超聲波輔助滾壓加工改善零件表面性能的研究

張 明，唐紅霞

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061）

超聲波輔助滾壓加工改善零件表面性能的研究

張 明，唐紅霞

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061）

采用超聲波輔助滾壓加工技術(shù)對(duì)45鋼試件進(jìn)行加工，測(cè)量了表面粗糙度值及硬度值。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波輔助滾壓加工有效提高了表面機(jī)械性能；通過(guò)改變加工參數(shù)，零件表面粗糙度值及硬度值均出現(xiàn)不同的變化規(guī)律；當(dāng)處理強(qiáng)度大于材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件表面會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋等現(xiàn)象；最終給出了各加工工藝參數(shù)的合理范圍。

超聲滾壓；工藝參數(shù)；表面質(zhì)量

機(jī)械零件的失效大多始于工件表面，如：疲勞、腐蝕、摩擦磨損等，所以提高表面質(zhì)量對(duì)延長(zhǎng)機(jī)械零件的使用壽命具有重要意義。超聲波輔助滾壓加工技術(shù)是超聲振動(dòng)與滾壓加工相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法，屬于表面強(qiáng)化技術(shù)的范疇，它具有彈性壓力小、摩擦力小、表面粗糙度值低等優(yōu)點(diǎn)，因而日益受到人們的重視。

1 超聲波輔助滾壓加工原理

整套加工系統(tǒng)包括超聲波輔助滾壓加工裝置及數(shù)控車床（圖1）。超聲波輔助滾壓加工裝置由超聲波發(fā)生器5、換能器4、變幅桿3、滾壓工具頭2等組成。超聲波發(fā)生器用以產(chǎn)生超聲頻電振蕩，并將其提供給換能器，再由換能器轉(zhuǎn)換為相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，而變幅桿是把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移量或運(yùn)動(dòng)速度放大，并通過(guò)滾壓工具頭將壓力和超聲波振動(dòng)施加到處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的工件1表面進(jìn)行加工。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在C6136車床上進(jìn)行，選用軸類常用的45鋼作為試驗(yàn)材料。先將市售棒料加工成直徑30 mm、長(zhǎng)300 mm的實(shí)心軸，測(cè)得其表面粗糙度值約Ra2.3 μm，硬度值為240 HV，軸端用頂尖頂緊。超

聲波輔助滾壓加工的滾壓工具頭選用直徑為6 mm 的GCr15鋼球，加工過(guò)程中使用潤(rùn)滑油作為冷卻潤(rùn)滑液。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 滾壓過(guò)盈量對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

研究滾壓過(guò)盈量對(duì)試件表面粗糙度及硬度的影響時(shí)，選用的振幅為8 μm、橫向進(jìn)給量為0.05 mm/r，滾壓速度為27 m/min。

滾壓過(guò)盈量對(duì)表面粗糙度及硬度的影響見圖2。可看出，在其他工藝參數(shù)一定的情況下，當(dāng)滾壓過(guò)盈量較小時(shí)，試件表面粗糙度值隨著過(guò)盈量的增大逐漸減??；但當(dāng)滾壓過(guò)盈量超過(guò)0.16 mm且繼續(xù)增大時(shí)，表面粗糙度值會(huì)不斷增大。同時(shí)，表面硬度值始終隨著滾壓過(guò)盈量的增大而增大。

圖2 滾壓過(guò)盈量對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

超聲波輔助滾壓的超聲振動(dòng)部分不僅能沖擊材料表面，產(chǎn)生加工硬化及殘余壓應(yīng)力，而且當(dāng)滾壓過(guò)盈量過(guò)大時(shí)，試件表面會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，引起位錯(cuò)密度增加和晶粒的破碎，出現(xiàn)表面起皮、脫落等現(xiàn)象[1]。

3.2 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

對(duì)45鋼試件進(jìn)行加工，選用滾壓過(guò)盈量為0.06 mm，振幅為8 μm，滾壓速度為27 m/min。進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度及硬度的影響見圖3。可看出，在其他參數(shù)一定的情況下，試驗(yàn)范圍內(nèi)的試件表面粗糙度值及硬度值始終隨著進(jìn)給量的增大而減小。

圖3 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

加工過(guò)程中，進(jìn)給量的大小決定了工件表面在軸向上被加工的連續(xù)程度，而在所設(shè)定的滾壓速度范圍下，適當(dāng)增大滾壓進(jìn)給量，使其與滾壓速度相匹配，彌補(bǔ)相對(duì)過(guò)大的滾壓速度所引起的一系列不良效果，如加工不充分現(xiàn)象。同時(shí)，隨著滾壓進(jìn)給量的增大，工件的塑性變形不夠充分，在表面形成的冷作硬化層較淺，表層金屬硬化功效降低。

3.3 滾壓速度對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

選用滾壓過(guò)盈量為0.06 mm，振幅為8 μm。滾壓速度對(duì)表面粗糙度及硬度的影響見圖4?？煽闯?，當(dāng)滾壓速度處于較小水平時(shí)，試件表面粗糙度達(dá)到最好狀態(tài)；隨著滾壓速度的增加，表面粗糙度值逐漸增大，硬度值也不斷升高。

圖4 滾壓速度對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

一般來(lái)講，若進(jìn)給量不大，較高的滾壓速度會(huì)形成表面重復(fù)滾壓，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過(guò)一圈開始加工下一圈時(shí)，滾壓工具頭勢(shì)必與上一圈的加工表面產(chǎn)生重疊，高速旋轉(zhuǎn)的主軸必定會(huì)引起振動(dòng)，而上一轉(zhuǎn)滾壓也會(huì)在加工表面留下或深或淺的振紋，那么在下一圈的加工中，滾壓工具頭將在有振紋的表面進(jìn)行滾壓，這時(shí)滾壓厚度將會(huì)產(chǎn)生變化，使工具產(chǎn)生振動(dòng)，因此在本轉(zhuǎn)加工中產(chǎn)生新的振紋，這樣重復(fù)疊加便造成表面粗糙度的惡化。但是，由于表面這種疊加滾壓，使工件表面加工充分，形成冷作硬化層，提高了硬度。如圖5所示，Ⅰ為超聲輔助滾壓加工前的試件效果圖，Ⅱ?yàn)闈L壓速度為27 m/min、進(jìn)給量為0.05 mm/r時(shí)的加工效果圖，Ⅲ為滾壓速度過(guò)高、進(jìn)給量較小時(shí)的加工效果圖。

圖5 試件加工對(duì)比圖

圖6所示的Ⅰ、Ⅱ分別是滾壓加工前與滾壓速度過(guò)高、進(jìn)給量較小時(shí)的滾壓工具頭磨損對(duì)比圖。

圖6 滾壓工具頭磨損對(duì)比圖

3.4 滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

研究滾壓次數(shù)對(duì)試件表面粗糙度及硬度的影響時(shí)，選用滾壓過(guò)盈量為0.06 mm，振幅為8 μm，進(jìn)給量為0.05 mm/r，滾壓速度為27 m/min。

滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度及硬度的影響見圖7。可看出，在超聲波輔助滾壓加工過(guò)程中，當(dāng)滾壓次數(shù)不超過(guò)5次時(shí)，試件表面粗糙度值隨著滾壓次數(shù)的增加而有所下降；當(dāng)滾壓次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，試件表面粗糙度值顯著增大；而表面硬度值始終處于逐漸增加狀態(tài)。該現(xiàn)象說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加滾壓次數(shù)能有效地降低表面粗糙度值，這是因?yàn)橥鶑?fù)加工能在一定程度上彌補(bǔ)上一次加工所出現(xiàn)的遺漏，使加工表面更均勻一致；但隨著處理次數(shù)的增加，會(huì)大幅延長(zhǎng)單個(gè)試件的加工時(shí)間，降低生產(chǎn)效率，而過(guò)度加工也會(huì)對(duì)加工表面造成損傷[2]。

圖7 滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

3.5 振幅對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

超聲輔助滾壓裝置振幅是影響加工質(zhì)量的重要因素。本試驗(yàn)裝置可使?jié)L壓工具頭獲得4～12 μm的振幅，選用滾壓過(guò)盈量為0.06 mm，進(jìn)給量為0.05 mm/r，滾壓速度為27m/min。

振幅對(duì)表面粗糙度及硬度的影響見圖8。可看出，當(dāng)振幅較小時(shí)，增大振幅可減小試件表面粗糙度值。隨著振幅繼續(xù)增大，試件表面粗糙度值也會(huì)逐漸增大，且試件的表面硬度與振幅呈遞增趨勢(shì)。這主要是因?yàn)檫^(guò)大的振幅會(huì)對(duì)試件的表面造成較大的沖擊，降低表面質(zhì)量。

圖8 振幅對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

4 結(jié)論

（1）研究了超聲波輔助滾壓加工工藝參數(shù)中的滾壓過(guò)盈量、滾壓速度、進(jìn)給量、振幅、滾壓加工次數(shù)對(duì)試樣表面粗糙度及硬度性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：選取合適的工藝參數(shù)可使表面性能達(dá)到更好的效果。

（2）通過(guò)試驗(yàn)得出超聲波輔助滾壓加工45鋼時(shí)，各工藝參數(shù)的合理范圍：滾壓過(guò)盈量為0.1～0.2 mm，滾壓次數(shù)為4～6次，振幅為6～10 μm。

[1] 呂光義，朱有利，李禮，等.超聲深滾對(duì)TC4鈦合金表面形貌和表面粗糙度的影響 [J].中國(guó)表面工程，2007，20 （4）：38-41.

[2] 王婷，王東坡，沈煜，等.超聲表面滾壓加工參數(shù)對(duì)40Cr表面粗糙度的影響 [J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（2）：168-172.

Research on Improvement of Parts Surface Properties by Ultrasonic Auxiliary Rolling Processing

Zhang Ming，Tang Hongxia
（Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266061，China）

Using the ultrasonic auxiliary rolling processing technology，machining is carried out on 45 steel specimen，and the roughness and hardness values of surface are measured.The test results indicate that ultrasonic auxiliary rolling processing can effectively improve the surface mechanical properties，what's more，the parts surface roughness and hardness values are different if the processing parameters are changed.When dealing strength is greater than the tensile strength of material，surface of workpiece may produce damage forms such as micro-crack.Processing parameters in the reasonable scope have given.

ultrasonic rolling；processing parameters；surface quality

TG663

A

1009－279X（2014）02－0060-03

2013-10-31

張明，男，1960年生，教授。