的花鍵上切下一個齒，將垂直于軸向的橫截面磨拋、制樣，依據GB/T 4340.1—2009測量表層沿層深的顯微硬度分布，依據GB/T 13298—2015對表層截面微觀組織進行檢測分析，通過電子背散射衍射（EBSD）技術對花鍵表層材料微觀組織變形進行表征分析。

圖3 扭力軸花鍵冷打成形

2 結果與討論

2.1 表面形貌及表面粗糙度

扭力軸花鍵冷打成形后齒根的表面形貌如圖4所示。圖4a—e依次取自冷打開始部位到冷打結束部位，沿花鍵軸向間隔均勻分布的齒根表面形貌演變過程。冷打開始部位為扭力軸圓弧過渡段，擊打作用齒厚逐漸增加，此階段冷打成形后花鍵齒形輪廓與粗車紋理相交，導致此區域車削紋理不連續。同時，齒根表面保留明顯的車削痕跡，如圖4a所示。隨后擊打作用齒厚進入穩定階段（如圖4b—d所示），齒根表面光潔度提升，保留有輕微的粗車紋理痕跡，粗車紋理痕跡的“凸向”反映了擊打材料塑性流動的方向，沿該方向，齒根表面表現出明顯的連續纖維變形特征。最后，在扭力軸端面，花鍵冷打結束，此區域齒根表面出現“起裂”缺陷，如圖4e所示。這可能是過度擊打作用導致材料過度加工硬化所致。結合扭力軸結構服役環境分析，花鍵輪廓與圓弧過渡段相交區域（見圖4a）表面紋理不連續，在沖擊、循環扭轉載荷作用下，容易產生應力集中，誘發疲勞裂紋萌生，需要重點關注。

圖4 花鍵冷打成形后齒根表面形貌

冷打成形過程中，與冷打輪首先接觸的區域形成齒根，隨著擊打深度的增加，齒面也與冷打輪接觸，而齒頂沒有與冷打輪直接接觸，因此花鍵冷打成形過程中齒根表面材料變形最為嚴重，其次為齒面，而齒頂表面材料受到的影響最小。圖5a、c分別為花鍵中間部位齒根和齒頂表面形貌，可見，齒頂表面受擊打作用影響較小，仍保留明顯的粗車紋理，沿冷打方向（軸向）的形貌輪廓分別如圖5b、d所示，齒根在擊打作用下表面光潔度大幅提升。圖5e、f為齒根3D形貌及輪廓，齒根與齒面總體過渡均勻，形成較好的表面光潔度，這有利于花鍵連接配合、接觸均勻，延長花鍵使役壽命。

沿冷打方向，齒根表面粗糙度變化如圖6所示。花鍵兩端齒根表面粗糙度值較大，中間位置齒根表面粗糙度值較小，為1.974 μm。冷打工藝在開始和結束階段的不穩定性造成的加工表面質量問題，可能是導致花鍵結構抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕性能降低的重要原因。

圖5 花鍵冷打成形后齒根/齒頂（花鍵中間位置）表面形貌及輪廓

圖6 花鍵冷打成形后齒根不同位置表面粗糙度

2.2 殘余應力和顯微硬度

沿冷打方向測得花鍵齒根表面殘余應力變化結果如圖7所示。在冷打作用下，齒根處材料受擠壓，發生嚴重不均勻塑性變形，齒根表面引入了較大的殘余壓應力，表面殘余壓應力有利于抑制表面裂紋萌生，提升結構件使役壽命。沿花鍵冷打方向，齒根表面殘余壓應力首先保持較為穩定的變化，在花鍵冷打結束階段，齒根表面殘余壓應力出現明顯衰減，進一步反映了冷打結束階段的工藝不穩定性。齒根表面最大殘余壓應力達到–928.5 MPa，幅值超過其材料屈服強度。這是因為表層材料彈塑性變形過程中加工硬化所致[25]。這種高應變率變形過程中，加工硬化還可能導致材料屈服強度提高。Haghshenas等[18]在花鍵芯軸流動成形研究中發現，應變硬化導致5052合金和6061合金的平均屈服應力分別增加了187%和87%。

圖7 花鍵冷打成形后齒根沿軸向的表面殘余應力分布規律

在應變硬化機制作用下，齒根表面形成硬化層。齒根表層顯微硬度分布規律如圖8a所示，可以發現，齒根表層顯微硬度由表面到內部呈梯度變化，最大顯微硬度出現在表面。相比于內部基體的顯微硬度（最小值為277HV），表面顯微硬度（最大值344HV）提升了24.2%，硬化層深度（1）能夠達到1 mm。基于式（5）計算齒根表層材料等效塑性應變沿層深的分布，結果如圖8b所示。最大等效塑性應變發生在表面，達到175%，同樣沿層深形成梯度分布。實際上，鐵素體和珠光體兩相力學性能的差異會導致在更小尺度下鐵素體相周圍存在更大的局部應變。Kon-stantinov等[26]通過多尺度數值仿真計算得到了鐵素體-珠光體鋼冷軋后的微觀應變，局部組織應變相對宏觀應變明顯更大。

圖8 冷打成形后花鍵齒根表層材料的應變硬化規律

2.3 微觀組織

扭力軸花鍵冷打表層橫截面微觀組織形貌如圖9b所示。冷打成形后，花鍵齒根-齒面-齒頂表層形成連續性流線變形，這種連續性表層微觀組織結構能夠阻礙裂紋的萌生與擴展[27]，提升花鍵抗疲勞性能。因受擊打作用力的不同，花鍵齒頂與齒根表層微觀組織變形程度相差較大。圖9a、d為齒頂表層橫截面微觀組織形貌及其局部放大圖，齒頂表層組織變形主要由車削加工引起，受車削加工進給方向（平行于外圓切向）影響，形成深度大約100 μm的流變層（即嚴重塑性變形層）。齒根表層微觀組織形貌如圖9c、e所示，在直接擊打作用下，齒根表層發生嚴重塑性變形，形成深度大約500 μm的流變層，鐵素體和珠光體組織晶粒均被拉長成纖維狀，這與齒根表層等效塑性應變的梯度分布規律相對應。

因為鐵素體（較軟）和珠光體（較硬）在同一擊打過程中會發生不同的應變[26]，會導致微觀組織變形的不均勻。扭力軸花鍵冷打成形后，齒根表層晶粒取向分布及反極圖分布如圖10所示。從圖10a可以發現，表層組織形成較為明顯的“纖維狀”微織構特征；從圖10b可以發現，微織構偏聚在[101]方向。

圖9 扭力軸花鍵冷打表層橫截面微觀組織形貌

圖10 扭力軸花鍵冷打成形后齒根表層材料EBSD檢測結果

3 結論

1）花鍵冷打表面質量存在不均勻現象，花鍵起始及結束區域冷打表面質量較差，容易成為扭力軸服役期間的薄弱部位，對扭力軸花鍵齒根進行表面滾壓是其后續加工工藝流程中必不可少的一道工序。

2）冷打成形后齒根表層材料的加工硬化和塑性應變呈梯度分布，影響層深度達到1 mm，最大顯微硬度提升24.2%，最大塑性應變達175%。

3）冷打成形后，齒根表層組織晶粒被明顯拉長呈“纖維狀”，形成微織構，嚴重變形層深度達到500 μm，其在后續熱處理加工中的演變及其對熱處理后材料組織力學性能的影響需要進一步研究。

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Surface Integrity of Torsion Shaft Spline by Cold Roll Beating

1,2a,1,1,2b,1,1

(1. Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072, China; 2. a. School of Mechanical Engineering, b. Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

In order to solve the problem that the surface integrity of torque shaft spline during cold beating is not clear, the evolution of geometry, mechanics and microstructure of spline surface after cold beating is studied, which provides reference for anti-fatigue manufacturing process of torque shaft spline. The surface morphology, surface roughness, residual stress, surface hardening and microstructure of the spline were tested and characterized. Based on the true stress-strain curve at high strain rate, the equivalent plastic strain of the surface was analyzed. The surface of the beginning and end regions of spline cold beating had the defects of “processing texture discontinuity” and “crack initiation”. The residual compressive stress on the tooth root surface was –928.5 MPa. The effect of surface work hardening was obvious. The depth of hardened layer was 1 mm. The microhardness and equivalent plastic strain were distributed gradiently along the layer depth. The microhardness increased by 24.2% and the equivalent plastic strain reached 175%. Severe plastic deformation occurred in the surface layer, which was “fibrous” with a depth of 500 μm. The surface quality of torque shaft spline is uneven in cold beating, and the two ends are weak areas. Surface rolling treatment of tooth root is an essential process in the follow-up. The residual compressive stress, work hardening and continuous microstructure deformation layer introduced by cold beating are of positive significance to surface integrity, which needs further attention due to the influence and evolution of subsequent processes.

torsion shaft spline; cold roll beating; surface integrity

TG376

A

1001-3660(2022)04-0255-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.026

2021-05-08；

2021-11-03

2021-05-08；

2021-11-03

國家重點研發計劃（2019YFB1311100）；基礎科研項目（JCKY2017208C005）；國家自然科學基金（51975053）

The National Key Research and Development Program of China (2019YFB1311100); Industrial Technology Development Program of China(JCKY2017208C005) and the National Nature Science Foundation of China (51975053)

劉心藜（1978—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向為機械加工工藝。

LIU Xin-li (1978—), Female, Master, Senior engineer, Research focus: machining technology.

梁志強（1984—），男，博士，副教授，主要研究方向為精密磨削、微細刀具設計與制造、抗疲勞制造技術。

LIANG Zhi-qiang (1984—), Male, Doctor, Associate professor. Research focus: precision grinding, micro tool design and manufacturing, and anti fatigue manufacturing technology.

劉心藜, 欒曉圣, 王芳, 等. 扭力軸花鍵冷打表面完整性研究[J]. 表面技術, 2022, 51(4): 255-262.

LIU Xin-li, LUAN Xiao-sheng, WANG Fang, et al. Surface Integrity of Torsion Shaft Spline by Cold Roll Beating[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 255-262.

責任編輯：劉世忠