汽车、机车、航空、军事等工业中的一些关键零件常在重载、严酷的条件下工作,它们要求有良好的机械性能以获得有效和长时间工作,通常低的表面粗糙度、高的压缩残余应力和表面冷作硬化程度(以塑性应变为指标)将大大提升零件机械性能特别是疲劳强度。传统机加工工艺如切削等常对零件表面完整性有不利影响,如粗糙表面、裂纹和拉伸残余应力等。滚压是一种作为切削加工后续工艺的表面光整和表面强化技术,它利用高硬度且表面光滑的物体在零件表面滚动或滑动,对零件表层材料局部加压,超出屈服点后将发生微小塑性变形,从而修整零件表面的微观几何形状、降低表面粗糙度,同时使零件表层金相组织细化并产生压缩残余应力和冷作硬化。随着滚压技术的发展,出现了很多新的形式,如高硬度材料滚压、激光辅助滚压、低塑性滚压、深冷滚压、自由型面滚压、超声波及振动滚压等,它们有不同的零件工作要求和加工方式,如深冷滚压要求高压缩残余应力和高冷作硬化程度,而低塑性滚压要求高压缩残余应力和低冷作硬化程度以消除热应力松弛。这使得对滚压效果特别是表面强化作用如残余应力、冷作硬化程度的定性定量分析要求越来越迫切,占据滚压研究大多数的实验方法虽然行之有效,但工作量大,周期长,增加了生产成本,且不具备通用性,而采用解析方法和有限元方法对滚压进行建模和分析可以减少实验周期、降低费用,成为目前滚压研究的热点。 滚压的主要作用有两点,一是表面光整作用,主要体现为表面粗糙度的下降；二是表面强化作用,主要体现为工件表层压缩残余应力和冷作硬化程度。因此研究从这两方面展开,其中表面强化作用为滚压技术的深入应用和发展方向,是研究的重点。 采用考虑交互作用的L27(313)正交实验设计与分析方法研究了切削速度、切削进给量、切削深度和滚压速度、滚压进给量、滚压量对滚压表面光整作用(以表面粗糙度为指标)和表面强化作用(以表面微硬度为指标)的影响规律,其中考虑了对滚压效果影响最显著的切削进给量、滚压量和滚压进给量两两之间的交互作用,分析得出了对滚压效果产生显著影响的因素及其规律,结果分析表明切削进给量是对滚压表面光整效果唯一有显著影响的因素,另外它是对滚压表面强化效果有显著影响的因素之一,考虑到滚压力或滚压量对滚压加工的本质影响,选取了切削进给量和滚压力或滚压深度作为滚压机理的解析分析和有限元分析的主要参数。 得到四种不同刀具角度条件下的切削残留面积最大高度与刀具角度和切削进给量的关系公式。对条状粗糙峰某一截面在滚压中的塑性流动规律采用滑移线场方法进行了研究,得到了理论最佳滚压表面光整效果,得到了滚柱滚压表面光整效果与滚压量和滚压力的关系公式,得到了理论最佳滚压量,解析结果与实验结果的对比表明,在达到理论最佳滚压量之前,解析结果与实验结果具有很好的一致性,但随着滚压量的继续增加,实验表面粗糙度将继续下降,即实际表面光整效果要比解析分析得到的结果高。得到了滚珠滚压表面光整效果与滚压力的关系公式,得到了理论最佳滚压力,解析结果与实验结果的对比表明,两者的大致趋势相同,但误差要比滚柱滚压大,因为滚珠滚压比滚柱滚压更偏离解析公式的平面应变推理假设。还对振动滚压加工机理进行了研究。分析了滚珠滚压和滚柱滚压时,工件表层发生微塑性变形的区域和最大塑性变形深度与滚压力的关系,并与有限元分析的结果进行对比,发现两者具有很好的一致性,硬化程度高的材料有限元分析的结果偏离解析结果的程度大,而且有限元分析所得结果的连续性差。得到了工件表层发生微塑性变形的区域和塑性变形深度与滚压深度的关系,并与有限元分析的结果进行对比,两者具有较好的一致性,但解析公式得到的接触刚度要大于有限元分析结果,也会大于实际情形,因为推理假设中采用了刚度较大的赫兹接触假设。得到了微塑性区域在滚压时的弹性应力、塑性应力和滚压后的残余应力和冷作硬化程度等,并与实验结果进行了对比,表明大致趋势一致,但由于解析分析中集中力的推理假设,使最表层的解析结果大于实验结果。采用滚压分布力假设得到滚压工具下工件最表层实际上存在静水压力区的结论,这符合有限元分析的结果,从滚压残余应力和冷作硬化程度沿深度分布的实验分析结果来说,也证明了该结论,因为残余应力和冷作硬化程度并非从最大值单调下降至零(绝对值),而是存在拐点先上升至最大值后下降至零,但静水压力区的大小及其对滚压表面强化作用有何影响,有待进一步深入研究。 对滚压的合理分析区域进行了研究,得到了有限元模型大小与滚压力或滚压深度的关系。介绍了应用于滚压有限元分析的理论基础、几何模型和网格模型、边界条件、摩擦模型、材料本构关系、自适应局部网格重划分和切削残余应力输入的方法。对低塑性滚压IN718进行了有限元分析,并将有限元分析结果与实验数据进行了对比,证实了模型的有效性,同时有限元分析的结果也表明低塑性滚压确实能在保证压缩残余应力的条件下降低冷作硬化程度,在此基础上考虑切削进给量和切削残余应力,对低塑性滚压进行了有限元分析,表明切削初始表面和切削残余应力对滚压残余应力的产生影响比较小。对滚柱滚压1045钢和滚珠滚压316L不锈钢两种典型滚压形式进行了有限元分析并与实验结果进行了对比,同样证明了模型的有效性。