張 明，張 翼，孫圣軍

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061）

超聲波輔助滾壓加工中顫振的產(chǎn)生與抑制

張 明，張 翼，孫圣軍

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061）

對(duì)超聲波輔助滾壓加工中顫振的產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行了探索，嘗試通過理論對(duì)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋。分析不同工藝參數(shù)下工件表面振紋的分布情況，提出抑制超聲波輔助滾壓加工顫振的工藝措施，為超聲波輔助滾壓系統(tǒng)的工藝水平優(yōu)化提供可靠指導(dǎo)。

超聲波輔助滾壓；再生型顫振；表面質(zhì)量；工藝參數(shù)

超聲波輔助滾壓技術(shù)是利用超聲頻的機(jī)械振動(dòng)作用于滾壓工具頭，從而對(duì)工件進(jìn)行滾壓加工。與普通滾壓技術(shù)相比，具有加工表面質(zhì)量高、滾壓工具使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在超聲波輔助滾壓加工過程中，不時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)工藝系統(tǒng)自身產(chǎn)生高頻振動(dòng)，伴隨著巨大的噪聲，并在工件表面造成密布均勻的振紋。該現(xiàn)象不僅影響了機(jī)床的加工精度，造成工件表面粗糙度值增大和滾壓工具磨損，甚至可能會(huì)導(dǎo)致工件報(bào)廢和加工工具損壞，而且嚴(yán)重影響了操作人員的健康。

根據(jù)被加工工件表面振紋是否出現(xiàn)，可直觀地判斷超聲輔助滾壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便在狀態(tài)異常的情況下及時(shí)做出調(diào)整，避免加工受到影響，從而降低可能的經(jīng)濟(jì)損失。

1 超聲波輔助滾壓系統(tǒng)工作原理

完整的超聲波輔助滾壓系統(tǒng)由超聲波輔助滾壓裝置和機(jī)床組成。超聲波輔助滾壓裝置由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、壓力傳感器及滾壓工具頭等部件組成（圖1）。超聲波發(fā)生器用來產(chǎn)生超聲頻電振蕩，換能器接受后將其轉(zhuǎn)換為相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將機(jī)械振動(dòng)的位移量和運(yùn)動(dòng)速度放大，壓力傳感器用于檢測(cè)滾壓工具頭與工件表面的滾壓預(yù)緊力，通過滾壓工具頭將振動(dòng)壓力施加到機(jī)床上處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的工件表面進(jìn)行加工。

2 超聲波輔助滾壓中的顫振問題

由于整套超聲波輔助滾壓系統(tǒng)是由滾壓裝置和機(jī)床互相配合工作的，所以加工的最終工藝效果由多種工藝參數(shù)共同決定。在滾壓裝置各項(xiàng)參數(shù)一定的情況下，機(jī)床的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)最終的加工效果有著至關(guān)重要的影響。而在某些加工條件下，滾壓加工系統(tǒng)自身會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，加工過程中伴隨著高頻噪聲并在工件表面產(chǎn)生均勻分布的振紋（圖2）。

滾壓系統(tǒng)的振動(dòng)大致分為二種：一種是因機(jī)床自身穩(wěn)定性較差或工件偏心較嚴(yán)重，在滾壓加工過程中導(dǎo)致的強(qiáng)迫振動(dòng)，該情況下振紋主要出現(xiàn)在工件的偏心一側(cè)，或者一側(cè)清晰、一側(cè)模糊，但這種振動(dòng)在實(shí)際加工中較少出現(xiàn)，且主要原因是工件自身工藝存在問題；另一種是由于機(jī)床的某些工藝參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，導(dǎo)致加工中滾壓重疊嚴(yán)重，誘發(fā)自激振動(dòng)，也稱顫振。由于顫振的振動(dòng)頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率相接近，而振動(dòng)頻率可通過表面振紋和機(jī)床工作參數(shù)大致估算。

3 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在C6136機(jī)床上進(jìn)行，工件選用軸類常用的45鋼，并將其加工成直徑30 mm、長300 mm表面較光滑、無車刀加工紋理的實(shí)心軸，測(cè)得其表面粗糙度值約為Ra2.3 μm，硬度值為240 HV。將實(shí)心軸一端夾緊在機(jī)床卡盤上，另一端用頂尖頂緊，調(diào)整機(jī)床徑向進(jìn)給，使?jié)L壓工具頭與工件緊密接觸。滾壓工具頭選用直徑6 mm的GCr15鋼珠，加工過程中用32號(hào)液壓油作為冷卻潤滑液。

3.2 機(jī)床進(jìn)給量對(duì)顫振的影響

研究機(jī)床進(jìn)給量對(duì)顫振的影響，選用的振幅為8 μm，機(jī)床轉(zhuǎn)速為1140 r/min，滾壓預(yù)緊力為15 kg。機(jī)床進(jìn)給量對(duì)工件表面振紋的影響見圖3。當(dāng)進(jìn)給量為0.06 mm/r時(shí)，可發(fā)現(xiàn)工件表面質(zhì)量差，且振紋清晰，變形劇烈，嚴(yán)重影響加工效果（圖3a）；當(dāng)上調(diào)進(jìn)給量至0.12 mm/r時(shí)，工件表面仍可見清晰的振紋，但與之前相比振紋較淺，工件表面變形較均勻，表面質(zhì)量有所改觀（圖3b）；當(dāng)進(jìn)給量為0.24 mm/r時(shí)，工件表面光滑無振紋，表面質(zhì)量極好，加工較成功（圖3c）；當(dāng)進(jìn)給量上調(diào)至0.48 mm/r時(shí)，工件表面同樣無振紋，但在顯微儀器下觀察可發(fā)現(xiàn)，工件表面并非每處都受到滾壓工具頭細(xì)密無間的滾壓加工，工件表面未被滾壓處有間隔凸起，表面質(zhì)量差于圖3c所示工件。

根據(jù)加工過程中工件每一周的振紋數(shù)量k、機(jī)床進(jìn)給量f及轉(zhuǎn)速n，可大致估算出滾壓過程中發(fā)生的振動(dòng)頻率ω：

[4]盧卡奇：《小說理論》，《盧卡奇早期文選》，張亮、吳勇立譯，南京：南京大學(xué)出版社，2004年，第32-65頁。

收集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，根據(jù)式（1）計(jì)算出發(fā)生振動(dòng)的頻率大致保持在500～600 Hz之間。根據(jù)顫振的特性：顫振頻率大致等于振動(dòng)系統(tǒng)自身固有頻率，進(jìn)而可判定造成振紋產(chǎn)生、影響工件表面質(zhì)量的原因是顫振。

機(jī)床進(jìn)給量決定了工件軸向被加工的連續(xù)程度。在振幅、轉(zhuǎn)速和預(yù)緊力一定的情況下，進(jìn)給量設(shè)定過小（圖3a、圖3b）會(huì)導(dǎo)致工件每一周的滾壓與上一周滾壓的壓痕產(chǎn)生重疊。如果在上一轉(zhuǎn)因外界干擾而發(fā)生了一段振動(dòng)并在工件上留下了一段振紋，在下一轉(zhuǎn)時(shí)滾壓工具頭因滾壓重疊的存在，必然會(huì)在振紋上繼續(xù)滾壓加工。由于滾壓厚度的變化，高速旋轉(zhuǎn)的工件會(huì)被誘發(fā)振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)滾壓加工系統(tǒng)的振動(dòng)，且振動(dòng)不會(huì)自行停止，此為再生型顫振被誘發(fā)。該再生型顫振會(huì)在工件表面不停地留下新的振紋。由于工件的周長不能整除每次振動(dòng)發(fā)生的間隔長度，所以造成下一轉(zhuǎn)必然存在一個(gè)向后的相位差，導(dǎo)致軸向振紋傾斜，這種再生型振紋使工件表面粗糙度惡化。但由于存在滾壓重疊現(xiàn)象，確保了工件表面充分加工，形成了冷卻硬化層，提高了工件硬度。當(dāng)進(jìn)給量過大時(shí)（圖3d），沒有振紋產(chǎn)生，但因?yàn)闈L壓重疊現(xiàn)象幾近消失，工件表面并不是每一處都經(jīng)過了滾壓加工，中間有些空隙沒有被滾壓到，且滾壓處的塑性變形不夠充分，表面形成的冷卻硬化層較淺，該情況為加工不充分。

3.3 滾壓預(yù)緊力對(duì)顫振的影響

研究滾壓預(yù)緊力對(duì)顫振的影響時(shí)，進(jìn)行了二組實(shí)驗(yàn)。第一組選用的振幅為8 μm，機(jī)床轉(zhuǎn)速為1140 r/min，機(jī)床進(jìn)給量為0.12 mm/r。由圖4可看出，三次加工效果都不夠理想，工件表面質(zhì)量較差，存在很清晰的振紋。經(jīng)過式（1）的測(cè)算，三次加工過程中的振動(dòng)頻率依然在500～600 Hz之間，可認(rèn)定表面振紋的產(chǎn)生原因仍為顫振。這是由于機(jī)床進(jìn)給量較低導(dǎo)致滾壓重疊，從而誘發(fā)了顫振現(xiàn)象。由圖4還可看出，工件表面質(zhì)量隨著預(yù)緊力的增加而變差，振紋越發(fā)明顯，在加工過程中有劇烈噪音產(chǎn)生。當(dāng)預(yù)緊力為25 kg時(shí)，工件表面發(fā)生最劇烈的塑性變形，表面甚至有起皮脫落的現(xiàn)象。

第二組實(shí)驗(yàn)選用的振幅為8 μm，機(jī)床轉(zhuǎn)速為1140 r/min，機(jī)床進(jìn)給量為0.24 mm/r。在預(yù)緊力分別為15、25 kg條件下進(jìn)行加工，工件表面均未發(fā)現(xiàn)振紋，加工基本完成，但工件表面質(zhì)量有明顯差別：預(yù)緊力較小時(shí)，工件表面質(zhì)量較好；預(yù)緊力較大時(shí)，工件表面粗糙不平，且布滿滾壓工具頭與工件緊密接觸造成的塑性變形坑洞痕跡。在該進(jìn)給量條件下，滾壓工具頭對(duì)工件表面的滾壓重疊作用較小，可忽略，自然不會(huì)發(fā)生顫振。在未發(fā)生顫振的加工情況下，預(yù)緊力越大，工件表面越粗糙，硬度也越大。

通過二組實(shí)驗(yàn)可見，滾壓預(yù)緊力并不是產(chǎn)生顫振的決定性因素；但當(dāng)顫振發(fā)生時(shí)，預(yù)緊力的大小對(duì)于顫振的劇烈程度有著重要影響。

滾壓預(yù)緊力是保證超聲波輔助滾壓裝置正常工作的重要工藝參數(shù)。在每次滾壓加工前必須確保工件與滾壓工具頭之間存在一個(gè)合適的預(yù)緊力。當(dāng)預(yù)緊力過小時(shí)，會(huì)因工件與滾壓工具頭不能緊密接觸而使?jié)L壓加工效果大打折扣；當(dāng)預(yù)緊力較大時(shí)，如果恰好進(jìn)給量過小，則易誘發(fā)顫振，且在發(fā)生顫振的加工過程中，預(yù)緊力越大，對(duì)工件表面質(zhì)量造成的影響越大，如圖4c所示工件表面，由于預(yù)緊力過大，顫振發(fā)生時(shí)滾壓工具頭對(duì)工件表面造成了劇烈的塑性變形，引起位錯(cuò)密度增加和晶粒的破碎，出現(xiàn)了表面起皮脫落的現(xiàn)象；如果進(jìn)給量適當(dāng)，滾壓重疊不再發(fā)生，產(chǎn)生顫振的基本條件被打破，滾壓工具頭利用超聲振動(dòng)不斷沖擊工件表面以產(chǎn)生加工硬化及殘余壓應(yīng)力，工件表面硬度伴隨表面粗糙度值會(huì)共同增長。

3.4 機(jī)床轉(zhuǎn)速對(duì)顫振的影響

研究機(jī)床轉(zhuǎn)速對(duì)顫振的影響時(shí)，選用的加工參數(shù)為振幅8 μm、機(jī)床進(jìn)給量0.12 mm/r、滾壓預(yù)緊力15 kg。由圖6可見，二種轉(zhuǎn)速下加工的工件表面都有明顯的傾斜振紋產(chǎn)生，表面質(zhì)量均較差，且加工過程中都伴隨著噪聲。經(jīng)過式（1）的測(cè)算，二次振動(dòng)頻率均在500～600 Hz之間，這與3.3節(jié)所述的第一組實(shí)驗(yàn)相似，同樣是因?yàn)闄C(jī)床進(jìn)給量較低，導(dǎo)致滾壓重疊誘發(fā)了整個(gè)滾壓加工系統(tǒng)的顫振，從而造成了工件表面的振紋。同時(shí)，由機(jī)床轉(zhuǎn)速較高的一組實(shí)驗(yàn)可看出，每一轉(zhuǎn)中的振紋數(shù)量即振動(dòng)次數(shù)較少，振紋傾斜度更大、更細(xì)密。根據(jù)式（1）可知，由于顫振頻率不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，每一轉(zhuǎn)的振動(dòng)次數(shù)必然下降；高轉(zhuǎn)速時(shí)，第二轉(zhuǎn)的相位差自然更加向后，因此，高轉(zhuǎn)速加工的工件（圖6b）比低轉(zhuǎn)速加工的工件（圖6a）軸向振紋更傾斜。

總體而言，機(jī)床轉(zhuǎn)速對(duì)顫振的發(fā)生與否沒有實(shí)質(zhì)影響。如果進(jìn)給量較小，無論轉(zhuǎn)速快慢，都會(huì)發(fā)生顫振并導(dǎo)致工件表面發(fā)生較嚴(yán)重的塑性變形，影響加工效果，但高轉(zhuǎn)速下的顫振相對(duì)于低轉(zhuǎn)速下的顫振對(duì)工件表面質(zhì)量的影響較輕；而當(dāng)進(jìn)給量調(diào)至0.24～0.48 mm/r范圍時(shí)，因?yàn)楸苊饬藵L壓重疊，打破了顫振的發(fā)生條件，此時(shí)更高的轉(zhuǎn)速可使工件表面受到更細(xì)密的滾壓，加工效果會(huì)更佳。

3.5 振幅對(duì)顫振的影響

研究振幅對(duì)顫振的影響時(shí)，選用的加工參數(shù)為機(jī)床進(jìn)給量0.24 mm/r、機(jī)床轉(zhuǎn)速1140 r/min、滾壓預(yù)緊力15 kg。由前文可知，加工參數(shù)均設(shè)置在最佳的進(jìn)給量、預(yù)緊力和轉(zhuǎn)速條件下。由圖7可看出，二種振幅下加工的工件表面都沒有形成振動(dòng)紋理，由此可判定在其他加工參數(shù)配合良好的情況下，單獨(dú)修改超聲滾壓裝置的振幅這一參數(shù)，不會(huì)造成顫振的發(fā)生進(jìn)而導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生振紋。經(jīng)表面粗糙度儀測(cè)量可得，振幅的改變僅僅對(duì)工件表面粗糙度造成0.1 μm級(jí)別的影響，影響效果較小。

當(dāng)其他加工參數(shù)配合較差（如：進(jìn)給量過小、預(yù)緊力過大）時(shí)，將造成顫振的發(fā)生，而在不同振幅條件下，工件表面的振紋差異也相似。綜上所述，滾壓加工過程中發(fā)生顫振現(xiàn)象并造成工件表面出現(xiàn)振紋，一般可排除超聲滾壓裝置振幅的影響，且振幅對(duì)工件表面質(zhì)量的影響較小。

4 結(jié)束語

在超聲波輔助滾壓工藝中，顫振發(fā)生的決定性原因在于機(jī)床進(jìn)給量過小而導(dǎo)致的滾壓工具頭對(duì)工件表面造成的滾壓重疊。滾壓裝置預(yù)緊力和機(jī)床轉(zhuǎn)速雖然不能對(duì)顫振現(xiàn)象的發(fā)生起決定性影響，但與顫振發(fā)生后對(duì)工件表面的作用效果有直接影響。另外，在使用超聲輔助滾壓這一新興加工技術(shù)時(shí)，由于多種加工參數(shù)配合的復(fù)雜性，時(shí)常導(dǎo)致工件的最終加工效果不理想，但通過工件表面的加工現(xiàn)象可快速分析加工過程中的問題所在并加以調(diào)整。通過多組實(shí)驗(yàn)效果及狀況的具體分析，可得出選用較大的進(jìn)給量 （0.18～0.30 mm/r）配合適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力（15～20 kg）和較高的機(jī)床轉(zhuǎn)速（1140 r/min以上），能獲得較好的加工效果。

[1] 黃其圣.自激振動(dòng)對(duì)超聲振動(dòng)車削的影響[J].儀表技術(shù)與傳感器，1997（4）：41-42.

[2] 黃強(qiáng)，張根保，張新玉，等.對(duì)再生型切削顫振模型的試驗(yàn)分析[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2008，21（6）：547-552.

[3] 隋翯，張德遠(yuǎn)，陳華偉，等.超聲振動(dòng)切削對(duì)耦合顫振的影響[J].航空學(xué)報(bào)，2016，37（5）：1696-1704.

[4] 于澤旭，宋錦春，王琰，等.超聲波滾壓光整加工技術(shù)機(jī)理研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（12）：93-96.

[5] 朱有利，王燕禮，邊飛龍，等.金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（20）：36-45.

[6] HAN Xiaoguo，OUYANG Huajiang，WANG Minjie，et al. Self-excited vibration of workpieces in a turning process [J].Journal of mechanical engineering science，2012，226（8）：1958-1970.

Generation and Restraint of Self-excited Vibration in Ultrasonic Auxiliary Rolling Process

ZHANG Ming，ZHANG Yi，SUN Shengjun
（College of Electromechanical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266061，China）

The phenomenon of regular self-excited vibration during the actual operation of ultrasonic auxiliary rolling process is explored，and try to explain the results of experiment with theory. By analyzing regular texture distributed on the artifacts during the actual operation of ultrasonic auxiliary rolling process with different processing parameters to propose new restraint methods of selfexcited vibration，to optimize technological level of the whole ultrasonic auxiliary rolling process system.

ultrasonic auxiliary rolling process；regenerative self-excited vibration；surface quality；processing parameters

TG663

A

1009－279X（2017）01－0065-04

2016-09-06

張明，男，1960年生，教授。