超聲滾壓工藝研究

高清

（通用電氣全球研發(fā)中心，上海201203）

超聲滾壓工藝研究

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超聲滾壓工藝是一項復合超聲沖擊強化和滾壓于一體的表面強化工藝，其優(yōu)點是既能得到足夠的壓力層深度，又能得到較低的表面粗糙度值。研究了不同加工參數(shù)對弧高和表面粗糙度的影響，結(jié)果表明：步距、靜壓力和路徑規(guī)劃對弧高和表面粗糙度有著顯著的影響，且發(fā)現(xiàn)殘余壓應力分布對于滾壓方向敏感，滾壓方向的殘余壓應力比其垂向的殘余壓應力小。Inconel 718材料經(jīng)超聲滾壓強化后的表面粗糙度值可降低至Ra0.1 μm，壓力層深度可達0.5 mm，且具有較好的熱穩(wěn)定性。

超聲滾壓；弧高；表面粗糙度；殘余應力

表面強化技術(shù)是工業(yè)界常用的改善機械零件表面性能、提高疲勞強度和耐磨性能的工藝方法。承受載荷的零件表面常處于最大應力狀態(tài)，零件的失效和破壞往往最先發(fā)生在表面或次表面，如在零件表層引入一定的殘余壓應力、增加表面硬度、改善表層組織結(jié)構(gòu)等，就能顯著地提高零件的疲勞強度和耐磨性。在航空制造領(lǐng)域中常見的表面強化技術(shù)有噴丸、激光沖擊強化、滾壓等。噴丸是利用彈丸轟擊工件表面并植入殘余壓應力，提升工件疲勞強度的冷加工工藝。噴丸處理設(shè)備簡單、成本低廉，不受工件形狀和位置限制，操作方便，但與激光沖擊強化和滾壓技術(shù)相比，應力層較淺，最大壓應力也偏小。激光沖擊強化是利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種技術(shù)。它具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強及強化效果顯著等突出優(yōu)點，其缺點是效率偏低、設(shè)備投資昂貴。滾壓是利用滾壓工具對工件表面施加一定的壓力，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動，從而達到降低工件表面粗糙值的目的。由于被滾壓的表層金屬塑性變形，使表層組織冷硬化和晶粒變細，并形成殘余應力層，硬度和強度提高，從而改善了工件表面的耐磨性和耐蝕性。

超聲輔助傳統(tǒng)的表面強化技術(shù)近年來引起研究者的注意。表面機械研磨處理最早被提出[1]，它是在短時間內(nèi)通過振動發(fā)生器驅(qū)動大量硬度較大的小球以隨機方向撞擊金屬材料，使表面晶粒細化，從而達到增加材料強度的效果[2-5]。王婷提出超聲表面滾壓加工參數(shù)對于表面硬化程度、表面粗糙度及表面殘余應力均有不同程度的影響，而適當?shù)募庸つ芙档蜕踔料靶蚣庸にa(chǎn)生的表面缺陷，但反復的塑性變形也會破壞表面質(zhì)量，當處理能量大于材料的抗拉強度時，材料表面會產(chǎn)生微觀裂紋[6]。李禮等采用一種超聲深滾與滾光一體化的抗疲勞制造技術(shù)，對鈦合金疲勞試件進行表面強化處理，超聲深滾強化可大幅提高鈦合金試件的疲勞強度[7]。黃元林等利用超聲深滾技術(shù)對鋼基體電弧噴涂3Cr13涂層進行了強化處理，使該涂層的孔隙率從5.1%降低至2.3%，表面粗糙度值由Ra40 μm以上降低至Ra2.4 μm，表面殘余壓應力由8 MPa升至257 MPa，涂層顯微硬度提高約45%，涂層摩擦學性能得到明顯提高[8]。超聲滾壓技術(shù)在提高高速列車車軸鋼的疲勞性能方面也有研究，陳利欽等[9]對車軸鋼進行了表面超聲滾壓處理，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，靜壓力和進給速度越低，車軸鋼的表面粗糙度值越低；試樣表面軸向殘余壓應力得到大幅提高，且隨著靜壓力的增加而增加，隨著進給速度的增加而減?。槐砻嬗捕燃八苄宰冃螌雍穸入S二個參數(shù)的變化規(guī)律與殘余應力的變化規(guī)律相似。

超聲滾壓強化的優(yōu)點是既能得到較低的表面粗糙度值，同時也可引入足夠的殘余應力，并且擁有較高的效率。在實際應用中，殘余應力和表面粗糙度往往不可同時最優(yōu)化，所以研究超聲滾壓參數(shù)對于強化強度和表面粗糙度的影響有著重要的應用價值。對此，本文研究了超聲滾壓強化技術(shù)各參數(shù)對弧高和表面粗糙度的影響，通過測量阿爾門試片的弧高來作為超聲滾壓強度的衡量指標，并對Inconel 718材料進行強化處理，研究其熱穩(wěn)定性。

1 工作原理

超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動，通過變幅桿使位于變幅桿端部的球體振動，在自由狀態(tài)下，變幅桿和球體之間留有一定的間隙，在尾部有氣壓裝置，用來提供靜壓力。超聲滾光在進行滾壓的同時，球體在做上下振動，滾壓和超聲振動同時進行，當沖擊力超過材料屈服極限時，會產(chǎn)生塑形變形從而引入殘余壓應力。當靜壓力為零時，僅進行超聲振動沖擊強化，當球體不振動而又保持足夠的靜壓力時，僅進行滾壓強化。選擇合適的參數(shù)既可進行超聲振動沖擊強化，又可進行適當?shù)臐L壓強化，是有效利用該技術(shù)的關(guān)鍵。本試驗中，選擇阿爾門A型試片用來測試，材質(zhì)為SAE1070彈簧鋼。試片單面在彈丸沖擊下，表面層發(fā)生塑性形變，由此導致試片向噴射面呈球面狀彎曲，切入球面的特定基準面到球面最高點之間的距離稱為弧高，其值通過阿爾門弧高測量儀進行測量。

2 加工參數(shù)對超聲滾壓工藝的影響

在超聲滾壓過程中，有很多因素會影響到弧高和表面粗糙度，如步距、進給率、靜壓力和路徑設(shè)置等。步距是指在指定條件下，二次刀路之間的中心距離；進給率是指滾壓的速率；靜壓力是指圖1所示的氣壓裝置的壓力。

圖1 超聲滾壓示意圖

2.1 步距

從圖2可觀察到步距對于弧高和表面粗糙度有顯著的影響，滾壓球的半徑為7 mm。當其他條件不變時，隨著步距的增加，表面粗糙度呈增大的趨勢，在實驗范圍內(nèi)，步距最小時得到的表面粗糙度值也最小，可達Ra0.06 μm。這一點與銑削的步距是相似的，步距越小則表面粗糙度值越小，但加工時間也與步距有直接的關(guān)系，步距越小需花費的時間越長。同時，在步距小于0.75 mm以下時，其對弧高的影響不大。此后，步距越大，弧高越小。當步距過大時，有些地方并未滾壓到，會出現(xiàn)欠滾壓狀況，即有些區(qū)域的材料屈服了，而有些區(qū)域的材料并沒有屈服，反而起不到強化的目的。步距減少，引入的殘余應力增加，弧高會增大，但步距減小到一定值后，殘余應力會達到飽和，弧高不會繼續(xù)增加。

2.2 進給率

圖3是進給率對表面粗糙度和弧高的影響。可看出，在試驗范圍內(nèi)，進給率對表面粗糙度和弧高的影響不大。

2.3 靜壓力

圖4是靜壓力對表面粗糙度和弧高的影響。可看出，隨著靜壓力的增加，弧高增大，表面粗糙度值呈減小的趨勢，這是由于靜壓力增大引入的殘余應力增大造成的。且可看到，即使弧高增加到0.2 mm，需要的靜壓力也只有0.4 MPa，這對于處理薄壁件是非常有價值的。滾壓是滾壓工具向工件表面施加一定壓力，利用金屬的塑性變形使工件表面的微觀不平度輾平，從而達到改變表層結(jié)構(gòu)、機械特性、形狀和尺寸的目的，既可達到光整加工，又可達到強化的目的。但滾壓加工需要較大的靜壓力，有時常達到兆帕以上。一方面，這對機床的精度會產(chǎn)生不利影響；另一方面，在處理薄壁件或細長軸零件時，由于零件變形過大而失去了強化的意義。超聲滾壓強化由于引入了超聲振動，故不需對工件施加很大的靜壓力，對機床的精度損失很小，對一些薄壁件也可采用這種方法實現(xiàn)鏡面加工和強化。

圖2 步距對超聲滾壓工藝的影響

圖3 進給率對超聲滾壓工藝的影響

圖4 靜壓力對超聲滾壓工藝的影響

2.4 路徑

路徑對于表面粗糙度的影響甚微，但對弧高有較大的影響。圖5是路徑示意圖，圖6是路徑對弧高的影響。本試驗設(shè)計了二種路徑：一種延橫向滾壓，另一種延縱向滾壓?？煽闯觯涌v向滾壓的試片弧高明顯大于延橫向滾壓的試片弧高。其原因是由于殘余壓應力在橫向和縱向方向分布的幅值不同而造成的。

圖5 滾壓路徑示意圖

圖6 路徑對超聲滾壓工藝的影響

3 超聲滾壓Inconel 718

由于Inconel 718材料在700℃時具有高溫強度，以及優(yōu)秀的耐腐蝕性能和易加工性，可廣泛應用于各種高要求的場合，如航空發(fā)動機及燃氣輪機的一些要求較高的零部件。圖7是超聲滾壓過的Inconel 718工件，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化可將工件的表面粗糙度值降低到Ra0.1 μm。

圖7 超聲滾壓強化后的工件

殘余應力在各外界因素的作用下將發(fā)生變化，這就是殘余應力的穩(wěn)定性問題，它與材料內(nèi)部儲備的彈性應變能有關(guān)。不論宏觀殘余應力或微觀殘余應變的大小都可看作系統(tǒng)偏離低能量穩(wěn)定態(tài)的程度。熱力學上高能量的組織狀態(tài)在合適的條件下總趨向于低能量的平衡態(tài)，這就是殘余應力松弛的內(nèi)在驅(qū)動力。促使其松弛的外界因素主要是溫度和載荷，它們可單獨影響，也可綜合在一起共同影響。

由于在航空發(fā)動機及燃氣輪機領(lǐng)域，Inconel 718材料用于高溫場合，在熱的作用下，會出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象，松弛程度也是表面強化程度的一個指標。圖8是熱處理前和熱處理后、延滾壓方向的殘余應力分布情況，熱處理條件是在425℃下保溫10 h，然后在空氣中緩慢冷卻。可看出，在熱的影響下，無論是最大值還是壓力層深度，損失了一定程度的殘余壓應力，但仍然保持了較好的穩(wěn)定性，熱處理前的最大壓應力為890 MPa，即使損失了一些壓應力，仍可達到600 MPa，壓力層深度熱處理后仍可達到約0.5 mm。

圖8 殘余應力分布

4 結(jié)論

超聲滾壓技術(shù)是通過加工工作頭沿工件表面法線方向施加一定幅度的超聲頻機械振動，在一定進給條件下，工作頭將靜壓力和超聲沖擊振動傳遞到機械零部件表面，產(chǎn)生沖擠作用而使金屬材料產(chǎn)生大幅度的彈塑性變形，沿著給定的路徑，在銑床上可方便快捷地對工件進行強化處理。加工后，由于塑性流動，工件表面上的峰谷被平整，從而大大降低表面粗糙度值，并引入殘余壓應力。由于工件表面被均勻壓縮，伴隨著產(chǎn)生的殘余壓應力，對提高機械零部件的抗疲勞和磨損性能非常有利。本文研究了實際應用中較關(guān)心的各參數(shù)對弧高及表面粗糙度的影響，并以弧高作為滾壓強度的指標，得到如下結(jié)論：

（1）隨著步距增加，表面粗糙度值呈增大的趨勢，弧高呈減小的趨勢。

（2）隨著靜壓力的增加，弧高增大，表面粗糙度值呈減小的趨勢。

（3）在試驗范圍內(nèi)，進給率對弧高和表面粗糙度的影響不顯著。

（4）路徑對弧高有著顯著的影響，這是由于殘余壓應力延不同方向分布對稱造成的。

（5）Inconel 718材料經(jīng)超聲滾壓強化后，表面粗糙度可降至Ra0.1 μm，壓力層深度可達0.5 mm，且有較好的熱穩(wěn)定性。

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Study of Ultrasonic Roller Burnishing Process

GAO Qing
（GE Global Research Center，Shanghai 201203，China）

Ultrasonic roller burnishing (URB)technology is a hybrid technology to enhance the mechanical properties of metal material through burnishing and peening induced by ultrasonic vibration.The promising benefits of URB compared to other surface enhancement technologies are the great depth of compression，sufficient compressive residual stress，surface smoothing and less pressure is applied on part surface.To find suitable enhancement intensity of URB in practice，the effect of process variables on residual stress arc height and surface roughness are discussed.Results show that stepover，static pressure and tool path pattern are significant factors for residual stress profiles and surface roughness.Compressive stress distribution is sensitive with rolling direction，compressive stress in rolling direction is smaller than perpendicular direction.For Inconel 718，surface roughness drops to Ra0.1 μm and compression depth is 0.5 mm.

ultrasonic roller burnishing；arc height；surface roughness；compressive stress

TG663

A

1009－279X（2017）02－0066-04

2017-03-22

高清，男，1975年生，工程師。