普通車床的超聲滾壓裝置設計*

何柏林 ，丁江灝

(華東交通大學 材料科學與工程學院，南昌 330013)

0 引言

超聲滾壓處理是一種改善金屬構(gòu)件表面綜合力學性能的處理工藝，通過在金屬表面產(chǎn)生一定的塑變層而使金屬表面質(zhì)量發(fā)生改變，形成表面殘余壓縮應力，還可以細化材料的顯微組織，甚至達到表面納米化組織，進而大幅度提高材料耐磨、耐腐蝕、抗疲勞性能[1-3]。目前對金屬構(gòu)件的超聲滾壓主要停留在實驗階段，真正應用到工業(yè)生產(chǎn)和生活中的很少[4]。即使在工業(yè)應用中，對需要滾壓的金屬構(gòu)件，通常是人工握持超聲滾壓槍對構(gòu)件進行處理，對于大型金屬構(gòu)件，就需要長時間的滾壓，滾壓周期很長，影響生產(chǎn)效率，并且在滾壓過程中由于人為的因素還會對構(gòu)件表面的質(zhì)量產(chǎn)生影響，例如滾壓壓力、滾壓時間、滾壓角度等加工參數(shù)不能保證[5-6]。對于圓柱型構(gòu)件，手持超聲滾壓槍不能保證壓力和滾壓角度，致使?jié)L壓過程中壓力不能集中，不能保證滾壓過程中加工參數(shù)的穩(wěn)定，因此手持超聲滾壓槍不能實現(xiàn)對圓柱構(gòu)件的滾壓處理。而車床作為一種普遍使用的機械加工設備，能夠保證加工過程的穩(wěn)定性，特別是在車削加工過程中，車刀能夠精確的進給，這給實現(xiàn)對圓柱構(gòu)件的超聲滾壓處理提供了可能[7-9]。本文通過設計了一種能夠安裝在車床上的超聲滾壓處理裝置和板狀滾壓處理夾具，滾壓裝置和夾具安裝在車床上能夠?qū)崿F(xiàn)對圓柱型構(gòu)件和板狀構(gòu)件自動進行超聲滾壓處理，完成構(gòu)件表面的表面加工處理，達到提高構(gòu)件表面性能的要求。在滾壓處理過程中可以保證加工參數(shù)的穩(wěn)定，從而減少人為因素造成的加工誤差，并且能夠完成自動滾壓處理，減小工作量，提高工作效率。

1 超聲滾壓處理裝置的設計方案

鑒于現(xiàn)有超聲滾壓處理裝置對構(gòu)件加工處理的缺陷，從改造普通車床的設計角度出發(fā)，設計一種基于普通車床的超聲滾壓處理裝置，以實現(xiàn)在傳統(tǒng)車床上完成對圓柱型構(gòu)件和板狀構(gòu)件進行表面超聲滾壓的功能[10]。

對于圓柱試樣進行表面滾壓處理擬通過具備下述技術方案得以實現(xiàn)：圓柱型構(gòu)件一端夾持在車床卡盤上，另一端連接頂尖，頂尖安裝在車床尾座上，圓柱型構(gòu)件可以隨著主軸的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動；液壓升降系統(tǒng)安裝在車床的溜板箱上，超聲滾壓槍和升降系統(tǒng)相連，可以完成超聲滾壓裝置在垂直軸向方向的升降，升降系統(tǒng)可以與外接電腦相連，能夠完成電腦控制自動升降功能；溜板箱可以在車床導軌上移動，并且能夠根據(jù)不同主軸轉(zhuǎn)速選擇合適的速度自動移動；同時尾座可以在車床上滑動，根據(jù)主軸的位置不同，滑動尾座使頂尖頂緊構(gòu)件的一端。

對于板狀試樣的全位置超聲滾壓處理擬通過具備下述技術方案得以實現(xiàn)：板狀夾具安裝在尾座的套筒上，并由緊固螺釘固定好夾具位置，保證夾具垂直放置，夾具可以隨著尾座的移動進行軸向方向的進給，并且在旋轉(zhuǎn)手輪時可以和套筒一起進給，夾具上設置有內(nèi)孔，在不破壞車床套筒的情況下完成夾具的安裝；夾具上有鎖止螺釘，旋緊鎖止螺釘可以頂住頂板向前移動，從而夾緊板狀構(gòu)件，保證在滾壓過程中的構(gòu)件穩(wěn)定性。

通過采用改裝后的超聲滾壓裝置，經(jīng)過不同壓力，不同速度的滾壓處理，發(fā)現(xiàn)該方案在不改變車床主體結(jié)構(gòu)，僅僅是去除車床車刀架，安裝控制超聲滾壓槍升降的升降系統(tǒng)，就能很好的實現(xiàn)超聲滾壓槍對圓柱試樣的滾壓處理，并且只在尾座套筒上安裝板狀構(gòu)件夾具，就能實現(xiàn)對板狀構(gòu)件的全位置自動滾壓處理，擴展了車床在超聲滾壓處理方面的應用，提高了車床加工的利用率；對于被滾壓處理構(gòu)件而言，節(jié)約了處理時間，降低了處理成本，節(jié)省了勞動力，提高了生產(chǎn)效率和滾壓質(zhì)量。

2 超聲滾壓處理過程的實施方式

應用上述設計方案，開發(fā)出的對圓柱型構(gòu)件進行滾壓處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.車床卡盤 2.圓柱型構(gòu)件 3.溜板 4.頂尖 5.套筒 6.尾座 7.套筒進給手輪 8.溜板箱 9.溜板箱進給手輪 10.升降系統(tǒng) 11.溜板進給手輪 12.滾壓槍支撐座 13.超聲滾壓槍圖1 圓柱型構(gòu)件超聲滾壓處理裝置示意圖

從圖1中可見，該改裝后的超聲滾壓處理裝置以普通車床為主體，圓柱型構(gòu)件2一端夾在車床卡盤1上，另一端由頂尖4頂緊，構(gòu)件可以隨卡盤的旋轉(zhuǎn)而高速轉(zhuǎn)動，并且構(gòu)件由于高速旋轉(zhuǎn)造成的徑向跳動也被頂尖所限制，從而使圓柱構(gòu)件可以沿著軸向方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，保證在滾壓處理過程中滾壓槍對構(gòu)件施加壓力的穩(wěn)定性。在車床溜板箱8上安裝有升降系統(tǒng)10，超聲滾壓槍由滾壓槍支撐座12固定在升降系統(tǒng)上，升降系統(tǒng)可以與外接電腦相連，能夠完成電腦控制自動升降功能。

在滾壓過程中需要通過滾壓槍對圓柱型構(gòu)件施加一定的徑向壓力，因此滾壓槍會受到構(gòu)件的反作用力，為了保證滾壓槍的穩(wěn)定性，把滾壓槍安裝在支撐座上，支撐座和升降系統(tǒng)連接在一起，可以隨著升降系統(tǒng)帶動沖滾壓槍完成升降動作。當超聲滾壓槍頭部滾壓球與圓柱型構(gòu)件的中心軸線對齊時，旋轉(zhuǎn)溜板進給手輪11使?jié)L壓球頂住構(gòu)件表面，并繼續(xù)旋轉(zhuǎn)手輪使?jié)L壓槍對構(gòu)件施加一定的徑向壓力，根據(jù)不同的加工要求旋轉(zhuǎn)手輪，以達到不同的壓力值要求。

加工時，根據(jù)圓柱構(gòu)件的尺寸，定位滾壓槍位置，旋轉(zhuǎn)溜板進給手輪，選擇合適徑向應力值，啟動超聲滾壓槍，然后啟動車床，車床主軸帶動卡盤旋轉(zhuǎn)，進而帶動圓柱構(gòu)件高速轉(zhuǎn)動，啟動溜板箱自動進給開關，此時超聲滾壓槍隨著溜板箱做沿著軸線方向進給，當移動到合適位置時，停止溜板箱進給，完成一次圓柱型構(gòu)件的超聲滾壓處理。

對板狀構(gòu)件的全位置超聲滾壓處理示意圖如圖2所示，板狀構(gòu)件夾具的三視圖如圖3所示。從圖2可以看出，在對板狀構(gòu)件進行滾壓是在尾座套筒5上加裝了板狀夾具3就可以完成對板狀構(gòu)件的超聲滾壓處理。從圖3可見，夾具設置有通孔，可以把套筒安裝進通孔內(nèi)，旋緊設置在夾具底座四周的緊固螺釘4，可以把夾具固定在套筒上。板狀構(gòu)件夾持在夾具底板和頂板中間，轉(zhuǎn)動鎖止螺釘2，頂板推著板狀構(gòu)件向前進給，繼續(xù)旋緊鎖止螺釘，夾緊構(gòu)件。此時構(gòu)件、夾具和套筒為一體，可以隨著尾座運動，推動車床尾座6，移動到合適位置，準備超聲滾壓處理。

加工時，根據(jù)板狀構(gòu)件的尺寸，轉(zhuǎn)動溜板箱進給手輪9，把滾壓槍移動到合適位置，旋轉(zhuǎn)溜板進給手輪11，使?jié)L壓球頂住構(gòu)件表面，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)手輪對構(gòu)件施加一定的壓力，啟動超聲滾壓槍，當滾壓槍達到額定頻率時，啟動升降系統(tǒng)，此時可以完成對構(gòu)件一個方向上的滾壓，當滾壓到構(gòu)件的頂端時，升降系統(tǒng)停止工作，把滾壓槍移動到原始位置，旋轉(zhuǎn)溜板箱進給手輪9，使?jié)L壓槍移動到挨著第一次滾壓位置，開始對構(gòu)件進行另一位置的滾壓處理，當滾壓槍移動到滾壓極限位置時，完成此次對板狀構(gòu)件的滾壓處理。

1.板狀構(gòu)件 2.鎖止螺釘 3.夾具 4.緊固螺釘 5.套筒 6.尾座 7.套筒進給手輪 8.溜板箱 9.溜板箱進給手輪 10.升降系統(tǒng) 11.溜板進給手輪 12.滾壓槍支撐座 13.超聲滾壓槍圖2 板狀構(gòu)件超聲滾壓處理裝置示意圖

圖3 板狀構(gòu)建夾具三視圖

3 改造后超聲滾壓處理裝置的實驗實例

應用改造后的超聲滾壓處理裝置，進行了對圓柱試樣的超聲滾壓處理的實驗，本次實驗用的實驗材料為45#鋼，其化學成分和力學性能指標如表1和表2 所示，試樣設計尺寸如圖4所示。

表1 45#鋼的化學成分(Wt%)

表2 45#鋼力學性能

圖4 試樣尺寸示意圖

3.1 粗糙度實驗

在超聲滾壓處理之前，利用車床對圓柱狀試樣進行表面的車削加工，把表面殘留的銹漬清理干凈，并保證車削加工完成以后圓柱試樣的圓整度，不能出現(xiàn)明顯的表面車削加工缺陷；再利用磨床把車削過后試樣的表面磨光，保證試樣表面在超聲滾壓處理之前具有一定的光潔度；其次把磨光的圓柱狀試樣的一端夾持在車床卡盤上，另一端用頂尖頂緊，固定好試樣后用改造后的超聲滾壓處理裝置對圓柱試樣進行滾壓處理，使用的超聲滾壓頭為硬質(zhì)合金球，半徑為5.0mm，滾壓電流為1.0A，滾壓壓力為250N，滾壓過程中保證壓力恒定不變，改變不同滾壓道次(“道”是指與圓柱試樣中心線平行的滾壓球運動軌跡)，滾壓方向一致。并做了參照組試樣，參照組試樣除不進行超聲滾壓處理之外其余處理和滾壓組試樣相同。

圖5為超聲滾壓處理前后試樣表面光潔度的對比，圖5a段為超聲滾壓處理之后試樣表面形貌，圖5b段為進行車削加工之后未進行超聲滾壓處理的試樣表面形貌，從圖中可以看出超聲滾壓處理過后，試樣表面的光潔度相對未處理試樣的表面得到了明顯的提高，加工痕跡得到了明顯的改善。

表3為經(jīng)過超聲滾壓處理過后，試樣表面的粗糙度值測量結(jié)果(表面粗糙度值越大光潔度越低)，圖6為不同滾壓參數(shù)下，粗糙度值隨不同滾壓道次的變化趨勢，從圖中可以看出，經(jīng)過超聲滾壓處理之后的試樣表面粗糙度值有明顯的改善，磨削加工之后試樣表面粗糙度Ra=0.986μm，經(jīng)過靜壓力為200N，滾壓道次為6道，試樣表面粗糙度值能夠達到Ra=0.144μm，降低了6.8倍。不同滾壓道次試樣表面的粗糙度值不同，粗糙度值呈現(xiàn)下降后上升的趨勢。該結(jié)果說明在一定的滾壓條件下，適當?shù)脑黾蛹庸さ来慰梢越档捅砻娲植诙?，這是因為反復的滾壓可以使上一次處理后造成的滾壓不足得以彌補，從而降低表面粗糙度。

圖5 超聲滾壓前后表面形貌

編號道次粗糙度值平均值1#00.9711.1130.8741.060.9120.9862#10.4390.3970.4270.4090.4330.4213#20.3580.3460.3290.4360.3510.3644#40.2760.2190.1860.1930.1910.2135#60.1770.1290.1180.1750.1210.1446#80.3120.2990.3190.2870.2680.1977#100.5240.5190.5080.4950.5490.519

圖6 不同滾壓道次下試樣表面粗糙度值

3.2 殘余應力實驗

對圓柱試樣進行表明光潔度測量以后使用管電壓為30kV、最大功率為300W、電流2～10mA的PSF/MSF-3M型X射線殘余應力儀對超聲滾壓態(tài)試樣及未滾壓態(tài)試樣進行表面殘余應力測試，每個試樣測試5個點，在選取測試點時，應保證5個測試點在同一軸線上，最后取5個測試點數(shù)據(jù)的平均值。測試結(jié)果如表4所示，通過殘余應力值的測試發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過超聲滾壓處理的試樣表面殘余應力值為殘余拉應力，而經(jīng)過超聲滾壓處理的試樣表面殘余應力值為殘余壓應力，改善了材料的抗疲勞力學性能。

表4 超聲滾壓后試樣表面殘余應力值(MPa)

3.3 硬度試樣

進行殘余應力測試以后，首先采用線切割機對1#、2#進行切割，切割出φ20mm×20mm的圓柱狀硬度測試試樣，然后采用XHV-1000Z型數(shù)顯顯微硬度計，對1#超聲滾壓態(tài)試樣及2#未滾壓態(tài)試樣進行硬度測試，試樣選取的測試點應在圓柱曲面上，試驗壓力為0.5kg·F，保壓時間10s，每個試樣測試3個點，然后取3個測試點的平均值，測量結(jié)果如表5所示。試驗結(jié)果表明，試樣表面的顯微硬度值相比于未處理的試樣表面顯微硬度值提高了22%。

表5 超聲滾壓后45#鋼表面顯微硬度值(HV)

4 結(jié)論

本文設計的基于普通車床改造的超聲滾壓處理裝置，在不改變車床主體結(jié)構(gòu)的前提下，能夠很好的完成對圓柱構(gòu)件和板狀構(gòu)件的超聲沖滾壓處理工作，整個超聲滾壓處理過程簡單，安裝方便，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)圓柱構(gòu)件的超聲滾壓，還能夠在板狀夾具的輔助作用下，完成對板狀構(gòu)件的全位置滾壓處理。通過實例實驗可以看出，運用改造的超聲滾壓處理裝置對試樣進行滾壓處理，滾壓后的試樣表面光潔度有明顯的提高，表面粗糙度值相比于未滾壓處理的試樣降低了6.8倍，表面殘余應力由車削加工后的殘余拉應力變?yōu)闅堄鄩簯?，改善了材料的抗疲勞性能，表面的顯微硬度值相比于未滾壓處理的試樣提高了22%，提高了材料表面的綜合力學性能，能夠滿足生產(chǎn)要求，提高了生產(chǎn)效率，降低勞動成本，免去了工人手持滾壓槍處理構(gòu)件的工作，可以實現(xiàn)半自動化處理。但對于普通車床而言，不能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動化的滾壓處理，今后的研究方向應該朝著完全自動化超聲滾壓處理而努力。