縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工工藝試驗(yàn)

鄭建新　侯雅麗

河南理工大學(xué)，焦作，454003

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縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工工藝試驗(yàn)

鄭建新侯雅麗

河南理工大學(xué)，焦作，454003

采用正交試驗(yàn)法對Q235鋼端面進(jìn)行了縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工，探索了工藝參數(shù)對表面粗糙度和顯微硬度的影響，并基于試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了表面粗糙度和顯微硬度的預(yù)測模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工后，工件表面粗糙度值顯著減小，而顯微硬度有大幅提高；表面粗糙度值隨靜壓力增大先增后減，隨進(jìn)給量的增大而急劇增大，而隨滾壓速度的增大變化不明顯，且進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最顯著；顯微硬度隨靜壓力的增大而提高，隨進(jìn)給量和滾壓速度的增大有微小波動，且靜壓力對顯微硬度的影響最顯著；基于t-檢驗(yàn)與相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給量與靜壓力的交互作用對表面粗糙度的影響最大，而靜壓力與滾壓速度的交互作用對顯微硬度的影響最大?；谡辉囼?yàn)結(jié)果和預(yù)測模型獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)，兩者的結(jié)果接近，表明預(yù)測模型可靠。

超聲深滾；縱-扭復(fù)合振動；表面粗糙度；顯微硬度

0　引言

機(jī)械零部件常常會因表面局部疲勞、磨損和腐蝕等問題引起過早失效，導(dǎo)致裝備整體壽命縮短，可靠性差，甚至釀成災(zāi)難性事故[1]。從制造角度而言，解決零件失效的關(guān)鍵技術(shù)之一就是對零件進(jìn)行表面強(qiáng)化改性[2]。

傳統(tǒng)的機(jī)械表面強(qiáng)化技術(shù)，如噴丸、滾壓等，已被廣泛用來提高零件表面使用性能[3]。一些研究將超聲頻振動引入機(jī)械表面強(qiáng)化技術(shù)中，對零件表面進(jìn)行超聲沖擊處理[4-5]、超聲噴丸[6]、超聲擠壓[7-8]或超聲深滾[9-11]等，可進(jìn)一步減小表面粗糙度，提高表面顯微硬度，并在表層/亞表層引入殘余壓應(yīng)力，修復(fù)表面損傷，實(shí)現(xiàn)零件的抗疲勞制造。

縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工(ultrasonic deep rolling with longitudinal-torsional vibration，UDR-LTV)工藝是將二維超聲振動與超聲深滾加工工藝相結(jié)合，進(jìn)行工件表面光整與強(qiáng)化加工的一種新工藝[12-14]?？v-扭復(fù)合振動超聲深滾加工工藝是在普通深滾加工的基礎(chǔ)上，通過對工具頭施以縱向超聲振動，使其高速沖擊工件表面以產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時還對工具頭施以扭轉(zhuǎn)超聲振動，使其反復(fù)碾壓已加工表面，以期實(shí)現(xiàn)工件表面的強(qiáng)化與光整加工。

本文進(jìn)行Q235鋼軸件端面縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工試驗(yàn)，研究工藝參數(shù)對工件表面粗糙度和顯微硬度的影響，以促進(jìn)該工藝的工程應(yīng)用。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為供應(yīng)態(tài)Q235鋼棒料，直徑為75 mm，長度為40 mm，端面經(jīng)車削加工后表面粗糙度值Ra≈3.04 μm，顯微硬度約為161 HV。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在CAK50186di數(shù)控車床上進(jìn)行。將聲學(xué)系統(tǒng)安裝在車床刀架上，如圖1所示。

圖1　縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工試驗(yàn)裝置

經(jīng)測試，超聲振動系統(tǒng)的諧振頻率為19.8 kHz，變幅桿輸出端縱向振動振幅為8.3m，切向振動振幅為12.5m。每組試驗(yàn)中，車床主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，保證實(shí)時任意滾壓位置的滾壓線速度不變。

試驗(yàn)采用SURTRONIC 3+便攜式粗糙度測量儀測量表面粗糙度，使用MH-5顯微硬度計(jì)測量工件表面顯微硬度。

1.3試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

本文研究靜壓力Fs、進(jìn)給量f和滾壓速度v對表面粗糙度和顯微硬度的影響，選用L16(45)正交表進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1工藝參數(shù)對工件表面粗糙度和顯微硬度的影響

表1表明，經(jīng)縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工后，工件表面粗糙度值顯著減小，最小為Ra=0.81 μm，減小幅度達(dá)73.36%；而顯微硬度有大幅提高，最高為458.7 HV，提高幅度達(dá)184.9%。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表2所示。其中，ki表示因數(shù)的第i個水平所對應(yīng)的測試值之和的平均值，R表示極差，即同一列中ki的最大值與最小值之差。表2表明，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最大，且當(dāng)f=0.08 mm/r時粗糙度值最??；其次是靜壓力，且當(dāng)Fs=220 N時粗糙度值最?。欢鴿L壓速度對表面粗糙度的影響可忽略不計(jì)，當(dāng)v=40 m/min時粗糙度值最小。靜壓力對顯微硬度的影響最大，且當(dāng)Fs=340 N時顯微硬度最高；而進(jìn)給量和滾壓速度對顯微硬度的影響很小，當(dāng)f=0.12 mm/r和v=50 m/min時顯微硬度較高。

表2　表面粗糙度和顯微硬度極差分析

根據(jù)表2分析各工藝參數(shù)對表面粗糙度和顯微硬度的影響，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

圖3　工藝參數(shù)對顯微硬度的影響

由圖2和圖3可知，表面粗糙度值隨靜壓力增大先增后減，隨進(jìn)給量的增大而急劇增大，而隨滾壓速度的增大變化不明顯。表面顯微硬度隨靜壓力的增大而提高，隨進(jìn)給量的增大先升后降再升，隨滾壓速度的增大先升后降，但進(jìn)給量和滾壓速度對顯微硬度的影響不顯著。

在縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工過程中，工件在超聲振動滾壓下發(fā)生塑性變形，縱向振動沖擊會對工件表面產(chǎn)生強(qiáng)化作用，而扭轉(zhuǎn)振動則會碾平工件表面，因而加工后工件表面顯微硬度提高，而表面粗糙度值減小。

在靜壓力和縱向沖擊力的綜合作用下，工件材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性流動，表面發(fā)生加工硬化，因而其顯微硬度會隨著靜壓力的增大而提高。因靜壓力產(chǎn)生的材料塑性流動而導(dǎo)致的殘留面積高度變化也較大，因此靜壓力對表面粗糙度的影響較大。

當(dāng)進(jìn)給量增大時，相鄰兩條壓痕之間的距離增大會導(dǎo)致滾輪碾壓平實(shí)金屬材料邊緣凸起的機(jī)會減少，工件表面殘留面積高度增大，從而使得表面粗糙度值增大。但由于進(jìn)給量的變化對沖擊力的影響較小，因而顯微硬度變化不大。

滾壓速度遠(yuǎn)小于高頻沖擊速度，因此滾壓速度的變化對表面粗糙度和顯微硬度的影響也不大。

2.2表面粗糙度和顯微硬度的預(yù)測模型

采用二次回歸分析方法構(gòu)建表面粗糙度和顯微硬度預(yù)測模型。性能指標(biāo)(表面粗糙度和顯微硬度)與工藝參數(shù)之間的關(guān)系描述為

(1)式中，Y為性能指標(biāo)的估計(jì)值；a0為常數(shù)項(xiàng)；ai為xi的線性效應(yīng)；aki為xk和xi的交互效應(yīng)；aii為xi的二次效應(yīng)。

利用最小二乘法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，剔除不顯著指標(biāo)，得到縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工表面粗糙度Ra與表面顯微硬度HV的預(yù)測模型分別為

Ra=-0.794+0.0098Fs+2.48f-0.0025Fsf-

(2)

σHV=544.294-2.856Fs+5.621v-0.297Fsf-

(3)

采用F檢驗(yàn)法對預(yù)測模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),結(jié)果如表3和表4所示，其中，SS表示方差，df表示自由度，MS表示均方差，F(xiàn)表示F檢驗(yàn)值，R2表示復(fù)決定系數(shù)。。

表3　表面粗糙度預(yù)測模型顯著性檢驗(yàn)

表4　顯微硬度預(yù)測模型顯著性檢驗(yàn)

當(dāng)檢驗(yàn)水平為0.1時，從F分布表中查得F(9，6)=2.96。由表3和表4知，F(xiàn)值均大于2.96，表明在90%的置信水平上，表面粗糙度和顯微硬度預(yù)測模型均是顯著的。由于表面粗糙度和顯微硬度的復(fù)決定系數(shù)R2均較大，說明預(yù)測值與實(shí)測值之間相關(guān)性較強(qiáng)，擬合程度高，因而可用式(2)和式(3)預(yù)測縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工獲得的表面粗糙度和顯微硬度。

2.3工藝參數(shù)交互作用對表面粗糙度和顯微硬度的影響

基于式(2)和式(3)所構(gòu)建的預(yù)測模型，繪制交互響應(yīng)曲面，分析工藝參數(shù)之間的交互作用對表面粗糙度和顯微硬度的影響，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4表明，工藝參數(shù)之間的交互作用對表面粗糙度有影響。當(dāng)v=40 m/min時，進(jìn)給量和靜壓力越大則表面粗糙度值越大，且進(jìn)給量的影響更顯著；當(dāng)Fs=220 N時，進(jìn)給量越大則表面粗糙度值越大，而滾壓速度的影響很小。

圖5表明，工藝參數(shù)之間的交互作用對顯微硬度有影響。當(dāng)v=50 m/min時，靜壓力越大則顯微硬度值越大，而進(jìn)給量的影響很小；當(dāng)f=0.12 mm/r時，靜壓力和滾壓速度越大則顯微硬度值越大，且靜壓力的影響更顯著。

(a)Fs=220 N

(b)v=40 mm/min圖4　工藝參數(shù)之間的交互作用對表面粗糙度的影響

(a)v=50 mm/min

(b)f=0.12 mm/r圖5　工藝參數(shù)之間的交互作用對表面顯微硬度的影響

為進(jìn)一步分析各個工藝參數(shù)及其交互作用對表面粗糙度和顯微硬度的影響顯著性，對回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)(即t-檢驗(yàn))，分別計(jì)算一次效應(yīng)和交互作用下的t值及相關(guān)系數(shù)r，結(jié)果如表5所示。

表5　回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)分析表

結(jié)合t值和相關(guān)系數(shù)r可知，縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工中，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最大，而靜壓力對顯微硬度的影響最大。交互作用中Fs×f對表面粗糙度的影響不可忽略；Fs×v對顯微硬度影響也不可忽略。

3　工藝參數(shù)優(yōu)選

最優(yōu)工藝參數(shù)可通過對正交試驗(yàn)(OT)結(jié)果進(jìn)行極差分析直接獲得，并通過進(jìn)一步試驗(yàn)獲得最佳目標(biāo)值(即最小表面粗糙度值和最高顯微硬度)；也可基于由回歸分析獲得的預(yù)測模型(PM)，利用極值必要條件獲得最優(yōu)工藝參數(shù)與最佳目標(biāo)值。采用兩種方法獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測值如表6所示。

表6　最優(yōu)工藝參數(shù)與結(jié)果

顯然，基于預(yù)測模型獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)、表面粗糙度值與表面顯微硬度值與基于正交試驗(yàn)獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)及試驗(yàn)值較為吻合，再次驗(yàn)證了預(yù)測模型的可靠性。

4　結(jié)論

(1)經(jīng)縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工后，工件表面粗糙度值顯著減小，最大減幅達(dá)73.36%；而顯微硬度有大幅提高，最大增幅達(dá)184.9%。

(2)表面粗糙度值隨靜壓力增大先增后減，隨進(jìn)給量的增大而急劇增大，而隨滾壓速度的增大變化不明顯；進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最為顯著，其次為靜壓力，而滾壓速度的影響較小。

(3)表面顯微硬度隨靜壓力的增大而升高，隨進(jìn)給量和滾壓速度的增大有微小波動；靜壓力對表面顯微硬度的影響顯著，而進(jìn)給量和滾壓速度對顯微硬度的影響可忽略不計(jì)。

(4)基于預(yù)測模型，結(jié)合t-檢驗(yàn)與相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最大，而靜壓力對顯微硬度的影響最大；交互作用中對表面粗糙度影響最大的是Fs×f，對顯微硬度影響最大的是Fs×v。

(5)分別基于正交試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測模型獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)，所得結(jié)果接近，表明預(yù)測模型可靠。

[1]RajabiF,ZareiHA,EskandariM,etal.TheEffectsofRollingParametersontheMechanicalBehaviorof6061AluminumAlloy[J].MaterialsScienceandEngineering:A, 2013, 578: 90-95.

[2]趙振亞.發(fā)展熱處理和表面改性技術(shù)，提升國家核心競爭力[J].金屬熱處理，2013，38(1)：1-3.

ZhaoZhenya.DevelopingHeatTtreatmentandSurfaceModificationTechnologyinChina,PromotingNationalCoreCompetitiveness[J].HeatTreatmentofMetals, 2013, 38(1): 1-3.

[3]鄭建新，羅傲梅，劉傳紹.超聲表面強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012(10)：32-36.ZhengJianxin,LuoAomei，LiuChuanshao.Develop-mentofUltrasonicSurfaceEnhancementTechnique[J].ManufacturingTechnology&MachineTool, 2012(10): 32-36.

[4]ShimanukiH,OkawaH.EffectofStressRatioontheEnhancementofFatigueStrengthinHighPerformanceSteelWeldedJointsbyUltrasonicImpactTreatment[J].InternationalJournalofSteelStructures, 2013, 13(1): 155-161.

[5]ThibautC,JunL,DanielN.ModellingofMultipleImpactsforthePredictionofDistortionsandResidualStressesInducedbyUltrasonicShotPeen-ing(USP)[J].MaterialsProcessingTechnology, 2012, 212(10): 2080-2090.

[6]史學(xué)剛，魯世紅，張煒.鋁合金超聲波噴丸成形制件表面完整性研究[J].中國機(jī)械工程，2013，24(22)：3100-3104.

ShiXuegang,LuShihong，ZhangWei.StudyonSurfaceIntegrityofAluminumAlloyUltrasonicShotPeeningFormingWorkpieces[J].ChinaMechanicalEngineering, 2013, 24(22): 3100-3104.

[7]ZhengJX,LiuCS,ZhangYM.BasicResearchonUltrasonicExtrusionfor45SteelShaft[J].KeyEngineeringMaterials, 2011, 455: 288-292.

[8]AkbariMousaviSAA,FeiziH,MadoliatR.InvestigationsontheEffectsofUltrasonicVibrationsintheExtrusionProcess[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology, 2007, 187/188: 657-661.

[9]TsujiN,TanakaS,TakasugiT.EffectofCombin-edPlasma-carburizingandDeep-rollingonNotchFatiguePropertyofTi-6Al-4VAlloy[J].MaterialScienceandEngineering:A, 2009, 499(1/2): 482-488.

[10]謝俊峰，朱有利，黃元林，等.超聲深滾處理高強(qiáng)鋁合金超聲波焊層組織和織構(gòu)研究[J].稀有金屬材料與工程，2014，43(12)：3058-3061.

XieJunfeng,ZhuYouli,HuangYuanlin,etal.MicrostructureandTextureofHighStrengthAluminumAlloyUltrasonicWeldingLayerafterUltrasonicDeepRolling[J].RareMetalMaterailsandEngineering, 2014, 43(12): 3058-3062.

[11]李瑞鋒，張德遠(yuǎn)，程明龍.高強(qiáng)鋼大直徑內(nèi)螺紋超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)[J].中國表面工程，2014，27(2)：63-68.LiRuifeng,ZhangDeyuan，ChengMinglong.HighStrengthSteelLargeDiameterInternalThreadStrengtheningbyUltrasonicBurnishingTechnol-ogy[J].ChinaSurfaceEngineering, 2014, 27(2): 63-68.

[12]LuoAomei,ZhengJianxin,WuHaoqiong.KinematicsAnalysisonUltrasonicDeepRollingwithLongitudinal-torsionalVibration[J].AdvancedMaterialsResearch, 2013, 630: 148-152.

[13]HouYL,LiuCS,LiuSQ.EffectofProcessingParametersonSurfaceRoughnessinUltrasonicDeepRolling6061-T6AluminumAlloywithLon-gitudinaltorsionalVibration[J].AppliedMecha-nicsandMaterials, 2014, 722: 60-63.

[14]鄭建新，羅傲梅.6061-T6鋁合金縱-扭復(fù)合振動超聲深滾加工試驗(yàn)研究[J].稀有金屬材料與工程，2015，44(3)：733-737.

ZhengJianxin,LuoAomei.ExperimentalStudyonAluminumAlloy6061-T6byUltrasonicDeepRollingwithLongitudinal-TorsionalVibration[J].RareMetalMaterailsandEngineering, 2015, 44(3): 733-737.

(編輯袁興玲)

Technological Experiments of Ultrasonic Deep Rolling with Longitudinal-torsional Vibration

Zheng JianxinHou Yali

Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003

Q235 steel was processed by UDR with LTV(UDR-LTV) based on orthogonal tests. The effects of processing parameters on surface roughness and surface micro hardness were studied. The prediction models for surface roughness and micro hardness were constructed based on the experimental results. The experimental results show that UDR-LTV may lead to a marked reduction the surface roughness and a considerable increase in surface micro hardness. The values of surface roughness increase first and then decrease with the increment of the static pressure; and increase markedly with the increment of the feed-rate, and change a little with the increment of the rolling speed. Meanwhile, the feed-rate has a marked effect on the surface roughness. The values of surface micro hardness increase with the increment of the static pressure; and fluctuate a little with the increment of the feed-rate and the rolling speed. And the static pressure has a marked effect on the surface micro hardness.t-test and the coefficient of correlation were calculated. The calculated results indicate that the surface roughness are most affected by the interaction of the feed-rate and the static pressure, and the surface micro hardness are most affected by the interaction of the static pressure and the rolling speed. The optimal parameters for the lowest surface roughness and highest micro hardness obtained by the orthogonal test are close to that obtained by the prediction models, which indicates that the prediction models are reliable.

ultrasonic deep rolling(UDR); longitudinal-torsional vibration(LTV); surface roughness; micro hardness

2015-08-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005071,51575163)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(16A460006)

TB559；TH113

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.013

鄭建新，男，1979年生。河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院教授、博士。主要研究方向?yàn)榫芘c特種加工技術(shù)、表面工程技術(shù)。獲省級科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)，專著1部，發(fā)表論文40余篇。侯雅麗，女，1992年生。河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院碩士研究生。