縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾表面粗糙度研究*

羅傲梅

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，河南 焦作454003)

機(jī)械零件的失效或破壞，主要從其表面層開始，產(chǎn)品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面質(zhì)量。因此，如何提高零件的表面質(zhì)量，進(jìn)而提高產(chǎn)品的使用性能和使用壽命，一直是眾多研究者和學(xué)者們熱議的話題。目前，生產(chǎn)中常采用噴丸、滾壓、擠壓等常規(guī)的金屬表面強(qiáng)化方法來改善零件的表面綜合質(zhì)量［1］。但是，這些強(qiáng)化方法常存在增大表面粗糙度值、在工件次表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力、擠壓作用力大等缺陷［2-4］。

伴隨著超聲加工技術(shù)的深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將超聲頻振動(dòng)引入到常規(guī)表面強(qiáng)化工藝中，實(shí)現(xiàn)超聲表面強(qiáng)化，已成為表面強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展的新方向［5］，如超聲噴丸、超聲擠壓、超聲深滾等強(qiáng)化工藝已在工程領(lǐng)域獲得應(yīng)用，并被證明可在一定程度上細(xì)化晶粒，降低表面粗糙度值，顯著提高表面顯微硬度等［5-8］。

本研究將縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲加工與深滾加工工藝相耦合，創(chuàng)建縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工工藝，詳細(xì)闡述其加工原理，理論分析超聲振動(dòng)對(duì)表面粗糙度的影響，并采用縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾與常規(guī)深滾兩種加工工藝對(duì)6061 -T6 鋁合金棒料進(jìn)行加工處理，研究深滾工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響。

1 縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工原理

圖1 為縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工原理圖。

該工藝是在常規(guī)深滾過程的基礎(chǔ)上，對(duì)工具頭縱向和圓周方向分別施以一定振幅的同頻超聲振動(dòng)。工具頭在一定的靜壓力作用下壓在高速旋轉(zhuǎn)的工件上，同時(shí)沿工件軸線做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)?？v向超聲振動(dòng)促使工具頭對(duì)工件表面進(jìn)行垂直高速的周期性沖擊;扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)則使工具頭對(duì)已加工表面進(jìn)行反復(fù)的碾壓沖擊和滾光。

由于金屬材料在常溫狀態(tài)下具有冷塑性，所以，由縱向超聲振動(dòng)產(chǎn)生的高速?zèng)_擊使工件表面形成一定厚度的壓應(yīng)力層和冷作硬化層，對(duì)工件表面起到強(qiáng)化作用;而由扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)引起的碾壓沖擊和滾光運(yùn)動(dòng)，使工件表層材料發(fā)生塑性流動(dòng)，達(dá)到削峰填谷的光整效果。

顯然，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工是基于縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲加工和深滾加工的表面強(qiáng)化工藝［9］，是二維復(fù)合振動(dòng)超聲加工與深滾加工相耦合的復(fù)合加工工藝，屬于超聲表面形變強(qiáng)化工藝的范疇。同時(shí)，該工藝也是一種動(dòng)態(tài)沖擊式滾壓光整加工方法，可期實(shí)現(xiàn)工件表面的強(qiáng)化加工與光整加工。

2 超聲振動(dòng)影響表面粗糙度理論分析

若僅從幾何因素考慮，在縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工中，其理論表面粗糙度為進(jìn)給方向的殘留面積高度與滾壓速度方向的振紋高度的綜合值Ra1，如式(1)所示;而在常規(guī)深滾加工中，其理論粗糙度值Ra2僅與進(jìn)給方向的殘留面積高度有關(guān)，如式(2)所示。

式中:Ra1為縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾表面粗糙度;Ra2為常規(guī)深滾表面粗糙度;Rz為進(jìn)給方向殘留面積高度;Rth為滾壓速度方向殘留面積高度。

根據(jù)式(1)和式(2)可知，相對(duì)于常規(guī)深滾加工，理論上縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工工藝因Rth的存在，只能對(duì)表面粗糙度起負(fù)面影響。

在縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工中，超聲振動(dòng)對(duì)表面粗糙度的影響可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入探討。

(1)超聲振動(dòng)改善工藝系統(tǒng)的抗振性，可降低表面粗糙度值。

基于振動(dòng)理論［10］分析可知:引入縱-扭復(fù)合振動(dòng)后，工件的變形僅為普通滾壓的tc/T(T 為超聲振動(dòng)周期，tc為每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)滾輪與工件接觸的時(shí)間)甚至更小，這相當(dāng)于提高了工藝系統(tǒng)的剛度，從而增加了工藝系統(tǒng)的抗振性。此外，滾輪以20 kHz 的頻率做高頻振動(dòng)，與工藝系統(tǒng)的自激振動(dòng)頻率相差大，故共振現(xiàn)象不可能發(fā)生。從這個(gè)意義上說，把超聲振動(dòng)引入常規(guī)滾壓，有抑制工藝系統(tǒng)振動(dòng)的優(yōu)勢。工藝系統(tǒng)抗振性增強(qiáng)，加工過程中顫振現(xiàn)象減弱，從而改善了加工精度和表面粗糙度。

(2)超聲振動(dòng)改善滾輪/工件摩擦狀態(tài)，減少滾輪磨損量，降低表面粗糙度值。

在常規(guī)深滾過程中，產(chǎn)生于阻止金屬塑性流動(dòng)的摩擦力和摩擦熱的綜合作用會(huì)加劇滾輪磨損，降低加工精度。同時(shí)，若工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，在滾壓加工中會(huì)產(chǎn)生金屬粘結(jié)現(xiàn)象，惡化加工表面質(zhì)量。當(dāng)輔助超聲振動(dòng)后，滾輪高頻振動(dòng)，與工件處于斷續(xù)接觸狀態(tài)，冷卻液更易進(jìn)入滾壓區(qū)，使?jié)L壓區(qū)的冷卻和潤滑更充分，進(jìn)而改善了二者間的摩擦狀態(tài)。此外，滾輪壓入時(shí)產(chǎn)生的巨大加速度，形成瞬時(shí)高壓，使冷卻液乳化更均勻，摩擦系數(shù)降低，減小了摩擦力。這些特點(diǎn)都有助于減少滾輪的磨損量，保證滾輪的精度，從而改善工件表面粗糙度。

(3)扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)改善金屬塑性流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)碾壓光整加工，提高加工質(zhì)量。

在常規(guī)深滾加工中，由于滾輪對(duì)加工區(qū)域的擠/滾壓作用，引起金屬塑性流動(dòng)，在滾輪前方易形成金屬隆起堆積層，在適度的壓力和切削熱作用下，會(huì)造成滾輪與工件表面粘結(jié)在一起，刮花工件表面。

在縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工中，由于超聲振動(dòng)的周期性脈沖作用，滾輪與工件的接觸-分離-接觸狀態(tài)，可有效改善接觸區(qū)域的金屬層應(yīng)力狀態(tài)，降低切削熱，避免粘連現(xiàn)象。但是，由縱向超聲振動(dòng)引入的垂直沖擊效應(yīng)在實(shí)現(xiàn)工件表面強(qiáng)化的同時(shí)，也會(huì)沿著滾壓路徑兩側(cè)和滾壓前進(jìn)方向形成類似耕犁后的微小的凹坑和凸峰。扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)促使?jié)L輪對(duì)已加工區(qū)域進(jìn)行反復(fù)碾壓和滾光，在有效碾平因縱向超聲振動(dòng)沖擊后形成的微小凹坑和凸峰的同時(shí)，還可修復(fù)工件表面的一些微損傷和微缺陷，更好地改善加工表面質(zhì)量，即扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)在加工過程中可實(shí)現(xiàn)碾壓光整作用。

總之，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工工藝因?yàn)槌曊駝?dòng)的存在，加工中工件粘連現(xiàn)象發(fā)生的幾率降低，工藝系統(tǒng)的變形減小，系統(tǒng)剛性提高，滾輪與工件間的摩擦狀態(tài)得到有利改善，滾輪的磨損也得到減緩，更有利實(shí)現(xiàn)工件表面光整加工。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所選用的材料為供應(yīng)態(tài)6061 -T6 鋁合金軸件，軸徑為Φ50 mm，經(jīng)粗車后，軸件直徑為Φ48 mm，表面粗糙度Ra=1.69 μm。

縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工試驗(yàn)裝置如圖2 所示。該加工試驗(yàn)在CA6140B/A 普通車床完成。利用三爪卡盤裝夾工件，在刀架上安裝縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工聲學(xué)系統(tǒng)，并保證滾輪中心線通過機(jī)床主軸軸線，采用乳化液作為切削液。

聲學(xué)系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、縱向振動(dòng)壓電換能器、開斜槽傳振桿和滾輪，可實(shí)現(xiàn)單激勵(lì)下縱-扭復(fù)合振動(dòng)。工具頭采用YG8 材料制造的球形滾輪。

經(jīng)阻抗測試，聲學(xué)系統(tǒng)縱- 扭復(fù)合振動(dòng)頻率為19.8 kHz，滾輪縱向振動(dòng)振幅為6.3 μm，扭轉(zhuǎn)切向振動(dòng)位移為9 μm。試驗(yàn)所需靜壓力由安裝在換能器底部的壓縮彈簧提供。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取可控的3 個(gè)工藝參數(shù)靜壓力F、進(jìn)給量fv和工件轉(zhuǎn)速n 作為工藝參數(shù)指標(biāo)，采用單因素試驗(yàn)法，研究這些工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響。試驗(yàn)參數(shù)見表1 所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)表

試驗(yàn)過程的具體操作方法為:在相同的每一組滾壓工藝參數(shù)下，分別對(duì)同一工件表面進(jìn)行超聲深滾和常規(guī)深滾試驗(yàn)。當(dāng)打開超聲波發(fā)生器時(shí)為縱-扭共振超聲深滾加工，關(guān)閉超聲波發(fā)生器時(shí)為常規(guī)深滾加工。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用SURTRONIC3 +粗糙度測量儀沿工件周向取5 處進(jìn)行測量，測試滾壓后工件軸向表面粗糙度(Ra)，取其平均值作為測試結(jié)果。

4.1 靜壓力對(duì)表面粗糙度的影響

按照表1 所示試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制兩種加工工藝下靜壓力對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律曲線，如圖3 所示。

由圖3 可知，在相同的滾壓工藝參數(shù)下，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工后的表面粗糙度值總是小于常規(guī)深滾加工后的表面粗糙度值。引入縱-扭復(fù)合振動(dòng)后，靜壓力對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律發(fā)生改變。當(dāng)壓力在較小范圍時(shí)，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工對(duì)表面粗糙度改善作用優(yōu)勢明顯，但當(dāng)壓力繼續(xù)增大時(shí)，兩種深滾加工獲得的表面粗糙度值十分接近。當(dāng)靜壓力F=12 N 時(shí)，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工后粗糙度值僅為常規(guī)深滾后的57%。

靜壓力較小時(shí)，超聲振動(dòng)效果明顯，對(duì)工件表面高頻沖擊和碾壓，改善了工件表面的粗糙度;隨靜壓力逐漸增大時(shí)，超聲振動(dòng)受到抑制，當(dāng)靜壓力增大到一定值時(shí)，滾輪被緊緊的壓實(shí)在工件表面，超聲振動(dòng)效果幾乎消失，如同常規(guī)深滾，故二者的表面粗糙度值幾乎接近相等。

4.2 工件轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

按照表1 所示試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制兩種加工工藝下工件轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律曲線，如圖4 所示。

顯然，工件轉(zhuǎn)速對(duì)兩種深滾處理后的表面粗糙度影響規(guī)律基本相同，即:表面粗糙度值隨工件轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大。縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工后的表面粗糙度值總是小于常規(guī)深滾后的粗糙度值，且當(dāng)工件轉(zhuǎn)速n=160 r/min 時(shí)，前者約為后者的70%。

分析其原因?yàn)?轉(zhuǎn)速過低，導(dǎo)致工件相同部位過沖擊，而轉(zhuǎn)速過高，工件周向存在局部被多次滾壓和局部未被滾壓共存的跳躍性現(xiàn)象，故都不利于工件表面粗糙度的改善。對(duì)機(jī)床而言，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較低和較高時(shí)其回轉(zhuǎn)精度均不佳，對(duì)加工質(zhì)量也有不利影響。

4.3 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

按照表1 所示試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制兩種加工工藝下進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律曲線，如圖5 所示。

由圖5 知，進(jìn)給量對(duì)兩種深滾處理的表面粗糙度影響規(guī)律為:表面粗糙度值隨進(jìn)給量的增加先減小，然后再增大。當(dāng)進(jìn)給量fv=0.12 mm/r 時(shí)，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工可獲得一最佳表面粗糙度值，其值約為常規(guī)深滾的70%。

進(jìn)給量過低，滾輪在進(jìn)給方向相鄰兩次的擠壓間隙過小，不利于金屬的塑性流動(dòng);而進(jìn)給量過大時(shí)，因滾輪導(dǎo)致的殘留面積高度增大。綜合之，進(jìn)給量過大或過小，都會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度值得增大，因此在加工中要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的進(jìn)給量。

5 結(jié)語

(1)在常規(guī)深滾中引入超聲振動(dòng)，可提高工藝系統(tǒng)的抗振性，改善滾輪與工件間的摩擦和接觸特性，可有效改善工件表面質(zhì)量

(2)常規(guī)深滾和縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工工藝均會(huì)改善6061 -T6 鋁合金材料表面粗糙度狀況，但是改善程度不同。

(3)在相同的深滾工藝參數(shù)下，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工后的表面粗糙度值總是低于常規(guī)深滾加工后的表面粗糙度值。

(4)縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾時(shí)，表面粗糙度值隨靜壓力的增大先增后減，隨工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增大先減小后增大;常規(guī)滾壓時(shí)則隨靜壓力的增大一直增大，隨工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增大先減小后增大。

本研究表明，縱-扭復(fù)合振動(dòng)超聲深滾加工工藝能更有效地改善6061 -T6 鋁合金的表面質(zhì)量。

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