旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工中的滾壓力與滾壓深度及表面形貌研究

趙建，王兵，劉戰(zhàn)強(qiáng)（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）

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旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工中的滾壓力與滾壓深度及表面形貌研究

趙建1，2，王兵1，2，劉戰(zhàn)強(qiáng)1，2
（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）

摘要：通過(guò)分析旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工特點(diǎn)以及加工機(jī)理，確定旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工過(guò)程的有效滾壓時(shí)間，結(jié)合赫茲接觸理論建立滾壓力與滾壓深度的關(guān)系模型。進(jìn)行鈦合金TC4旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工實(shí)驗(yàn)，利用測(cè)力儀采集超聲滾壓過(guò)程中的滾壓力，利用白光干涉儀觀察加工表面形貌，使用光學(xué)顯微鏡觀察垂直于工件表面方向的微觀結(jié)構(gòu)，從表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的角度分析滾壓深度與滾壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓力與滾壓深度存在線性比例關(guān)系，且模型預(yù)測(cè)結(jié)果與超聲滾壓加工試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合。將滾壓力與工件表面形貌的關(guān)系轉(zhuǎn)化為滾壓深度與工件表面形貌的關(guān)系，建立滾壓深度與工件表面形貌的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以指導(dǎo)加工參數(shù)中合理滾壓深度的選擇。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造工藝與設(shè)備；旋轉(zhuǎn)超聲滾壓力；滾壓深度；表面形貌

劉戰(zhàn)強(qiáng)（1969—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：melius@ sdu. edu. cn

0 引言

Ti-6Al-4V（TC4）是應(yīng)用最為典型的鈦合金材料之一，具有高比強(qiáng)和優(yōu)異抗腐蝕等特點(diǎn)，在對(duì)材料質(zhì)量、強(qiáng)度、抗蝕性和高溫穩(wěn)定性等綜合性能要求嚴(yán)格的航空、航天等領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用［1 -3］。超聲加工將超聲振動(dòng)與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法結(jié)合在一起，是加工難加工材料的一種有效方法，在許多工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用［1 -5］。由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生19～30 kHz的高頻電信號(hào)，通過(guò)非接觸式引電裝置將電信號(hào)傳遞給換能器，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，再經(jīng)變幅桿的放大，作用在工件表面滾壓頭的振幅可達(dá)10～100 μm，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工［6 -8］。

Huuki等［9］研究了34CrNiMo6-M材料的超聲滾壓加工后工件的表面粗糙度、殘余應(yīng)力、顯微硬度以及加工零件圓度等，研究結(jié)果表明：超聲滾壓對(duì)工件表面粗糙度的降低和最大殘余壓應(yīng)力的提高都有明顯的效果，而對(duì)顯微硬度的提高沒有明顯作用。Bozdana等［10］提出了超聲輔助深冷滾壓鈦合金TC4技術(shù)，比較了超聲輔助深冷滾壓與一般深冷滾壓對(duì)TC4加工表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著滾壓力的增大，加工表面粗糙度降低，表面形貌也得到改善。呂光義等［11 -12］也進(jìn)行了鈦合金TC4的超聲深冷滾壓加工研究，分析了不同滾壓力對(duì)TC4加工表面形貌及表面粗糙度的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)滾壓力過(guò)大時(shí)會(huì)使加工表面產(chǎn)生不均勻塑性變形。上述研究表明合理的滾壓力有助于獲得良好的表面形貌。

滾壓力和滾壓深度是表征滾壓過(guò)程的重要參數(shù)，其大小影響加工狀態(tài)和加工表面質(zhì)量。因此，正確描述滾壓力與滾壓深度的關(guān)系可以反映滾壓頭與工件的相互作用，還可以預(yù)測(cè)加工表面質(zhì)量。本文基于赫茲接觸理論，分析了滾壓加工機(jī)理，建立了旋轉(zhuǎn)超聲恒進(jìn)給率滾壓加工時(shí)的滾壓力與滾壓深度的關(guān)系模型，揭示了滾壓深度對(duì)滾壓力的影響規(guī)律。進(jìn)行超聲滾壓加工TC4實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了滾壓力與滾壓深度關(guān)系模型的正確性，并通過(guò)分析不同滾壓深度下TC4工件的加工表面形貌以及微觀組織結(jié)構(gòu)，獲得旋轉(zhuǎn)超聲滾壓TC4的合理滾壓深度。

1 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工機(jī)理及滾壓力與滾壓深度關(guān)系

1. 1 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工機(jī)理

旋轉(zhuǎn)超聲滾壓將超聲振動(dòng)與滾壓加工集成于一體，滾壓頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí)作軸向振動(dòng)，并沿工件表面作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。由于滾壓頭滾柱（見圖2）與工件表面的接觸過(guò)程沒有切入發(fā)生，所以滾壓加工過(guò)程中不會(huì)有切屑的產(chǎn)生［11 -13］。圖3為滾壓頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中滾柱后端的支撐柱為線性接觸，超聲振動(dòng)通過(guò)支撐柱傳遞給滾柱，從而作用在工件表面。超聲滾壓加工過(guò)程中滾柱對(duì)工件表面的作用方式包括擠壓、摩擦［14］和超聲沖擊等，其加工機(jī)理如圖4所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓運(yùn)動(dòng)Fig. 1 Rotary ultrasonic burnishing movement

圖2 滾壓頭Fig. 2 Burnishing head

旋轉(zhuǎn)超聲滾壓過(guò)程中，通過(guò)滾柱對(duì)工件表面持續(xù)的圓周擠壓和摩擦以及超聲振動(dòng)下的高頻軸向沖擊作用，使被加工表面的材料發(fā)生滑移，導(dǎo)致微細(xì)塑性變形［14］。材料被擠壓產(chǎn)生與滾柱形狀相適應(yīng)的位錯(cuò)塞積群，形成位錯(cuò)線，因位錯(cuò)擠壓而產(chǎn)生的較高局部應(yīng)力而使加工表面產(chǎn)生加工硬化［10 -11］。同時(shí)，滾柱以動(dòng)態(tài)沖擊形式作用于加工區(qū)域，產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波促使位錯(cuò)發(fā)生激活，從而促進(jìn)材料進(jìn)一步塑性流動(dòng)。在高頻沖擊以及旋轉(zhuǎn)劃擦共同作用下，工件表面材料的塑性變形積累到一定程度，會(huì)出現(xiàn)粉末狀切屑，這種現(xiàn)象與已有文獻(xiàn)報(bào)道的滾壓結(jié)果不同，其原因在于本文中使用的新型滾壓頭（見圖2），該滾壓頭在加工過(guò)程中具有類似銑削的作用產(chǎn)生。

圖3 滾壓頭結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of burnishing head

圖4 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工變形機(jī)理Fig.4 Deformation mechanism of rotary ultrasonic burnishing

1. 2 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓接觸時(shí)間

Au為滾壓頭振動(dòng)的振幅，Ry為輪廓最大高度，Tu為超聲振動(dòng)周期，T為滾壓頭旋轉(zhuǎn)周期，其中T = NTu（N為常數(shù)）。把被加工表面分為已加工區(qū)和未加工區(qū)，則滾壓頭在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期中，始終有兩個(gè)滾柱處于未加工區(qū)。圖5示出為旋轉(zhuǎn)超聲滾壓的臨界位置。在未加工區(qū)，滾柱始終與被加工表面接觸；在已加工區(qū)，滾壓頭沿軸向方向作機(jī)械振動(dòng)（正弦波形），滾柱與工件斷續(xù)接觸，如圖6所示。無(wú)論Ry＜Au或者Ry≥Au，滾柱與工件都有兩種接觸情況，其中右側(cè)陰影區(qū)域表示滾柱與工件的有效接觸時(shí)間，在一個(gè)超聲振動(dòng)周期中為

則滾壓頭旋轉(zhuǎn)一周的接觸時(shí)間為

圖5 刀具與工件位置關(guān)系Fig. 5 Relationship between burnishing tool and workpiece

圖6 未加工區(qū)滾柱與工件的接觸關(guān)系（上Ry＜Au，下Ry≥Au）Fig. 6 Contact between roller and workpiece in non-working area（upper：Ry＜Au；lower：Ry≥Au）

1. 3 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓深度分析

滾壓深度分為名義滾壓深度和實(shí)際滾壓深度。旋轉(zhuǎn)超聲名義滾壓深度就是實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的加工參數(shù)，而實(shí)際滾壓深度是由名義滾壓深度、超聲振動(dòng)、工件的彈性回復(fù)以及滾壓過(guò)程中材料塑性流動(dòng)共同作用的結(jié)果，如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓深度Fig. 7 Rotary ultrasonic burnishing depth

從圖7可以看出，名義滾壓深度與實(shí)際滾壓深度并不相等。在旋轉(zhuǎn)超聲滾壓中，除了超聲振動(dòng)振幅以及工件彈性回復(fù)對(duì)滾壓深度的影響外，工件表面材料的塑性流動(dòng)對(duì)滾壓深度也有影響作用，因?yàn)樾D(zhuǎn)超聲滾壓是一種無(wú)材料去除的加工方式。

1. 4 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓力與滾壓深度的關(guān)系模型

圖8為旋轉(zhuǎn)超聲滾壓工件受力分析。考慮到超聲滾壓加工過(guò)程中，滾壓頭中4個(gè)滾柱與工件之間的作用是相同的，所以以任一滾柱為例來(lái)研究。圖8中工件表面定為Oxy平面，F(xiàn)x、Fy、Fz為滾柱對(duì)工件表面的3個(gè)分力。F1為滾柱對(duì)工件沿平面的擠壓力，垂直于滾柱；F2為滾柱沿進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)工件的擠壓力；F3為滾柱對(duì)工件表面的摩擦作用力，其方向相切于滾柱與工件接觸的表面并指向工件內(nèi)部；FN為滾柱對(duì)工件的沖擊力，其方向垂直于工件表面；ω為滾柱繞主軸旋轉(zhuǎn)的角速度。

圖8 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓工件受力分析Fig. 8 Force analysis of rotary ultrasonic rolling workpiece

滾壓頭軸向振動(dòng)速率遠(yuǎn)大于工件的進(jìn)給速度和滾壓頭旋轉(zhuǎn)的最高線速度，因此建立滾壓力與滾壓深度關(guān)系模型時(shí)，可忽略工件進(jìn)給速度和滾壓頭旋轉(zhuǎn)速度的影響，只考慮沿主軸軸向的滾壓力。

超聲滾壓力分為兩部分來(lái)研究：靜壓力Fg和超聲動(dòng)態(tài)沖擊力Fc.超聲頻率為19～30 kHz，利用數(shù)模轉(zhuǎn)化原理，將超聲動(dòng)態(tài)沖擊力等效為恒力Fu：，這樣就可以對(duì)靜壓力Fg和超聲動(dòng)態(tài)沖擊力Fu的合力Ft進(jìn)行分析計(jì)算。

選用Tresca最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則作為材料的屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為

式中：σ1、σ2、σ3是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力；k和Y分別表示材料在純剪切時(shí)和單向拉伸時(shí)（或壓縮時(shí)）的屈服應(yīng)力值。

在平面應(yīng)變中應(yīng)變?chǔ)舲為

根據(jù)變形時(shí)的幾何關(guān)系，可以求出單元的壓應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：R為滾柱半徑，R =3 mm；h為材料的名義滾壓深度；b為滾柱擠壓下工件變形層厚度。圖9中，F(xiàn)q為滾壓刀具對(duì)單一滾柱施加的z向作用力，L為滾柱長(zhǎng)度。

因?yàn)樵趚 =±a處壓力減小到0，由（4）式和（5）式可以得到h = a2/2R，接觸半徑為

圖9 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓簡(jiǎn)化模型Fig. 9 Simplified model of rotary ultrasonic burnishing

Johson［15］利用Tresca準(zhǔn)則給出了圓柱接觸問(wèn)題屈服起始點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，即當(dāng)最大接觸壓應(yīng)力達(dá)到1. 67Y時(shí)，在表層下0. 78a處材料開始屈服。當(dāng)h = 0.1 mm時(shí)，0.78a =0.6 mm，表明滾壓深度為0.1 mm時(shí)，工件表面0. 6 mm下位置開始發(fā)生塑性變形，而初始屈服點(diǎn)之上仍為彈性變形；當(dāng)h = 0. 3 mm時(shí)，0. 78a =1. 05 mm，此時(shí)初始屈服點(diǎn)的深度為滾壓深度的3倍。結(jié)果表明，當(dāng)滾壓深度較小時(shí)，工件表面下較深位置處仍為彈塑性變形。因此，提出以下5點(diǎn)假設(shè)以便研究滾壓力與滾壓深度的關(guān)系：1）滾柱為剛性；2）接觸關(guān)系為彈性接觸；3）被加工工件為彈性半空間體；4）滾壓深度不可太大，取h≤0. 78a；5）合力Ft在滾柱上服從線性分布（見圖10）。根據(jù)假設(shè)1和2，利用赫茲接觸理論［11］來(lái)計(jì)算滾壓力。另外，考慮到滾壓深度h≤0. 78a，則z方向的力遠(yuǎn)大于x和y方向的分力，所以可只考慮z方向的受力。在此基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓過(guò)程可以簡(jiǎn)化為一個(gè)剛性圓柱體壓在一個(gè)彈性半空間體上，此時(shí)可忽略滾柱的變形量，只考慮工件的變形量，如圖10所示。

圖10 滾柱受力分布Fig. 10 Force distribution of burnishing roller

接觸區(qū)的壓力分布p為

最大壓力pmax為

將（6）式和（8）式代入（7）式中并積分得

式中：E為等效彈性模量；E1和E2分別為滾柱與工件材料的彈性模量；υ1和υ2分別為滾柱與工件材料的泊松比。取滾柱的任一微段ΔL來(lái)研究，該小段上的受力設(shè)為ΔF，通過(guò)積分求得滾柱對(duì)半空間體的作用力Fq為

積分結(jié)果為

式中：A與n為滾壓力沿滾柱軸向分布相關(guān)系數(shù)，其取值與L有關(guān)；H =+［sin（2arccos M）-2arccos M］=，M == 1，簡(jiǎn)化得到單一滾柱對(duì)半空間體的作用力Fq為

則總滾壓力Ft為

由（14）式可知，滾壓力Ft與滾壓深度h呈線性遞增關(guān)系。若考慮到實(shí)驗(yàn)誤差等因素的影響，滾壓力與滾壓深度關(guān)系的表達(dá)式可以表示為

2 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)超聲滾壓實(shí)驗(yàn)在DAEWOOACE-V500立式數(shù)控加工中心上進(jìn)行。首先使用直徑為100 mm的面銑刀銑平被加工表面，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲滾壓，如圖11所示。圖11中笛卡爾坐標(biāo)系為測(cè)力裝置的坐標(biāo)系。旋轉(zhuǎn)超聲滾壓系統(tǒng)組成如圖12所示。實(shí)驗(yàn)中使用的滾柱材質(zhì)為金剛石，工件材料為TC4.實(shí)驗(yàn)采用單一變量法，設(shè)置6組不同滾壓深度的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件見表1.實(shí)驗(yàn)中采用KISTLER 9129AA測(cè)力儀進(jìn)行滾壓力的采集，將采集到的滾壓力的平均值作為加工過(guò)程中的滾壓力；采用Veeco白光干涉儀觀察被加工表面的表面形貌，在VHX-600ESO光學(xué)顯微鏡下觀察被加工表面的顯微結(jié)構(gòu)。為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，每一組都進(jìn)行三次測(cè)量，取其平均值進(jìn)行分析。

圖11 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工實(shí)驗(yàn)Fig. 11 Rotary ultrasonic burnishing experiment

圖12 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓系統(tǒng)組成Fig. 12 Rotary ultrasonic burnishing system

表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab. 1 Design of experiments

3 旋轉(zhuǎn)超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3. 1 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓力與滾壓深度關(guān)系

使用KISTLER測(cè)力儀測(cè)試獲得Fx、Fy、Fz方向的數(shù)據(jù)，如表2所示。觀察表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，銑削中的Fx為正值，而超聲滾壓中的Fx則有正有負(fù)，這是由銑削中x正方向?yàn)榈毒呔€速度方向引起的；而在旋轉(zhuǎn)超聲滾壓中，主軸先旋轉(zhuǎn)然后滾壓頭才與被加工表面接觸，所以在滾壓頭與被加工表面接觸時(shí)滾柱的位置不同，從而導(dǎo)致了Fx有正有負(fù)。

表2 切削力數(shù)據(jù)Tab. 2 Cutting force data

圖13、圖14和圖15分別為主軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)銑削、傳統(tǒng)滾壓和旋轉(zhuǎn)超聲滾壓采集到的Fz.比較圖13、圖14和圖15中的力信號(hào)可知，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓、傳統(tǒng)滾壓和平面銑削，其z方向的切削力的最大值分別為168. 52 N、261. 57 N和366. 67 N，超聲滾壓與傳統(tǒng)滾壓相比減小了0. 6倍。結(jié)果表明，在切削深度、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，在滾壓加工中超聲振動(dòng)輔助作用可以有效地降低滾壓力。

圖13 面銑削時(shí)的銑削力Fz（h =0. 1 mm）Fig. 13 Milling force Fz（h =0. 1 mm）

觀察圖16可知，滾壓分力Fz隨著滾壓深度的增大線性遞增，這與滾壓力和滾壓深度關(guān)系模型預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合，同時(shí)也與文獻(xiàn)［15］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。而從表2和圖16分析可知，滾壓過(guò)程另兩個(gè)分力Fx、Fy的變化規(guī)律與Fz相同，其中Fx值出現(xiàn)正負(fù)交替變換與滾柱位置的變化有關(guān)。比較Fx、Fy、Fz三者的大小可知，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓中被加工表面所受的力主要來(lái)自超聲振動(dòng)和靜壓力的合力，即Fz、Fx和Fy相比Fz小很多，尤其Fx是Fz的左右，這也與滾壓力和滾壓深度關(guān)系模型建立的假設(shè)相吻合。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是隨著滾壓深度的增大，靜壓力不斷增大，而超聲振動(dòng)的動(dòng)態(tài)沖擊力值并沒有明顯的變化（超聲振動(dòng)頻率保持不變）。

圖14 傳統(tǒng)滾壓力Fz（h =0. 1 mm）Fig. 14 Traditional burnishing force Fz（h =0. 1 mm）

圖15 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓力Fz（h =0. 1 mm）Fig.15 Rotary ultrasonic burnishing force Fz（h =0. 1 mm）

圖16 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓力與滾壓深度Fig. 16 Rotary ultrasonic burnishing force vs. burnishing depth

為了驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中利用大景深顯微鏡觀察了被加工表面的實(shí)際滾壓深度。結(jié)果表明，實(shí)際滾壓深度確實(shí)小于名義滾壓深度，當(dāng)名義滾壓深度為0. 1 mm時(shí)，實(shí)際滾壓深度為0. 05 mm.實(shí)際滾壓深度小于名義滾壓深度現(xiàn)象的原因來(lái)自四方面：一是被滾壓材料的彈性回復(fù)；二是被滾壓材料的塑性流動(dòng)；三是超聲振動(dòng)作用；四是滾壓頭在滾壓力反方向作用下的浮動(dòng)。

圖17 加工后的表面形貌Fig. 17 Surface morphology after machining

3. 2 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓表面形貌

為了比較旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工和銑削加工對(duì)工件加工表面質(zhì)量的影響，將上述實(shí)驗(yàn)中銑削得到的工件表面試樣在Veeco白光干涉儀下進(jìn)行觀測(cè)。圖17（a）為銑削加工工件的表面形貌，圖17（b）～圖17（f）為旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工時(shí)不同滾壓深度對(duì)應(yīng)的加工表面形貌。比較圖17加工表面形貌可以看出，圖17（a）銑削加工表面存在規(guī)則的刀痕，圖17（b）～17（e）旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工表面形貌中的刀痕隨滾壓深度增加而不斷減小，圖17（f）圖中已觀察不到刀痕。圖17（a）～17（f）對(duì)應(yīng)的加工表面粗糙度Ra依次為245 nm、163 nm、149 nm、93 nm、102 nm、46 nm，相應(yīng)的表面粗糙度變化曲線如圖18所示。結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工可降低加工表面粗糙度，并且在合適的范圍內(nèi)，隨著滾壓深度的增大，加工表面粗糙度不斷降低，這是因?yàn)殡S著滾壓深度的增大，作用在被加工表面上的滾壓力越來(lái)越大，在不改變其他工藝參數(shù)的條件下，較大的滾壓力能夠使被加工表面發(fā)生較大的塑性變形［13 -18］。表面粗糙度變化的另一個(gè)原因是隨著滾壓深度的增大，在保持超聲振動(dòng)頻率不變的情況下，沖擊過(guò)程中滾柱與工件接觸面積增大，從而改善了被加工表面的表面粗糙度。

圖18 超聲滾壓表面粗糙度變化曲線Fig. 18 Variable curves of ultrasonic burnished surface roughness

圖19為被加工表面形貌的三維側(cè)面圖，圖19（a）～圖19（f）分別對(duì)應(yīng)圖17（a）～圖17（f）.分析圖19發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工得到的表面形貌優(yōu)于銑削加工得到的表面形貌，但其表面形貌中會(huì)出現(xiàn)較多高的凸起。這是因?yàn)樵谛D(zhuǎn)超聲滾壓加工過(guò)程中，滾柱對(duì)被加工表面存在擠壓和劃擦作用，從而導(dǎo)致被加工表面出現(xiàn)圖19中的撕裂痕跡，撕裂脫落部分附著在工件表面，與粉末狀切屑的產(chǎn)生有關(guān)。

圖19 被加工表面的3D側(cè)面圖Fig. 19 3D side view of machined surfaces

3. 3 顯微組織分析

使用VHX-600ESO光學(xué)顯微鏡觀測(cè)銑削和旋轉(zhuǎn)超聲滾壓后工件橫截面的顯微組織結(jié)構(gòu)，如圖20～圖25所示。

觀察分析圖20～圖25，可以看出，工件表面層經(jīng)加工后發(fā)生了不同程度的變形。隨著滾壓深度的增大，工件表層的塑性流變現(xiàn)象越來(lái)越明顯：當(dāng)滾壓深度h =0. 10 mm時(shí)，沒有明顯的塑性流變發(fā)生；當(dāng)h =0. 15 mm時(shí)，表層顯微結(jié)構(gòu)向左上方發(fā)生塑性流變；當(dāng)h為0. 20 mm、0. 25 mm時(shí)，觀察到表層晶粒因發(fā)生塑性流變和擠壓而被拉長(zhǎng)，其拉長(zhǎng)方向?yàn)椴牧纤苄粤鲃?dòng)方向；當(dāng)h =0. 30 mm時(shí)，表層出現(xiàn)明顯的塑性流變層，在塑性流變層中，離工件表面越遠(yuǎn)的晶粒越長(zhǎng)，靠近塑性流變層底部的晶粒幾乎與工件表面平行，即沿垂直于滾壓力Fz的方向排列。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是工件表面附近的晶粒在滾壓力的作用下不斷被擠壓和拉長(zhǎng)而發(fā)生晶粒重組，工件表面以下的晶粒所承受的穿透力隨著深度的增大而降低，不足以使其發(fā)生重組現(xiàn)象［15，19 -23］。圖21～圖25表明，隨著滾壓深度的增大，工件受到的滾壓力不斷增大，從而說(shuō)明滾壓深度與滾壓力存在比例關(guān)系。

圖20 銑削工件橫截面顯微結(jié)構(gòu)（h =0. 10 mm）Fig. 20 Cross-sectional microstructure of milled workpiece （h =0. 10 mm）

圖21 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓工件橫截面顯微結(jié)構(gòu)（h =0. 10 mm）Fig. 21 Cross-sectional microstructure of rotary ultrasonic burnished workpiece（h =0. 10 mm）

圖22 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓工件橫截面顯微結(jié)構(gòu)（h =0. 15 mm）Fig. 22 Cross-sectional microstructure of rotary ultrasonic burnished workpiece（h =0. 15 mm）

圖23 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓工件橫截面顯微結(jié)構(gòu)（h =0.20 mm）Fig. 23 Cross-sectional microstructure of rotary ultrasonic burnished workpiece（h =0. 20 mm）

圖24 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓工件橫截面顯微結(jié)構(gòu)（h =0.25 mm）Fig. 24 Cross-sectional microstructure of rotary ultrasonic burnished workpiece（h =0. 25 mm）

圖25 旋轉(zhuǎn)超聲滾壓工件橫截面顯微結(jié)構(gòu)（h =0.30 mm）Fig. 25 Cross-sectional microstructure of rotary ultrasonic burnished workpiece（h =0. 30 mm）

4 結(jié)論

1）通過(guò)旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算得出了單個(gè)滾壓周期內(nèi)的有效滾壓時(shí)間、滾壓深度。

2）通過(guò)TC4銑削與旋轉(zhuǎn)超聲滾壓的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓可有效降低切削力，其軸向方向的作用力降低了2倍，工件表面的殘留刀痕得到明顯消除，滾壓深度為0. 30 mm時(shí)的工件表面已觀察不到銑削痕跡。

3）通過(guò)觀察TC4被加工表面的表面形貌發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓降低了加工表面粗糙度，可以降低30%左右，達(dá)到0. 10～0. 05 μm.在滾壓深度0. 10～0. 30 mm的范圍內(nèi)，隨著滾壓深度的增大，加工表面粗糙度不斷降低。

4）基于赫茲接觸理論，分析了旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工機(jī)理，建立了滾壓力與滾壓深度的關(guān)系模型，并對(duì)模型的準(zhǔn)確性用TC4加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。利用該模型可通過(guò)調(diào)節(jié)滾壓深度來(lái)研究滾壓力對(duì)加工表面形貌的影響。

5）旋轉(zhuǎn)超聲滾壓實(shí)驗(yàn)表明，在不改變其他工藝參數(shù)的條件下，旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工TC4時(shí)的滾壓力隨著滾壓深度的增大而線性增大。

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The Investigation into Burnishing Force，Burnishing Depth and Surface Morphology in Rotary Ultrasonic Burnishing

ZHAO Jian1，2，WANG Bing1，2，LIU Zhan-qiang1，2
（1. School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China；2. Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China）

Abstract：The effective burnishing time in rotary ultrasonic burnishing is determined with by analyzing machining mechanism and characteristics of rotary ultrasonic burnishing operation. The relationship between burnishing force and burnishing depth in rotary ultrasonic burnishing is firstly modelled based on the Hertz contact theory. The relational model is then applied to predict the burnishing force. Experiments of rotary ultrasonic burnishing of titanium alloy TC4 are carried out. The burnishing force is measured using a piezoelectric dynamometer，and the machined surface morphology is observed using a white light interferometer. The microstructure perpendicular to the surface of the ultrasonic burnished workpiece is observed under an optical microscope. The results demonstrate that there is a linear correlation between burnishing force and burnishing depth in rotary ultrasonic burnishing. The experimental results are in good agreement with the theoretical and predictive results. The correlation between burnishing force and surface morphology is discussed. The research results will be beneficial for the appropriate selection ofburnishing depth.

Key words：machinofature technique and equipment；rotary ultrasonic burnishing force；burnishing depth；surface morphology

中圖分類號(hào)：TG113. 25；TG668

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1093（2016）04-0696-09

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 018

收稿日期：2015-04-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51425503）；高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2014ZX04012014）

作者簡(jiǎn)介：趙建（1989—），男，博士研究生。E-mail：sduzhaojian@ gmail. com；