超聲光整工業(yè)純鐵表面粗糙度分析研究

王愛福魯帥帥朱智勇昃向博

（1.山東華云機(jī)電科技有限公司，濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）

超聲光整工業(yè)純鐵表面粗糙度分析研究

王愛福1魯帥帥2朱智勇2昃向博2

（1.山東華云機(jī)電科技有限公司，濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）

利用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究超聲波光整強(qiáng)化工藝關(guān)鍵參數(shù)對(duì)工業(yè)純鐵加工后表面粗糙度值的影響情況，借助SPSS軟件分析得出，頻率取值增加的過程中Ra值先降低后升高，振幅取值增加的過程中，Ra值初期維持在一穩(wěn)定數(shù)值上，當(dāng)振幅越過一定數(shù)值后Ra值開始降低，壓力值增加過程中Ra值在初期有較高的減速，越過一定值后Ra值的減速開始降低并趨于平緩。通過微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)處理后工件表面位置存在一定厚度約14～20.09μm晶粒細(xì)化非常均勻的組織變形層，其沿軸向的分布存在波動(dòng)性，表層晶粒沿軸向呈層狀分布。

超聲波 光整工業(yè) 純鐵粗糙度 晶粒微觀組織

當(dāng)今社會(huì)工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，在給人類社會(huì)帶來生產(chǎn)技術(shù)的革命的同時(shí)，也使得對(duì)工業(yè)零件質(zhì)量的要求越來越高。很多機(jī)械裝置及零部件的服役條件極為嚴(yán)苛，因此對(duì)于零件的強(qiáng)度、耐熱性、耐腐蝕性、耐摩擦磨損等性能提出了跟高的要求[1]。

超聲波光整強(qiáng)化技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)零件表面材料的改性，如細(xì)化表面晶粒，在表層一定厚度材料內(nèi)預(yù)置壓應(yīng)力，提高零件的疲勞壽命，提高表層顯微硬度[2]。

結(jié)合目前工業(yè)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，電工純鐵是一種含鐵量在99.5%以上的優(yōu)質(zhì)鋼，具有鋼質(zhì)純凈度高、加工性能好以及表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，如電磁繼電器，鐵芯用純鐵，軟磁純鐵，磁屏蔽用純鐵帶，航空儀器儀表等。電工純鐵雖然具有良好的磁性，但其材質(zhì)較軟，其表層很難通過常規(guī)工藝得到強(qiáng)化處理[3]。

1 超聲波光整強(qiáng)化工藝結(jié)構(gòu)組成

超聲波光整強(qiáng)化系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和加工頭四部分。超聲波發(fā)生器連接電源后產(chǎn)生超聲頻級(jí)的振蕩電流，并將振蕩電流輸送給下級(jí)換能器部分，換能器將高頻振蕩電流轉(zhuǎn)換為等頻率的機(jī)械振動(dòng)并輸出，高頻機(jī)械振動(dòng)輸送至變幅桿的輸入端，變幅桿將質(zhì)點(diǎn)位移量進(jìn)行放大，經(jīng)放大后的機(jī)械振動(dòng)作用在加工頭上，加工頭直接與零件表面接觸，工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 工藝結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測試結(jié)果

結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，選用L9（34）正交表設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)[4]，本實(shí)驗(yàn)是以超聲波光整強(qiáng)化工藝對(duì)于零件回轉(zhuǎn)面的加工作為實(shí)際工況，每一個(gè)工藝參數(shù)組合為一個(gè)加工帶，每根棒料上共設(shè)計(jì)9條加工帶，根據(jù)加工需要將初始材料規(guī)格設(shè)計(jì)為Φ40×280mm的圓柱形棒料。實(shí)驗(yàn)在CA6140A型車床上進(jìn)行，所用設(shè)備如圖2所示，不同振動(dòng)頻率的超聲波光整強(qiáng)化系統(tǒng)通過與車床刀架的配合實(shí)現(xiàn)更換。

圖2 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備

結(jié)合工業(yè)純鐵本身質(zhì)較軟的特性，壓力過大易造成表面損傷反而使表面質(zhì)量惡化，因此壓力這一工藝參數(shù)取值相對(duì)較低，具體水平劃分及工藝參數(shù)組合如表1所示，工業(yè)純鐵棒料的初始粗糙度值為4.2μm。

表1 水平劃分及工藝參數(shù)組合

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及微觀組織觀察

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將表1中關(guān)于工業(yè)純鐵粗糙度的測量值導(dǎo)入SPSS軟件，利用其正交試驗(yàn)分析功能進(jìn)行分析得出各工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度值的影響趨勢(shì)如圖3～5所示。

圖3 頻率因素對(duì)粗糙度值影響趨勢(shì)

圖4 振幅因素對(duì)粗糙度值影響趨勢(shì)

圖5 壓力因素對(duì)粗糙度值影響趨勢(shì)

結(jié)合表1和圖3中頻率部分進(jìn)行分析可以得出，當(dāng)頻率分別取1～3水平時(shí)，粗糙度的平均取值分別為0.247μm、0.233μm、0.243μm，由頻率的結(jié)果分布圖可以看出頻率對(duì)于工業(yè)純鐵的表面粗糙度值的影響趨勢(shì)大致呈凹形，在2水平（30kHz）時(shí)粗糙度值最小，頻率由低增至高點(diǎn)過程中工件表面粗糙度值先降低后升高。頻率因素劃分的三個(gè)水平形成的兩條連線基本對(duì)稱，即以30kHz為分界兩側(cè)的增減速度基本相等。

結(jié)合表1和圖4中振幅部分進(jìn)行分析可以得出，當(dāng)振幅分別取1～3水平時(shí)，粗糙度的平均值分別為0.243μm、0.237μm、0.243μm，結(jié)果顯示隨著振幅取值的增大，工件的表面粗糙度值初期維持在一穩(wěn)定數(shù)值上，當(dāng)振幅越過一定數(shù)值后工業(yè)純鐵表面粗糙度值開始降低，由表1中關(guān)于振幅的分析結(jié)果圖可以得出，在振幅取較低的兩個(gè)水平值時(shí)工業(yè)純鐵表面粗糙度值相等。

結(jié)合表1和圖5中壓力部分進(jìn)行分析可以得出，當(dāng)壓力分別取1～3水平時(shí)，粗糙度的平均值分別為0.213μm、0.277μm、0.233μm，通過對(duì)圖3中的壓力因素的分布曲線可以得出，壓力因素對(duì)于工業(yè)純鐵表面粗糙度值的影響趨勢(shì)為隨著壓力值的增大表面粗糙度值為降低的趨勢(shì)，其中三個(gè)水平值劃分成的兩段連線中前一段斜率較大，后一段斜率有所減小，即隨著壓力值的增大工業(yè)純鐵表面粗糙度值在初期有較高的減速，越過一定值后粗糙度值的減速開始降低趨于平緩。

3.2 微觀組織觀察

對(duì)工業(yè)純鐵材質(zhì)的試樣進(jìn)行了微觀組織觀察，由于工業(yè)純鐵本身純度很高，腐蝕后大部分區(qū)域?yàn)楣饬恋蔫F素體[5]，因此本實(shí)驗(yàn)借助基恩士超景深電子顯微鏡進(jìn)行圍觀組織的觀察。選取2號(hào)試樣進(jìn)行斷面微觀組織觀察，由表1可以得出該試樣表面粗糙度值為0.28μm，其微觀組織如圖6所示，放大倍數(shù)1000倍。

圖6 微觀組織觀察

如圖所示，右側(cè)為未處理區(qū)，邊沿中未經(jīng)處理的試樣，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過超聲波光整強(qiáng)化處理的試樣由于前一道車削工序在其表面留下了溝壑，其表層組織沿軸向分布一層很薄的變形層，這是由于車刀的切削擠壓作用造成表層晶粒的拉裂破碎，而且在表面上該變形層并不是連續(xù)的，波峰位置該變形組織分布薄一些，波谷位置相對(duì)厚一些，這是由于材料在車削過程中波峰是由于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和工件自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相疊加而造成的相鄰車痕的交匯處，該處受到的車刀的作用力很小，因此對(duì)于波峰位置的表層晶粒的擠壓破碎作用相對(duì)小很多，因此波峰位置的變形組織分布要薄一些。而材料表面的波谷位置是車削過程中車刀前角與工件直接接觸經(jīng)過耕犁作用形成的，該位置組織受到車刀前角的強(qiáng)烈擠壓造成了位于波谷的晶粒的破碎，與波峰位置相比變形層厚度相對(duì)要后很多。

通過觀察該試樣中處理區(qū)的微觀組織可以發(fā)現(xiàn)該試樣的表面位置存在一定厚度的組織細(xì)化層，其沿軸向的分布存在波動(dòng)性，變形晶粒紋路呈波浪狀，即變形劇烈區(qū)同非劇烈區(qū)交替出現(xiàn)，通過標(biāo)尺測量發(fā)現(xiàn)該試樣表面變形層的厚度在14～20.09μm范圍內(nèi)波動(dòng)

對(duì)比處理區(qū)和未處理區(qū)發(fā)現(xiàn)加工區(qū)和非加工區(qū)表面平整度對(duì)比明顯，與表面粗糙度值的實(shí)際測量結(jié)果相一致，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)加工區(qū)域的徑向高度要明顯低于非加工區(qū)的波峰的高度，但是要高于波谷位置的高度，因此也更好的證明了超聲波光整強(qiáng)化工藝能夠?qū)崿F(xiàn)工件表面削峰填谷的作用。

4 結(jié)論

（1）頻率因素對(duì)于工業(yè)純鐵的表面粗糙度值的影響趨勢(shì)大致呈凹形，頻率由低增至高點(diǎn)過程中工件表面粗糙度值先降低后升高，以30kHz為分界兩側(cè)的增減速度基本相等。

（2）隨著振幅取值的增大，工件的表面粗糙度值初期維持在一穩(wěn)定數(shù)值上，當(dāng)振幅越過一定數(shù)值后工業(yè)純鐵表面粗糙度值開始降低。

（3）隨著壓力值的增大工業(yè)純鐵表面粗糙度值在初期有較高的減速，越過一定值后粗糙度值的減速開始降低趨于平緩。

（4）對(duì)特定試樣進(jìn)行微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)該試樣的表面位置存在一定厚度約14～20.09μm的組織細(xì)化層，其沿軸向的分布存在波動(dòng)性，即變形劇烈區(qū)同非劇烈區(qū)交替出現(xiàn)，變形區(qū)內(nèi)厚度方向晶粒細(xì)化非常均勻，與心部組織對(duì)比明顯，表層晶粒沿軸向呈層狀分布。

[1]劉占強(qiáng)，賀蒙，趙建.機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理與工藝技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2015,26（3）:403-413.

[2]魯帥帥，昃向博，付秀麗.超聲波光整強(qiáng)化40Cr表層顯微硬度研究[J].2014，（12）：27-33.

[3]孫建春，盛光敏，王越田，陳登明.自納米化電工純鐵表面合金化改性研究[J].功能材料，2011,42（4）：763-766.

[4]陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]任頌贊，張靜江，陳質(zhì)如，等.鋼鐵金相圖譜[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003.

Analysis and Study on Surface Roughness of Industrial Iron Processed by Ultrasonic Finishing and Reinforcing Process

WANG Aifu1,LU Shuaishuai2,ZHU Zhiyong2,ZE Xiangbo2
（1.Shandong Huawin Technology Co.Ltd,Jinan 250000;2.School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022）

Using the orthogonal experiment theory, this paperdesigned experiments to study the effects of key parameters of ultrasonicfinishing strengthen process on surface roughness of industrial iron.Using SPSS software to analyze the results, during the process offrequency value increasing, Ra value first decreased and thenincreased; during the process of amplitude value increasing, the initialRa value is maintained at a stable value. When the amplitude goesover a certain value, the Ra value begins to decrease; during theprocess of pressure value increasing, the deceleration of Ra values ishigher at the beginning, across a certain value Ra values decelerationbegan to decrease and flatten. The micro structure of treated surfacelocation was observed, and it found that there exists a uniform grainlayer along the axial distribution which is about 14-20.09μmthickness, and surface grain is distributed axial .

ultrasonic finishing,industrial iron,roughness,grain, microstructure