劉治華，張?zhí)煸?，楊孟儉，張銀霞，王棟

（鄭州大學 機械與動力工程學院，鄭州 450001）

當前超聲技術(shù)取得了長足的進步，將超聲技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合運用到表面強化上，已經(jīng)成為了發(fā)展的一種趨勢[1]。超聲加工技術(shù)包括超聲噴丸、超聲磨削、超聲振動輔助磨料水射流和超聲滾壓等。其中超聲噴丸過程較為復(fù)雜，工藝難以優(yōu)化和控制。超聲振動輔助磨料水射流的表面容易出現(xiàn)沖蝕現(xiàn)象，表面質(zhì)量較差。超聲磨削作為一種去除材料的加工技術(shù)，難以在工件材料表面形成足夠的殘余壓應(yīng)力。超聲滾壓技術(shù)是超聲技術(shù)和深滾技術(shù)相結(jié)合的一種典型方式，它是將靜壓力和振動結(jié)合起來，施加到零件表面來改善加工效果的技術(shù)。與其他技術(shù)相比，超聲滾壓技術(shù)具有操作簡單、成本低和效率高等特點，并且對表面質(zhì)量的改善具有重要意義[2]。相對于普通深滾壓，超聲滾壓采用較小的靜壓力就能達到較好的滾壓效果。

到目前為止，國內(nèi)外技術(shù)人員對超聲滾壓進行了一定的研究。趙運才等人[3]通過超聲滾壓技術(shù)處理AISI304不銹鋼，從試驗方面研究了靜壓力對工件表面形貌和粗糙度、表層微觀組織及殘余應(yīng)力等的影響。Teimouri等人[4]將超聲滾壓加工運用到鋁合金上，通過響應(yīng)曲面法，找到了可以提高顯微硬度和降低表面粗糙度的工藝參數(shù)，但是其所用的鋁合金材料硬度較低。劉宇等人[5]通過超聲滾壓技術(shù)處理40Cr得出，增加超聲滾壓次數(shù)，可以提高彈性模量、硬度和殘余應(yīng)力等表層力學性能參量，但僅通過壓痕實驗推算了不同加工次數(shù)下的表層殘余應(yīng)力。姚成霖等人[6]對6163鋁合金進行了超聲滾壓加工，認為適當選擇加工參數(shù)可以很大程度上提高該鋁合金的表面性能，但只通過實驗進行了研究，沒有關(guān)于粗糙度的理論推導。相關(guān)研究指出，17-4PH不銹鋼、40Cr鋼、車軸材料30CrMoA、AISI304不銹鋼等材料通過超聲滾壓加工，表面質(zhì)量得到了顯著提高[7-10]。W.Bouzid、O.Tsoumarev[11]等人通過對材料AISI 1042鋼的滾壓加工，研究了滾壓對此材料的影響，推導了表面粗糙度的解析模型，但是其解析模型并未考慮動態(tài)沖擊的作用。

18CrNiMo7-6是一種表面硬化鋼，在各個工業(yè)領(lǐng)域中都有使用，尤其在重載齒輪領(lǐng)域。然而對18CrNiMo7-6齒輪鋼進行超聲滾壓加工的研究未見報道，且18CrNiMo7-6齒輪鋼材料的硬度相對較高。本文給出了超聲滾壓加工后工件表面粗糙度的解析模型，并進行了試驗驗證，同時對滾壓加工后18CrNiMo7-6鋼表面層硬度及殘余應(yīng)力也進行了試驗研究。

1 超聲滾壓試驗

1.1 試驗裝置組成

試驗裝置為自主搭建，核心部件由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具頭四部分組成。發(fā)生器的作用是把市電50/60 Hz轉(zhuǎn)化為高頻率電源（28 000 Hz）傳遞至換能器，換能器的作用是通過其中的壓電材料將電能轉(zhuǎn)化為機械振動。變幅桿放大振幅后，經(jīng)由工具頭將振動施加在待加工試樣上。自主搭建的超聲滾壓裝置如圖1、2所示。

1.2 試驗材料

試驗材料為直徑26 mm鍛壓棒料，其表面顯微硬度平均值為360.9HV，Rt平均值為12.067 μm，Ra平均值為 3.003 μm。18CrNiMo7-6鋼的化學成分見表1。

表1 材料化學成分Tab.1 Chemical composition of material wt%

1.3 試驗方法

滾壓裝置夾持在臥式 A20車床的刀架上，直徑26 mm的圓棒固定夾持到車床的卡盤上，超聲滾壓工具頭的滾珠采用直徑為8 mm的硬質(zhì)合金球。超聲滾壓時，改變一個工藝參數(shù)，保持其他工藝參數(shù)不變。試樣經(jīng)超聲滾壓后，為便于后續(xù)實驗數(shù)據(jù)測量，把每個參數(shù)的試樣尺寸確定為φ26 mm×5 mm，并利用DK7732型線切割機完成切割工作。為保證實驗條件不變，試樣切割后，用相同的參數(shù)車削試樣端面。

采用HV-1000型顯微硬度計測量試樣的硬度，施加10 s 5 N的載荷，壓力卸載后，可在顯微鏡下觀察到壓痕大小，并由此得到試樣的顯微硬度。采用三維表面形貌測量系統(tǒng)測定試樣的表面粗糙度Ra、Rt值。采用Proto高速大功率X射線殘余應(yīng)力分析儀進行殘余應(yīng)力的測量。為了較好地觀察試樣的微觀組織，采用不同粒度的砂紙進行磨光，之后選用 W1.5、W1型號的拋光膏，對磨光之后的試樣進行拋光處理，以減少甚至消除經(jīng)砂紙磨光之后試樣表面的細小磨痕。將試樣浸入硝酸酒精溶液（硝酸的體積分數(shù)為 2%）中腐蝕10 s，再經(jīng)酒精溶液超聲波清洗并烘干后，利用超景深顯微鏡觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度的正交試驗

為優(yōu)化試驗參數(shù)，采用正交試驗方法進行試驗，以便得到相關(guān)工藝參數(shù)對結(jié)果的影響情況，并降低工作量。在本次試驗中，主要研究的影響因素包括超聲滾壓加工過程中滾壓工具頭的進給量、機床主軸的轉(zhuǎn)速、滾壓加工預(yù)加的初始靜壓力、滾壓次數(shù)及滾壓頭振動幅值大小，而對于滾球直徑的變化及滾珠的彈性變形沒有考慮，試驗采用5因素4水平的試驗方案，因素水平見表2。表中主軸轉(zhuǎn)速、進給量、靜壓力及滾壓次數(shù)的水平數(shù)值通過單因素試驗得到[12]，而振幅則由超聲滾壓裝置本身可調(diào)振幅大小所決定。本試驗裝置所使用的滾珠直徑為8 mm，因此在因素水平表中未體現(xiàn)滾珠直徑的變化。

表2 因素水平表Tab.2 Factor level

超聲滾壓后，工件表面粗糙度的極差分析見表3。為了分析各工藝參數(shù)對粗糙度的影響程度，對表3的結(jié)果進行分析。由結(jié)果可以看出，靜壓力、振幅、滾壓次數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、進給量對粗糙度值的影響依次變大。正交試驗方差的計算結(jié)果見表4，為確定試驗因素對試驗結(jié)果的影響是否顯著，采用F檢驗。當結(jié)果有99%的把握時，定為顯著；當結(jié)果有90%的把握時，定為有一定影響；當結(jié)果有 80%的把握時，定為影響不大。從表5中分析可知，不同的因素對粗糙度的影響程度不同，按影響程度大小排序依次為：初始靜壓力＜振動幅值＜滾壓次數(shù)＜轉(zhuǎn)速＜滾壓頭進給量。表中S代表數(shù)據(jù)的偏差平方和，F(xiàn)代表F檢驗值，e為誤差。

表3 表面粗糙度的極差分析Tab.3 Range analysis of surface roughness μm

表4 正交試驗方差計算結(jié)果Tab.4 Variance calculation results of orthogonal test

表5 各因素對表面粗糙度的顯著性影響Tab.5 Significant effects of various factors on surface roughness

2.2 加工工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

前文利用正交試驗對表面粗糙度進行了分析，得到了表面粗糙度的顯著性影響因素，下面將著重分析顯著性因素（進給量、主軸轉(zhuǎn)速、滾壓次數(shù)）在表面粗糙度形成過程中所起的作用及其作用規(guī)律。

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速和進給量的影響

加工工藝參數(shù)應(yīng)當在合適的范圍內(nèi)選擇，結(jié)合前期單因素試驗及試驗需求，最終選擇初始靜壓力為100 N，振動幅值為6 μm，滾壓3遍，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍從最低200 r/min到最高500 r/min，進給量的調(diào)整范圍為0.07～0.22 mm/r。主軸轉(zhuǎn)動速度以及進給量的變化對表面粗糙度值的影響如圖3所示。

由圖3得到如下結(jié)論：超聲滾壓加工的試驗過程中，在主軸轉(zhuǎn)動速度一定的情況下，被加工件的表面粗糙度與進給量之間呈正相關(guān)關(guān)系；進給量為定值時，主軸轉(zhuǎn)速越高，表面粗糙度值越高。進給量為0.07 mm/r和主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min時，表面粗糙度值最小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可以歸納為：主軸轉(zhuǎn)速越高，工件圓周方向上單位時間內(nèi)加工次數(shù)越多，但同時會出現(xiàn)被多次加工點和未被加工點共存的跳躍性現(xiàn)象，而較低的主軸轉(zhuǎn)速可以保證試樣在圓周方向上被均勻加工，同樣較大的進給量會造成加工試樣在圓周方向上的螺旋加工痕跡[13]。因此對圓周類零件端面進行超聲滾壓加工時，采用較低的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進給量可以獲得較好的加工質(zhì)量。

2.2.2 滾壓次數(shù)的影響

考慮加工后工件硬度、表面粗糙度的綜合效果，選擇加工工藝參數(shù)為：Fs=100 N，Av=6 μm，n=320 r/min，f=0.15 mm/r。在N=2～10次時，表面粗糙度隨著N的改變而改變，其趨勢如圖4所示。

由圖4可知，滾壓2遍后，被加工表面的粗糙度有相當大程度的改善，并且被加工表面滾壓4遍后獲得最低粗糙度值。然而，粗糙度值并不會隨滾壓次數(shù)的再次增加而降低，反而會有上升的趨勢。因此可以得到結(jié)論：超聲滾壓加工 18CrNiMo7-6鋼，在滾壓遍數(shù)不大于10的范圍內(nèi)，滾壓4遍是降低表面粗糙度值的最優(yōu)取值。在滾壓遍數(shù)不大于4時，增加滾壓遍數(shù)有利于加工表面的加工硬化，同時也有修復(fù)表層缺陷的作用；在滾壓遍數(shù)大于4以后，再增加的滾壓加工不僅不能提高表面質(zhì)量，降低表面粗糙度，反而會破壞已經(jīng)加工好的表面，使加工表面惡化，如圖5所示。

2.3 表面形貌

超聲滾壓前后的表面形貌如圖6所示，圖中的箭頭指示刀痕的位置。圖6a為未經(jīng)超聲滾壓試樣的表面形貌，可以看出，試樣表面刀痕明顯，凹凸不平，表面質(zhì)量較差。圖6b為超聲滾壓加工效果一般的試樣表面形貌，和未經(jīng)加工試樣的表面形貌相比，車刀刀痕的深度明顯變淺，并且在局部區(qū)域形成了連續(xù)平坦的表面，但表面的整體質(zhì)量還是較差，表面存在許多未填平的刀痕和裂紋。這些都有可能成為疲勞的來源，并對機械部件的疲勞壽命產(chǎn)生嚴重的負面影響。圖6c為超聲滾壓加工效果較好的試樣表面形貌，可以看出，表面質(zhì)量較高，明顯好于圖6b。

2.4 超聲滾壓力檢測

2.4.1 超聲滾壓力及其動態(tài)過程分析

超聲滾壓的作用力Ft由靜態(tài)力Fs和動態(tài)力Fd兩部分組成。靜態(tài)力為施加的初始壓力，動態(tài)力由超聲振動產(chǎn)生。滾珠的位移y可以表示為：

對式（1）進行求導，得到滾珠的速度：

對式（2）進行求導，得到滾珠的加速度：

由牛頓第二定律可得動態(tài)力大小為：

則超聲滾壓力的合力為：

作用力、靜態(tài)力和動態(tài)力如圖7所示。

2.4.2 檢測裝置

由于超聲滾壓動態(tài)過程的復(fù)雜性，滾珠與工件接觸時間具有不確定性，因此進行動態(tài)沖擊力的檢測，為計算表面粗糙度解析模型做準備。動態(tài)沖擊力檢測裝置如圖8所示?？紤]到動態(tài)沖擊頻率較高，在本裝置中采用壓電傳感器對動態(tài)力進行檢測，而靜壓力采用普通應(yīng)變式傳感器進行檢測。當材料受到?jīng)_擊時，壓電傳感器檢測到這一作用力，并按照傳感器檢測量程（±1000 N）與信號放大器輸出電壓（±5 V）的對應(yīng)關(guān)系進行輸出，將檢測到的電壓進行計算后得到需要的動態(tài)沖擊力，結(jié)果見表6。動態(tài)力檢測過程中，首先用超聲滾壓裝置以一定預(yù)壓力壓緊試樣端面，然后以不同的振幅沖擊試樣表面，靜態(tài)預(yù)壓力由應(yīng)變式壓力傳感器檢測，動態(tài)力由壓電傳感器檢測。圖8中壓電傳感器通過雙頭螺柱將試驗塊（18CrNiMo7-6）固定到一起。

表6 超聲滾壓試驗中不同靜壓力和振幅對應(yīng)的動態(tài)沖擊力Tab.6 Dynamic impact force corresponding to different static pressures and amplitudes in ultrasonic rolling test

2.5 表面粗糙度的解析模型

為了對沖擊過程進行建模，進行如下假設(shè)：滾珠為彈性體，工件為半無限彈性體；在接觸過程中忽略摩擦效應(yīng)；不考慮沖擊過程中滾珠的變形對表面粗糙度的影響。當滾珠的半徑R遠大于進給量的時候，高度h的計算如公式（7）所示。其中h表示在一個進給量范圍內(nèi)，滾珠運動軌跡的交點到滾壓后表面的距離，具體如圖9所示；R為滾珠的半徑，R=4 mm。

赫茲理論可用來預(yù)測彈性固定法向接觸的壓下量和接觸面積，根據(jù)這一理論，假定圓球和平面都是彈性體。圓球和平面接觸的半徑b和壓入深度δ如圖10所示，它們可以被分別表示為：

式中：m、ν是系數(shù)，其值可以通過算出的φ值，查表7得到；是滾珠最大和最小的曲率；D2、是工件最大和最小的曲率；Ft是總壓力，這里是動態(tài)沖擊力和靜壓力的和；L1、L2為材料的參數(shù)，L1=和μ2、E2分別是工件和滾珠材料的泊松比和彈性模量）；c′為常數(shù)，c′=

m和v主要由φ決定，φ角可以表示為：

由于工件是平面，滾珠是球形，不同曲率的表達式為：

將式（11）和式（12）代入式（10），得到：

求得φ=90°，根據(jù)φ值查表7得到m=1.00、ν=2.00。

表7 φ對應(yīng)的m、v值[14]Tab.7 Value of m and νcorresponding to angle φ

粗糙度的評價指標Rt與進給量f、滾珠的壓入深度δ和車削加工后的原始粗糙度有關(guān)，它們之間的關(guān)系如圖11所示。采用較大的進給量會影響超聲滾壓加工的效果，當采用較小進給量的時候，滾球有更多機會壓平不規(guī)則的表面。當f≥0.4 mm/r時，它們之間的關(guān)系會不同于小進給量的情況。本研究中分別采用進給量0.07、0.15、0.22 mm/r，因此在這里不對f≥0.4 mm/r的情況進行研究。

從圖11中可以得到粗糙度公式：

當需要計算粗糙度評價指標Ra時，發(fā)現(xiàn)Ra與Rt值呈一定的多項式的關(guān)系，利用 Origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到如圖12所示擬合曲線，其相應(yīng)表達式如式(15)所示。

2.6 表面粗糙度解析模型解和試驗結(jié)果對比

結(jié)合動態(tài)力試驗數(shù)據(jù)，選擇靜壓力為100 N、振幅為6 μm進行計算。此時最大動態(tài)沖擊力為168 N，利用式(14)、(15)計算出表面粗糙度Ra的解析解，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖13所示。

從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，超聲滾壓后，試樣的表面粗糙度得到了較大的改善。此外，采用進給量f=0.07 mm/r時，可以獲得較低的表面粗糙度。這是由于較小的進給量可以使?jié)L珠在單位時間內(nèi)更多地滾壓試樣表面，使微觀的波峰被壓平，填到波谷內(nèi)。然而滾壓次數(shù)對表面粗糙度值也有一定的影響，當滾壓4次時，表面粗糙度較低。這是由于當滾壓4次時，試樣表面的加工覆蓋率較高，表面沒有被過度滾壓。當次數(shù)增加時，本已滾壓好的表面被過多地滾壓，破壞了表面的質(zhì)量。從試驗結(jié)果和解析解對比來看，在主軸轉(zhuǎn)速較高的時候，兩者的結(jié)果比較接近，較低的主軸轉(zhuǎn)速情況下不能用此模型計算理論解。

2.7 表層微觀組織

試樣進行超聲滾壓處理前后的表層微觀組織如圖14所示。圖14a為超聲滾壓處理前試樣的表層微觀組織，可以看到表層微觀組織與內(nèi)部相同，沒有出現(xiàn)晶粒細化和塑性變形。圖14b—e分別為進行2、4、6、8次超聲滾壓處理后的表層微觀組織，可以觀察到明顯的晶粒細化層，深度分別達到了35、80、120、260 μm。由此說明，隨著超聲滾壓加工次數(shù)增加，表層的塑性變形增大，細化層深度也增大。

2.8 表層顯微硬度

在加工工藝參數(shù)n=320 r/min、f=0.15 mm/r、Av=6 μm、Fs=100 N、N=4條件下，超聲滾壓試樣和原始試樣顯微硬度沿深度的變化曲線如圖15所示。從圖15中可見，原始試樣表面至材料心部，顯微硬度在360HV上下波動，波動范圍很?。ā? HV），基本保持不變。經(jīng)過超聲滾壓加工后，試樣的顯微硬度從材料表面（417.6HV）至心部（平均值360.9HV）變化較大，隨著深度的增加，呈單調(diào)遞減的趨勢，并在250 μm深度處達到了穩(wěn)定值，此深度處顯微硬度基本和原始試樣持平，與圖14中觀察到的塑性變形層的深度基本吻合。這是由于超聲滾壓加工會使材料產(chǎn)生塑性變形和加工硬化，在材料表層形成硬化層，從而使材料表層的硬度提高。對于一般的材料，它的顯微硬度和強度是有一定的對應(yīng)關(guān)系的，硬度越高，材料的屈服強度越高[2]。因此超聲滾壓加工試樣表層的屈服強度要高于車削加工后的試樣。

2.9 表層殘余應(yīng)力

在加工工藝參數(shù)n=320 r/min、f=0.15 mm/r、Av=6 μm、Fs=100 N、N=6條件下，超聲滾壓試樣和原始試樣的表層殘余應(yīng)力隨深度的變化如圖16所示。從圖16中可見，超聲滾壓處理前的試樣表層殘余應(yīng)力值很小，接近于0，最大殘余應(yīng)力值出現(xiàn)在20 μm處，為-123 MPa。隨著深度的增加，殘余應(yīng)力在距離表面140 μm處變?yōu)槔瓚?yīng)力。經(jīng)過超聲滾壓后的試樣，表面的殘余應(yīng)力就達到了-627 MPa，并在60 μm處出現(xiàn)了最大值-790 MPa，在800 μm處變?yōu)榱藲堄嗬瓚?yīng)力。這是由于經(jīng)過超聲滾壓加工后，在試樣表層出現(xiàn)了塑性變形不協(xié)調(diào)的情況，這種塑性變形的不協(xié)調(diào)正是殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，而殘余應(yīng)力值在深度方向上的變化與顯微硬度、晶粒組織沿表層深度方向上的變化緊密相關(guān)，并且在本次試驗中殘余壓應(yīng)力層的深度達到了800 μm。

3 結(jié)論

通過以上研究和分析，可以得到以下結(jié)論：

1）超聲滾壓可以有效地提高加工試樣的表面質(zhì)量。表面粗糙度Ra可從車削加工的3.003 μm減小為0.468 μm。表面硬度可從出廠態(tài)材料的360.9HV增大為 417.6HV，提高了 15.7%，塑性變形層達到了260 μm。表層內(nèi)形成了勺形分布的殘余應(yīng)力，在距離表層60 μm處形成最大殘余壓應(yīng)力，為-790.97 MPa，殘余壓應(yīng)力層深度達到了800 μm。

2）表面細化層敏感因素為滾壓次數(shù)，表面細化層的厚度隨著滾壓次數(shù)的增大而增大，在滾壓次數(shù)為8次時，晶粒細化層可達到260 μm。

3）在 18CrNiMo7-6齒輪鋼超聲滾壓加工過程中，進給量對表面粗糙度的影響最為顯著，主軸轉(zhuǎn)速次之，而靜壓力影響最小。

4）給出了表面粗糙度的解析模型，通過解析解與試驗結(jié)果對比，該解析模型可在一定條件下預(yù)測超聲滾壓的表面粗糙度。

5）在 18CrNiMo7-6齒輪鋼超聲滾壓加工過程中，當Fs=200 N、Av=6 μm、n=200 r/min、f=0.07 mm/r、N=4次時，所得到的表面粗糙度較低。

本文采用理論與試驗相結(jié)合的方法對18CrNiMo7-6齒輪鋼進行了超聲滾壓加工研究，其相關(guān)研究結(jié)果可以應(yīng)用至其他硬度相近的金屬材料。