趙波,姜燕,別文博

河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，焦作 454003

隨著科技的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)χ匾悴考氖挂坌院推趬勖继岢隽烁叩囊?，使其能夠適用苛刻的服役環(huán)境。材料的硬度、耐腐蝕性、耐摩損、表層殘余應(yīng)力等是決定零部件使用性能和疲勞壽命的關(guān)鍵因素。因此，如何提高零部件以上性能，提高使役性和壽命是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重大課題，超聲滾壓技術(shù)作為能夠提高材料性能的先進(jìn)技術(shù)也成為研究重點(diǎn)。中國(guó)知網(wǎng)學(xué)術(shù)關(guān)注度指數(shù)顯示，近5年超聲滾壓研究環(huán)比增長(zhǎng)率高達(dá)217%。

1929年滾壓強(qiáng)化技術(shù)首次在德國(guó)被應(yīng)用[1]于機(jī)車軸的表面強(qiáng)化后，目前已經(jīng)在汽車、航空航天、醫(yī)療器械、精密機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，滾壓首先從普通車床滾壓圓柱發(fā)展到滾壓自由曲面[2]，從低塑滾壓到深滾壓[3-6]，從傳統(tǒng)滾壓到激光輔助滾壓[7-8]、超聲滾壓、電脈沖輔助超聲滾壓等多種形式[9-10]。

超聲滾壓技術(shù)是一種傳統(tǒng)滾壓技術(shù)與超聲加工技術(shù)復(fù)合而成的動(dòng)態(tài)滾壓技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于表面強(qiáng)化過(guò)程中。超聲滾壓技術(shù)可使金屬表面獲取優(yōu)良性能,因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)該技術(shù)作用機(jī)理及抗疲勞性能進(jìn)行了深入的研究。超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)是在常溫狀態(tài)下通過(guò)滾壓工具頭對(duì)工件表面施加一定壓力，從而改變工件表面的冷塑特性，使工件表面組織發(fā)生冷作硬化。由于超聲的存在，滾壓在很小的靜壓力下可以對(duì)金屬表面產(chǎn)生較大的沖擊進(jìn)而對(duì)金屬表面引入大塑性變形，表面組織細(xì)化，進(jìn)而能夠提高加工表面的粗糙度，增加表面硬度，對(duì)表面引入殘余應(yīng)力，可以改善工件的抗疲勞、抗腐蝕、耐磨損等性能。同時(shí)由于具有在滾壓過(guò)程中無(wú)切屑、無(wú)污染、成本低、廉效率高且兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工的精加工中。

滾壓強(qiáng)化技術(shù)種類多[11-14]，應(yīng)用廣泛，本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外滾壓裝置，然后對(duì)國(guó)內(nèi)外的超聲滾壓表面機(jī)理、超聲對(duì)表面性能影響以及超聲滾壓后抗疲勞特性進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)指出現(xiàn)有文獻(xiàn)研究中存在的缺陷及尚待解決的問(wèn)題，最后展望了超聲滾壓后續(xù)研究方向。

1 滾壓強(qiáng)化裝置及應(yīng)用

在滾壓設(shè)備方面，20世紀(jì)50年代美國(guó)福特汽車、英國(guó)伏亨公司等研制專用滾壓設(shè)備，常規(guī)的滾壓工藝一般在現(xiàn)有機(jī)床加以改進(jìn)就能滿足工藝需求。國(guó)內(nèi)外滾壓的探索和研究，其范圍包括外圓和內(nèi)孔表面加工、齒輪輪齒的滾壓光整加工、螺紋的滾壓加工、模具模腔滾壓加工等?，F(xiàn)將國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中滾壓裝置進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述。

宋德玉等[15]自制滾壓設(shè)備(文中未給出裝置圖)處理的300M螺紋的疲勞性能，結(jié)果表明，雖然高強(qiáng)度螺紋的塑性變形有限，但是疲勞強(qiáng)度提高幅度達(dá)到了79%(從250 MPa提高到448 MPa)。李瑞鋒等[16]設(shè)計(jì)了加工大直徑內(nèi)螺紋超聲滾壓設(shè)備，如圖1所示，其在超聲電源的作用下?lián)Q能器產(chǎn)生雙彎?rùn)E圓振動(dòng)，通過(guò)變幅桿將橢圓振動(dòng)放大，橢圓軌跡在xz平面內(nèi)，滾壓輪安裝在變幅桿上，在換能器的驅(qū)動(dòng)下完成橢圓振動(dòng)。機(jī)床轉(zhuǎn)速為14 r/min,換能器超聲振動(dòng)頻率(22 kHz)，通過(guò)內(nèi)部的彈簧對(duì)滾壓系統(tǒng)提供靜壓力，試驗(yàn)中加載靜壓力為1 800 N，加載后超聲振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生小幅度的漂移，滾壓輪仍可在工件表面作超聲振動(dòng)。激光測(cè)微儀測(cè)得換能器雙邊超聲振幅8 μm。此裝置首次將超聲橢圓振動(dòng)切削應(yīng)用于內(nèi)螺紋加工過(guò)程中，與傳統(tǒng)滾壓相比較能獲得較好的表面性能。

圖1 內(nèi)螺紋超聲滾壓強(qiáng)化示意圖[16]Fig.1 Sketch of internal threads strengthening by ultrasonic burnishing[16]

Cheng等[17]研制了一種新的超聲螺紋根部滾壓裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。超聲波螺紋根部滾壓裝置由超聲發(fā)生器(頻率為20 kHz)、換能器、變幅桿和傳振頭以及螺紋滾柱(材料為碳化鎢)、力控制單元和彈簧組成。此裝置可以安裝在傳統(tǒng)車床或數(shù)控車床的刀座上。通過(guò)車床刀座徑向進(jìn)給對(duì)工件施加靜壓力，并利用力控制單元保持靜壓力的穩(wěn)定。在滾壓過(guò)程中，隨著工具的移動(dòng)，螺紋滾柱在根部表面振動(dòng)，進(jìn)而完成滾壓加工過(guò)程。與傳統(tǒng)的螺紋根部強(qiáng)化裝置相比，此裝置對(duì)提高螺紋使用性能非常有利。

圖2 超聲波螺紋根滾壓裝置[17]Fig.2 Configuration of ultrasonic thread root rolling apparatus[17]

Shiou和Ciou[18]從減少拋光球磨損及提高曲面拋光粗糙度出發(fā)，在加工中心上研制壓電驅(qū)動(dòng)振動(dòng)輔助球面拋光系統(tǒng)，其裝置見(jiàn)圖3，自行研制的振動(dòng)輔助滾壓裝置安裝在研磨機(jī)上，對(duì)工件先研磨后拋光。此振動(dòng)輔助裝置主要由液體池、線性導(dǎo)軌、振幅放大器和壓電驅(qū)動(dòng)裝置組成，壓電裝置帶動(dòng)液體池在垂直方向上振動(dòng)，振動(dòng)頻率為800 Hz。小幅振動(dòng)獲得的粗糙度可達(dá)到鏡面效果。

圖3 振動(dòng)輔助球面拋光參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置[18]Fig.3 Manufactured vibration-assisted spherical polishing device[18]

Yu等[19]針對(duì)高硬度、高韌性單晶鎳基合金，研制了一種二維超聲輔助拋光裝置(見(jiàn)圖4)，其中一維超聲振動(dòng)附加到拋光頭上；另外一維超聲振動(dòng)加在拋光液供給噴嘴上。因?yàn)槟チ鲜菦Q定拋光表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，然而納米粒子在拋光液中的聚集總是存在的，而表面活性劑的加入稍微增加了分散性，但表面活性劑容易造成研磨污染[20]，由于超聲存在納米顆粒懸浮液具有很高的分散性[21]，在磨料的輸出端安裝超聲霧化裝置，改善了磨料顆粒在拋光液中分布的均勻性，可以獲得優(yōu)良的表面性能。

圖4 二維超聲輔助拋光系統(tǒng)[19]Fig.4 Two dimensional ultrasonic-assisted polishing setup[19]

圖5 球形芯棒法實(shí)施裝置[22]Fig.5 Device for implementation of spherical mandrelling method[22]

2009年，Maximov等[23]設(shè)計(jì)了一種外圓滾壓工具，此工具對(duì)工件施加環(huán)形壓力同時(shí)工具和工件直接進(jìn)行油液潤(rùn)滑，加工后徑向可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力并可以增加圓柱外表面的微觀硬度，其裝置如圖6所示。Maximov這種方法跟著名的球面法[22,24-25]相似。同時(shí)，Maximov設(shè)計(jì)的滾面加工裝置可以安裝在普通的車床上，拓寬了這種裝置的應(yīng)用范圍。

圖6 球面運(yùn)動(dòng)拋光方法的裝置實(shí)施方案[23]Fig.6 Device scheme for spherical motion burnishing method implementation[23]

滾壓多應(yīng)用于雕刻曲面或者加工模具上下模等曲面，采用此種加工方法可以降低粗糙度同時(shí)提高抗疲勞性能，這是它應(yīng)用于模具的主要原因[26]之一，滾壓可以使工件表層獲得較高的殘余壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力層從2～10 μm不等。

Jain[27]提到一類滾壓齒輪的裝置，工件齒輪在壓力下滾動(dòng)同時(shí)與高硬度高精度的主齒輪(稱為工具齒輪)精確嚙合。此類滾壓裝置分為兩類單模滾壓和雙模滾壓。在單模齒輪滾壓機(jī)中，工件齒輪安裝在軸上，工具齒輪安裝在工件齒輪上方的重型壓頭上。工具齒輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并與工件齒輪緊密嚙合，一個(gè)嚙合結(jié)束之后工具輪反轉(zhuǎn)可在工件齒面的兩側(cè)提供平衡的材料流，加工過(guò)程中需要提供潤(rùn)滑以獲得所需的表面質(zhì)量，并防止工件齒輪磨損。在雙模齒輪拋光機(jī)中(見(jiàn)圖7)，工件齒輪安裝在上拋光模(懶輪)和下拋光模(由馬達(dá)驅(qū)動(dòng))之間，工件齒輪的軸由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，比模具的速度稍慢或稍快，以確保無(wú)碰撞嚙合。下拋光模的可調(diào)軸向距離以便控制齒輪的精加工。此裝置產(chǎn)于印度并在印度生產(chǎn)及應(yīng)用，超聲滾壓齒輪裝置在中國(guó)暫無(wú)生產(chǎn)及應(yīng)用。

圖7 雙模齒輪滾壓機(jī)原圖[27]Fig.7 Double-die gear burnishing machine[27]

2014年，大連理工大學(xué)陳文蕊[28]利用超聲滾壓強(qiáng)化機(jī)理研制了齒面強(qiáng)化裝置，基于漸開(kāi)線原理進(jìn)行展成運(yùn)動(dòng)，工具頭下端安裝有摩擦板帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而完成滾壓加工。北京交通大學(xué)趙慧玲[29]基于陳文蕊基礎(chǔ)之上對(duì)裝置稍加改進(jìn)，原理圖如圖8所示。由于齒面的復(fù)雜性，超聲滾壓后齒面表面力性能得到提高但未得到納米晶層，此方法一次只能加工齒輪面的一側(cè),需要重新安裝齒輪加工另外一側(cè),加工效率低,二次裝夾安裝精度難以保證。

圖8 超聲齒面滾壓原理圖[28-29]Fig.8 Schematic diagram of gear ultrasonic reinforcement[28-29]

Lacalle等[30]用球頭銑刀銑削后的模具鋼上采用滾壓工藝(見(jiàn)圖9)，可以顯著減少表面粗糙度，滾珠拋光可以很容易地應(yīng)用于與銑削相同的加工中心上進(jìn)而降低生產(chǎn)周期與生產(chǎn)成本。Shiou和Hsu[31]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定加工中心球面拋光的最佳參數(shù)，且將此參數(shù)應(yīng)用于不銹鋼模具自由曲面的表面加工中，獲取了鏡面效果。El-tayeb等[32]設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的滾珠/滾柱可互換拋光工具(見(jiàn)圖10，其中① 手柄、② 彈簧、③ 夾頭、④ 滾珠、⑤ 百分表、⑥ 彈簧導(dǎo)向器)，對(duì)6061鋁合金在不同參數(shù)進(jìn)行拋光，研究拋光速度、拋光力和拋光工具尺寸對(duì)表面質(zhì)量和摩擦性能的影響，結(jié)果表明，采用330 r/min的拋光速度和212 N的拋光力，可使表面粗糙度提高40%。此裝置滾珠/滾柱可調(diào)換提高了工具的使用壽命，但是滾珠/滾柱尺寸較大，也限制了滾壓應(yīng)用范圍僅限于外圓及平面。

圖9 Lacalle實(shí)驗(yàn)中的拋光裝置及效果[30]Fig.9 Polishing device and its effect in Lacalle’s experiment[30]

圖10 El-Tayeb設(shè)計(jì)滾珠與滾柱用可互換轉(zhuǎn)接器拋光工具[32]Fig.10 Interchangeable adapter polishing tool for ball/roller designed by El Tayeb[32]

Teimouri和Amini[33-34]將超聲滾壓裝置(見(jiàn)圖11)安裝銑床(型號(hào)DECKLE)上進(jìn)行拋光加工。超聲滾壓裝置包括超聲電源、換能器、變幅桿和工具頭。變幅桿前端珠子可以實(shí)現(xiàn)8 μm振幅，超聲頻率范圍17～23 kHz。此裝置首次實(shí)現(xiàn)主軸帶動(dòng)超聲滾壓裝置旋轉(zhuǎn)提高了滾珠的耐磨性。Wang等[35]搭建電脈沖滾壓復(fù)合(ElectroPulsing-assisted Ultrasonic Surface Rolling Process,EP-USRP)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(見(jiàn)圖12)，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合了超聲滾壓技術(shù)與電脈沖輔助車削技術(shù)，該裝置首次將2種特種加工方式復(fù)合到傳統(tǒng)車削當(dāng)中，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，與原超聲表面處理工藝(USRP)相比，強(qiáng)化層內(nèi)形成了較高的硬度、強(qiáng)度、細(xì)小的超細(xì)化晶粒和較高的殘余壓應(yīng)力；優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)后的EP-USRP能使AISI304不銹鋼產(chǎn)生比USRP更高的平均旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)EP-USRP處理的疲勞試樣均出現(xiàn)不完全斷裂，這種特性為實(shí)際工程應(yīng)用提供了較高的安全儲(chǔ)備。EP-USRP的進(jìn)一步改性和應(yīng)力強(qiáng)化可能是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要內(nèi)在原因。

圖11 超聲滾壓系統(tǒng)的不同元件[33]Fig.11 Components of ultrasonic rolling system[33]

圖12 電脈沖輔助車削與聲電耦合表面加工一體裝置[9]Fig.12 Device of electropulsing assisted turning and ultrasonic-electropulsing coupling surface process[9]

圖13展示了滾壓強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的實(shí)例[36-38]，研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境下，低塑滾壓處理鈦合金風(fēng)扇葉片其疲勞強(qiáng)度由655 MPa增加到790 MPa。除了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片外，飛機(jī)起落架、軸向架、高速列車軸、彈簧等對(duì)所用材料疲勞壽命要求高的地方均可以應(yīng)用滾壓技術(shù)[39]。華東交通大學(xué)呂宗敏[40]對(duì)列車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行超聲滾壓處理，發(fā)現(xiàn)材料表面晶粒平均尺寸將至100 nm以下，疲勞強(qiáng)度提升25%；北京科技大學(xué)任學(xué)沖等[41]等對(duì)高速列車車軸進(jìn)行超聲滾壓處理，疲勞極限提高了16.5%；貴州大學(xué)胡君杰[42]針對(duì)彈簧鋼進(jìn)行超聲滾壓實(shí)驗(yàn)，其疲勞強(qiáng)度提高23.68%。

圖13 葉片滾壓強(qiáng)化處理[36-38]Fig.13 Rolling strengthening treatment of blades[36-38]

以上總結(jié)了國(guó)內(nèi)外曲面滾壓相關(guān)裝置發(fā)展現(xiàn)狀，滾壓裝置形式多樣，加工效果優(yōu)良，雖然滾壓可以對(duì)表面引入殘余應(yīng)力提高疲勞壽命，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道多維滾壓相關(guān)研究，多維超聲滾壓加工曲面可以作為新的研究方向，其裝置可以直接安裝在傳統(tǒng)的車床、銑床、加工中心或機(jī)械手上實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化處理。雖然超聲滾壓作為一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，其工藝在近幾年內(nèi)獲得飛速發(fā)展，但超聲滾壓曲面加工設(shè)備的研究相對(duì)滯后，因此，多維超聲滾壓裝置加工航空航天重要零部件將成為未來(lái)研究的方向之一。

2 超聲滾壓機(jī)理研究進(jìn)展

超聲滾壓加工的機(jī)理為：通過(guò)變幅桿將超聲振動(dòng)傳遞給滾珠，滾珠沿著工件表面法線方向高頻錘擊，滾壓工具頭(給與一定進(jìn)給速度)將靜壓力和超聲沖擊力傳遞到旋轉(zhuǎn)的零件表面，在材料表層一定厚度范圍內(nèi)形成一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，而應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的小體積單元將發(fā)生塑性變形。當(dāng)連續(xù)耦合載荷力作用于材料不同位置時(shí)候，形成的新的應(yīng)力場(chǎng)又沿著其他方向發(fā)生塑性變形，通過(guò)反復(fù)特殊塑性變形方式晶粒被細(xì)碎化，甚至達(dá)到納米級(jí)別。加工結(jié)束工件表面產(chǎn)生一定的彈性恢復(fù)，而所產(chǎn)生的塑性流動(dòng)將金屬表面上的“谷”被“峰”填充，從而使金屬表面粗糙度Ra至納米級(jí)。經(jīng)過(guò)超聲滾壓后的樣件表層組織可以獲得梯度分布(其中包括晶粒、硬度，殘余壓應(yīng)力)的特征，這種梯度分布特征是超聲滾壓所特有的且為提高材料表面性能提供了條件。超聲滾壓可通過(guò)調(diào)整加工中的參數(shù)進(jìn)而降低甚至消除前序加工所產(chǎn)生的表面缺陷，同時(shí)反復(fù)高頻塑性變形使這種工藝可以得到好的表面綜合性能指標(biāo)，與其他工藝相比較，其不僅強(qiáng)化了金屬表面的力學(xué)性能，還增強(qiáng)金屬表面光潔度和完整性，同時(shí)細(xì)化表面組織，提高殘余應(yīng)力，從多方面提高工件的耐磨性能、抗疲性能、抗腐蝕性。

為了充分研究滾壓過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了很多力學(xué)模型，分析了工藝參數(shù)對(duì)工件表面性能的影響。滾壓力學(xué)模型分為三類：理論模型和有限元模型，也有部分學(xué)者以實(shí)驗(yàn)為預(yù)測(cè)模型。具體滾壓機(jī)理以超聲滾壓外圓[43]為例，見(jiàn)圖14，超聲滾壓球在液壓油的潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)沖擊，在聲學(xué)系統(tǒng)的作用下滾珠以高頻速度擠壓和沖擊外圓面，致使高應(yīng)變塑性變形，在超聲滾壓處理后的表面可以形成高壓縮殘余應(yīng)力和高顯微硬度的晶粒細(xì)化層或者梯度納米結(jié)構(gòu)層。

圖14 超聲滾壓外圓原理圖[43]Fig.14 Schematic diagram of ultrasonic rolling technique[43]

2.1 滾壓理論模型

2.1.1 滾壓力數(shù)學(xué)模型

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家研究分析了滾壓力及表面生成機(jī)理的理論模型。Luo等[44]利用赫茲接觸理論建立了滾壓力的理論模型，總接觸壓力Pt(d)等于平均彈性接觸壓力Pet(d)、平均接觸塑性壓力Ppt(d)和平均彈塑性接觸壓力Pept(d)之和(見(jiàn)式(1)),以上3種力與滾壓深度及初始表面形貌有關(guān)。此模型考慮了彈性、彈塑性和塑性接觸閾值來(lái)分析單次滾壓過(guò)程中的接觸壓力，同時(shí)考慮了不同的滾壓深度對(duì)滾壓力的影響。理論模型得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明了該方法的有效性。然而，與此相關(guān)的主要問(wèn)題是忽略了摩擦系數(shù)。另一方面，他們的分析模型需要高質(zhì)量的顯微圖像，以便根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)來(lái)尋找表面粗糙度的分布。此外，在理論模型中，滾壓力只受滾壓深度的影響，模型中不包括其他因素。根據(jù)赫茲接觸理論，趙建等[45]對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲滾壓的力與滾壓深度建立力學(xué)模型，通過(guò)力學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)研究得出滾壓力與滾壓深度存在線性關(guān)系；通過(guò)研究粗糙度發(fā)現(xiàn)滾壓深度與表面形貌之間也存在近似線性關(guān)系。

Pt(d)=Pet(d)+Ppt(d)+Pept(d)

(1)

式中：

Pept(d)=

φ(z)dz

式中：η為微凸體的面密度；An為兩粗糙表面之間接觸面積；E為楊氏模量；r為等效粗糙曲率半徑；ap1為初始屈服點(diǎn)的臨界拋光深度；ap2為全塑性流動(dòng)點(diǎn)的臨界拋光深度；ap為滾壓深度；φ(z)為粗糙度分布函數(shù)；H為材料硬度；d為粗糙度高度；k為平均接觸壓力系數(shù)。

Hiegemann等[46]建立了一個(gè)理論模型來(lái)預(yù)測(cè)經(jīng)過(guò)表面處理后的粗糙度和靜壓力的關(guān)系，他們使用赫茲接觸理論建立滾壓深度對(duì)滾壓力的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果與理論模型結(jié)果吻合較好，但此模型忽略了摩擦系數(shù)對(duì)接觸壓力的影響。Korzynski[47]建立了基于微機(jī)械滑移線理論的表面粗糙度與滾壓力相關(guān)性理論模型。該模型包含材料力學(xué)參數(shù)、滾壓力、給定長(zhǎng)度內(nèi)的表面不平度數(shù)、表面不平度角和滾珠直徑等滾壓過(guò)程的幾何參數(shù)，利用該模型可以預(yù)測(cè)單道次滾壓后樣件的表面粗糙度。在此文獻(xiàn)中，也忽略了摩擦系數(shù)的影響，摩擦系數(shù)是滾壓過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)。國(guó)外現(xiàn)有滾壓力模型對(duì)比具體見(jiàn)表1[44,46-50]。

表1 已有文獻(xiàn)對(duì)滾壓力學(xué)模型的研究進(jìn)展總結(jié)Table 1 Summary of research progress of rolling mechanical model in previous literatures

因?yàn)槌曊駝?dòng)是周期性的，因此合力Fa為[51]

(2)

徐振國(guó)[52]根據(jù)接觸表面微分方程，考慮滾珠、工件的彈性變形，假設(shè)滾壓力沿著彈塑性變形區(qū)域按橢圓分布，采用彈性力學(xué)半平面理論，對(duì)滾壓過(guò)程中彈性入口、塑性變形區(qū)、出口的接觸長(zhǎng)度及滾壓力進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)式(3)～式(6))，進(jìn)而建立符合實(shí)際加工的滾壓力學(xué)模型。此模型將中間接觸區(qū)簡(jiǎn)化為平?jīng)_頭單邊壓入半無(wú)限體塑性問(wèn)題，入口和出口均視為彈性區(qū)，對(duì)滾壓力學(xué)模型建立有一定的指導(dǎo)意義。

(3)

Pout=BnP0Δx0×

(4)

(5)

P=Pin+Pout+Pp

(6)

(7)

(8)

(9)

lc=l+Δx0+Δx1

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

其中式(3)～式(5)分別為彈性入口、出口壓力、塑性變形區(qū)壓力，最終合力是以上三者之和即式(6)。式(7)～式(9)分別是接觸區(qū)入口、塑性區(qū)、出口接觸長(zhǎng)度計(jì)算公式，式(10)為總接觸長(zhǎng)度。Pp、Pin、Pout分別是塑性變形區(qū)平均壓力、平均出口、入口壓力；P0為入口壓力；P1出口壓力；Pm塑性區(qū)壓力；R為滾輪半徑；Bn為滾輪的寬度；l為塑性變形區(qū)長(zhǎng)度；ν為工件材料的泊松比；E為楊氏模量；k0為入口變形ε0的變形能力；σ0為單位前張力；k1為出口變形程度對(duì)應(yīng)于ε1的變形抗力；σ為單位后張力；h0為工件滾壓前厚度；h1為工件滾壓后厚度；Δh為平均厚度；μ為摩擦系數(shù)。

2.1.2 殘余應(yīng)力釋放模型

殘余應(yīng)力一直是近年來(lái)研究熱點(diǎn)問(wèn)題，由于受到載荷和溫度的影響，有益的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生釋放行為，此種行為影響著零部件的疲勞壽命，因此，越來(lái)越多學(xué)者開(kāi)始關(guān)注滾壓之后殘余應(yīng)力的釋放模型。Han等[53]針對(duì)焊接部分殘余應(yīng)力提出來(lái)殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)指數(shù)呈線性的公式，與經(jīng)典模型Kodama試驗(yàn)結(jié)果具有相似性，殘余應(yīng)力均在第一個(gè)載荷循環(huán)中釋放劇烈隨后循環(huán)中釋放較為緩和。Zhuang和Halford[54]的殘余應(yīng)力釋放模型考慮了初始加工硬化和拉壓載荷中的包興格效應(yīng)，在前人基礎(chǔ)上建立殘余應(yīng)力釋放模型(見(jiàn)式(15))。根據(jù)超聲滾壓之后Ti-6Al-4V合金再循環(huán)載荷作用下的釋放試驗(yàn)，毛淼東根據(jù)現(xiàn)有的三種殘余應(yīng)力釋放經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Kodama提出的殘余應(yīng)力與疲勞周次經(jīng)驗(yàn)公式，Rao的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚙huang的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?擬合得到僅適用于超聲滾壓在Ti-6Al-4V合金誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力模型公式(見(jiàn)式(16))。

(15)

(16)

2.1.3 粗糙度與滾壓參數(shù)關(guān)系模型

文獻(xiàn)綜述表明，許多研究關(guān)注分析模型[55-58]。Bouzid等[59-60]定義了一個(gè)分析模型，用于確定滾壓表面的粗糙度與進(jìn)給速度、滾壓深度和通過(guò)車削或磨削獲得的初始表面粗糙度之間的關(guān)系?；诤掌澖佑|理論計(jì)算了工件材料的法向位移，該理論假定工件材料的是在彈性變形變化內(nèi)。Bougharriou等[61]對(duì)AISI 1042工件的滾壓進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和有限元建模，模擬了表面形貌、殘余應(yīng)力以及滾壓參數(shù)對(duì)表面粗糙度和殘余應(yīng)力分布的影響。Li等[62]提出了滾壓過(guò)程中表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型。其中考慮了滾壓工具和工件的幾何形狀、表面微觀形貌和工件的機(jī)械性能。該模型可以得出滾壓力對(duì)滾壓表面粗糙度的影響，指出表面最小粗糙度(見(jiàn)式(17))和最優(yōu)滾壓力(見(jiàn)式(18))的解析解。Gharbi等[63]建立了表面粗糙度隨轉(zhuǎn)速、靜壓力和進(jìn)給速度變化的預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，滾壓改善了1050A鋁合金的殘余應(yīng)力，但沒(méi)有改善其顯微硬度。Bougharriou等[64]建立了一個(gè)解析模型來(lái)預(yù)測(cè)精車后滾壓得到的表面輪廓，假設(shè)生成的表面質(zhì)量取決于滾壓參數(shù)、滾珠幾何結(jié)構(gòu)、工件材料、滾珠耐磨性以及加工過(guò)程中滾珠與工件之間的相對(duì)振動(dòng)等參數(shù)。

(17)

(18)

式中：α為假設(shè)的粗糙度三角形的半角；φ為滑移線角度；R1、R2分別為滾珠半徑及工件半徑；Rz為粗糙度的高度也是加工表面輪廓的最大高度；Rzmin為粗糙度的殘余高度也是拋光后表面最小粗糙度；δmax為最大的拋光平滑效果；P為最優(yōu)滾壓力；σs為屈服強(qiáng)度。

2.1.4 優(yōu)化滾壓工藝參數(shù)的理論模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及模糊邏輯法被廣泛應(yīng)用于理論模型建立當(dāng)中。Esme等[65]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，考慮滾壓力、滾壓次數(shù)、轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的表面粗糙度參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(見(jiàn)圖15[62])。

圖15 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖[62]Fig.15 Diagram of neural network[62]

為研究加工AA7075時(shí)滾壓條件的影響，Basak和Goktas[66]討論了轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給量、滾壓次數(shù)和靜壓力壓力對(duì)AL7075材料表面粗糙度和表面硬度的影響，采用模糊邏輯模型預(yù)測(cè)了滾壓過(guò)程的最佳參數(shù)。Ugur等[67]利用回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)滾壓過(guò)程中的表面粗糙度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，確定了主要滾壓參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，尋求最優(yōu)加工參數(shù)。John和Vinayagam[68]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)表面粗糙度(沿刀具軌跡和穿過(guò)刀具軌跡)和顯微硬度的非線性特征進(jìn)行了建模，實(shí)驗(yàn)表明在滾壓后，沿刀具軌跡的表面粗糙度小于垂直刀具軌跡的表面粗糙度。Sarhan和EI-tayeb[69]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于模糊理論的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，對(duì)滾壓黃銅表面粗糙度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提高滾壓速度和深度對(duì)提高表面粗糙度Ra有負(fù)面影響，此結(jié)果在高速進(jìn)給尤其明顯。

2.2 滾壓機(jī)理有限元分析

大部分超聲滾壓機(jī)理研究主要在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行。但是為了優(yōu)化工藝，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，建立主要參數(shù)與殘余應(yīng)力分布之間的關(guān)系，這可能是非常昂貴的。為了更好地理解滾壓機(jī)理，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，已有大量的文獻(xiàn)采用有限元方法對(duì)滾壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬[70]。

滾壓過(guò)程為高度非線性彈塑性變形過(guò)程，有限元分析中多采用的是更新的拉格朗日方程(見(jiàn)式(19)～式(22))進(jìn)行求解計(jì)算[71]。Jiang等[72]采用二維和三維有限元模擬滾動(dòng)接觸，結(jié)果表明，二者在殘余應(yīng)力分布上存在差異。李衛(wèi)國(guó)[73]、Zhuang和Wicks[74]基于軟件Abaqus/Implicit分析了In718工件在滾壓過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布。Yen等[75]采用有限元建模商用軟件“Defrad2d”和“Defrime3d”在考慮表面粗糙度的情況下，對(duì)滾珠拋光過(guò)程進(jìn)行了二維和三維有限元建模。Maximov和Duncheva[76]利用Abaqus/Implicit對(duì)低合金鋼滾壓過(guò)程進(jìn)行了二維有限元分析。Liu等[77]使用有限元Abaqus/Explicit研究了超聲波表面軋制過(guò)程，當(dāng)滾壓次數(shù)增加到12次時(shí)，會(huì)形成納米晶的表面結(jié)構(gòu)。Sayahi等[78]通過(guò)有限元模擬，研究了滾壓參數(shù)對(duì)Ti-6Al-7 Nb合金性能的影響，增大滾壓壓力和滾珠直徑對(duì)殘余應(yīng)力的增加更為有效。Balland等[79]通過(guò)三維有限元模擬研究了滾壓機(jī)理。對(duì)滾壓過(guò)程中的表面生成進(jìn)行分析，且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

(19)

(20)

(21)

(22)

由于滾壓?jiǎn)栴}的高度非線性問(wèn)題，有限元分析軟件的應(yīng)用有利于對(duì)滾壓機(jī)理的研究。Bouzid和Sai[80]分析了ANAISI042鋼在滾壓過(guò)程中的表面粗糙度，建立了考慮工件彈塑性特性的有限元模型，用于確定材料的位移，該模型可以計(jì)算與接觸幾何有關(guān)的殘余應(yīng)力。Balland等[81]提出了基于光滑圓柱體和不規(guī)則曲面的球面磨削有限元模型，分析了滾壓工藝對(duì)材料性能的影響，研究結(jié)果表明，脊的形成和流動(dòng)機(jī)制似乎在拋光表面處理中起著偏心作用，數(shù)值模型在預(yù)測(cè)表面形貌和力學(xué)特性方面存在一定的誤差。

有限元方法可以直觀地重現(xiàn)滾壓加工過(guò)程，同時(shí)通過(guò)有限元軟件獲得隨滾壓參數(shù)變化其表面形貌、表面力學(xué)性能的影響規(guī)律。根據(jù)上述文獻(xiàn)可知，目前的有限元分析多局限于傳統(tǒng)滾壓模型建立，對(duì)于超聲滾壓有限元分析甚少，文獻(xiàn)的模型多建立在滾珠滾壓平面基礎(chǔ)上，對(duì)于復(fù)雜曲面/齒面滾壓模型尚無(wú)研究，有限元軟件精度雖然有一定偏差，但是對(duì)于機(jī)理研究有一定的輔助作用。

2.3 滾壓機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

(23)

(24)

ζTζ=(R-Xα)T(R-Xα)

(25)

Rodriguez等[84]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了滾壓后表面特性、硬度和殘余應(yīng)力，研究發(fā)現(xiàn)因?yàn)闈L壓的引入導(dǎo)致表面性能和殘余應(yīng)力值顯著提高。El-taweel和El-axir[85]基于響應(yīng)面方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了滾壓速度、滾壓進(jìn)給量、滾壓次數(shù)和滾壓力對(duì)滾壓件表面粗糙度和硬度的影響。他們通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)，滾壓力和進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度和硬度的影響最大。Gharbi等[86]利用多球工具采用田口實(shí)驗(yàn)方法研究滾壓參數(shù)對(duì)AISI1010鋼平面性能的影響，分析結(jié)果表明，滾壓力對(duì)表面硬度和粗糙度均有顯著影響。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?回歸模型)對(duì)滾壓模型進(jìn)行研究。Rao等[87]建立了滾壓參數(shù)對(duì)高強(qiáng)度低合金鋼樣件表面硬度的影響，分析表明，轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、潤(rùn)滑劑和滾珠直徑對(duì)表面硬度有顯著影響。Shreehah[88]評(píng)估了不同滾壓條件對(duì)表面硬度、表面粗糙度和形狀精度的影響，建立了使表面粗糙度最小化或表面硬化最大化的最佳滾壓參數(shù)，建立了鉛黃銅滾壓表面微觀硬度和粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式。Sagbas[89]提出了一種基于期望函數(shù)法和響應(yīng)面法的優(yōu)化滾壓工藝的策略。模型變量包括滾壓力、滾壓次數(shù)、進(jìn)給速度，結(jié)果表明，滾壓力和滾壓次數(shù)是影響表面粗糙度的重要因素。

第1種理論建模，依據(jù)滾壓過(guò)程中力位移關(guān)系綜合推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)解析式，這種方法成本低，能夠?qū)L壓機(jī)理及規(guī)律進(jìn)行定性分析，但是理論建模是建立在各種條件假設(shè)之上，準(zhǔn)確程度取決于假設(shè)條件。第2種，有限元模型，該種方法可將滾壓過(guò)程可視化處理，成本低，獲取所需數(shù)據(jù)方法簡(jiǎn)單，但是需要多次修正模型才能收斂，且結(jié)果誤差較大，必須結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)依賴性強(qiáng)。第3種，實(shí)驗(yàn)法，實(shí)驗(yàn)研究對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化可以獲得最佳滾壓參數(shù)組合，但是該類模型時(shí)建立在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，其準(zhǔn)確程度取決于數(shù)據(jù)量。因此研究超聲滾壓多采用以上幾種方法相結(jié)合的方式來(lái)研究滾壓機(jī)理[90]。

滾壓理論中力學(xué)模型研究?jī)?nèi)容多局限于位移和力的關(guān)系，并且研究中多忽略摩擦力、沖擊力、溫度對(duì)模型的影響；對(duì)于影響疲勞壽命關(guān)鍵因素之一的殘余應(yīng)力模型研究較少，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的殘余應(yīng)力模型多局限于彈性變形范圍內(nèi)，忽略塑性變形；文獻(xiàn)中多見(jiàn)殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型，對(duì)于考慮彈塑性變形的殘余應(yīng)力理論模型鮮有報(bào)道。另外，滾壓裝置多局限于滾壓頭的一維縱振，對(duì)于多維超聲滾壓裝置尚無(wú)研究。因此，對(duì)于多維超聲頻率的力熱耦合滾壓殘余應(yīng)力和硬度層的建模和預(yù)測(cè)應(yīng)該作為發(fā)展方向。

3 超聲滾壓對(duì)表面完整性及其他性能影響

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用于多種金屬材料的精加工中，采用不同的滾壓參數(shù)、不同頻率及振幅、不同壓力可獲得優(yōu)良性能[91-94]。因?yàn)槌暤拇嬖?，滾壓在很小的靜壓力下可以對(duì)金屬表面產(chǎn)生較大的沖擊進(jìn)而對(duì)金屬表面引入大塑性變形，表面組織細(xì)化，金屬表面的殘余應(yīng)力和表面微觀硬度均得到高，以上性能及微細(xì)晶粒作用使經(jīng)過(guò)超聲滾壓的工件具有抗腐蝕、抗疲勞、耐磨損等眾多優(yōu)良性能。

3.1 表面性能

近幾十年來(lái)，結(jié)合超聲波技術(shù)的表面強(qiáng)化處理技術(shù)得到了發(fā)展，超聲滾壓應(yīng)用范圍包括45鋼[95]、40Cr鋼[96]、Inconel 690合金[97]、鈦合金[98]以及AISI304鋼[99]等金屬材料。鎳基合金Inconel718因?yàn)槠涮赜械目篃崞凇岣g、耐高溫腐蝕、耐沖擊等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)和各種飛機(jī)成型鈑金件中[100-102]。Inconel718是典型的硬切割材料，近年來(lái)部分學(xué)者將超聲滾壓應(yīng)用于此材料上，研究表明超聲滾壓可以使Inconel718表明獲得納米層同時(shí)獲得較好的疲勞性能。在超聲納米晶表面改性[103-104]過(guò)程中，材料表面受到高達(dá)每秒數(shù)萬(wàn)次的硬球力作用，使材料表面和亞表面發(fā)生較大的塑性變形。304鋼在超聲滾壓處理之前，顆粒尺寸約為20 μm，并且可以觀察到退火孿晶,在超聲處理之后[94]，可以觀察到表面更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)；40Cr表層超聲處理后形成非晶納米晶[105]，可見(jiàn)超聲滾壓具有晶粒細(xì)化的作用(見(jiàn)圖16)。超聲振動(dòng)可以在保證表面質(zhì)量和尺寸精度的條件下對(duì)表面性改處理。Zhang等[106]研究表明17-4PH不銹鋼樣件通過(guò)超聲滾壓獲得表面納米結(jié)構(gòu)，其表面的耐磨損和耐腐蝕性能均有所提高。超聲滾壓使用超聲波振動(dòng)能量作為來(lái)源，工具頭以20 kHz的頻率沖擊材料表面，同時(shí)向滾壓頭施加恒定壓力。這些沖擊引起表面層的大塑性變形并使表面形成納米顆粒層。超聲螺紋滾壓研究表明[107]，超聲滾壓可以在螺紋表面合成納米晶，晶粒尺寸在15～20 nm之間，表面納米化使螺紋表面硬度由580 HV提高到700 HV；常規(guī)螺紋滾壓只產(chǎn)生亞晶，這體現(xiàn)了超聲滾壓在表面納米化中關(guān)鍵作用。

與高能球隨機(jī)撞擊金屬部件而形成的其他大塑性變形方法(如噴丸處理)相比，超聲滾壓技術(shù)更易于控制，表面粗糙度特性更低[84](見(jiàn)圖17)。超聲滾壓之后材料表面可見(jiàn)核位錯(cuò)值高于未處理表面，位錯(cuò)是因?yàn)閮?nèi)部含有大量變形晶粒這樣導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，經(jīng)過(guò)超聲處理之后材料中的晶粒明顯增加[108]。由于超聲的強(qiáng)烈沖擊和擠壓作用，金屬表層材料被擠壓到相鄰的部位，從而產(chǎn)生折疊層和微裂紋。超聲滾壓之后的表面粗糙度值在0.102～0.163 μm之間，低于未處理件，這是由于沖擊與擠壓的耦合作用在加工表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)，使機(jī)械滾壓缺陷得到平滑，超聲振動(dòng)與靜載相結(jié)合的往復(fù)作用使得變形量大且作用力均勻一致，使表層及亞表層晶粒細(xì)化程度比噴丸研磨等均勻且塑性變形大，同時(shí)表面粗糙度較為理想。

圖17 表面形貌[84]Fig.17 Appearance of surface[84]

加工參數(shù)與工件表面粗糙度的關(guān)系是眾多文獻(xiàn)中研究的對(duì)象[109]。趙運(yùn)才和張飛[110]、宋錦春等[111]在研究超聲滾壓中靜壓力對(duì)表面性能影響中發(fā)現(xiàn)靜壓力與表面粗糙的的改善并不是線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)靜壓力能顯著的減小粗糙度值，但是超過(guò)一定范圍會(huì)得到較差的粗糙度。陳利欽等[112]對(duì)高速列車車軸鋼進(jìn)行超聲滾壓研究發(fā)現(xiàn)：靜壓力和進(jìn)給速度越低，表面粗糙度越低；經(jīng)過(guò)超聲滾壓后，車軸鋼殘余應(yīng)力大幅提高且隨著靜壓力的增加而增加，而隨著進(jìn)給速度的增加而減小；表面硬度及塑性變形層厚度隨兩參數(shù)的變化規(guī)律同殘余應(yīng)力變化規(guī)律。鄭建新等[113-114]首次將縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)施加給滾珠，研究超聲滾壓加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，其發(fā)現(xiàn)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(duì)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，縱扭復(fù)合的超聲滾壓其獲得的表面粗糙度Ra值要遠(yuǎn)小于普通深滾，最高降低約50%。

超聲對(duì)表面微觀形貌[106]的影響見(jiàn)圖18，從圖18(a)中可觀察到變形層的金屬流動(dòng)與加工方向一致，觀察到變形層厚度約為50 μm，變形層的顯微組織呈梯度變化；圖18(b)為變形層的高倍顯微組織圖像。根據(jù)晶粒大小和形狀的不同，變形層也應(yīng)分為兩部分：超細(xì)顆粒層和纖維結(jié)構(gòu)層。由于超聲沖擊下產(chǎn)生較大塑性變形，表層晶粒(厚度約10 μm的超細(xì)晶粒層)完全細(xì)化，纖維結(jié)構(gòu)層的變形強(qiáng)度小于表層，晶粒沿變形方向被拉長(zhǎng)或者扁平。

圖18 表面微觀形貌[106]Fig.18 Surface micromorphology[106]

超聲滾壓可以提高工件的殘余應(yīng)力和硬度，眾多文獻(xiàn)中研究超聲滾壓對(duì)硬度及殘余應(yīng)力影響規(guī)律。Lai等[108]首次將超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣門鋼上，采用2種超聲振動(dòng)頻率20 kHz和30 kHz，振幅為10 μm，壓力為900 N，滾珠直徑15 mm，超聲滾壓加工后殘余應(yīng)力如圖19所示，顯微硬度如圖20所示。在20 kHz和30 kHz下超聲處理后的硬化深度分別為710 μm和800 μm，由文獻(xiàn)可知在超聲滾壓處理下均可增加硬度層厚度，而隨著頻率的提高，能量增大，高頻振動(dòng)產(chǎn)生的位錯(cuò)更多進(jìn)而硬化深度隨之增加。據(jù)Wu等報(bào)道，等離子滲氮S45c鋼經(jīng)超聲納米晶表面改性后的硬化深度約為800～1 000 μm[115]。然而，Ti-6Al-4V鈦材料的硬化深度僅為20～60 μm左右[116-117]。根據(jù)Hall-petch關(guān)系[118]，良好的晶粒細(xì)化可以提高材料表面殘余應(yīng)力和塑性變形層的顯微硬度，而高頻超聲表面沖擊產(chǎn)生的塑性壓縮變形將產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)。根據(jù)超聲滾壓處理樣件的殘余壓應(yīng)力分布(圖19)和橫截面表層(圖20)的顯微硬度分布[108]，可以得出殘余應(yīng)力值越高，顯微硬度越高。

圖19 殘余應(yīng)力隨深度變化[108]Fig.19 Variation of residual stress with depth[108]

圖20 微觀硬度隨深度變化[108]Fig.20 Microhardness changes with depth[108]

文獻(xiàn)[43]中對(duì)比給出未經(jīng)超聲滾壓處理樣件和不同滾壓次數(shù)下樣件的顯微硬度分布。如圖21所示，每種超聲滾壓次數(shù)下樣件的表面顯微硬度都高于未處理樣件，并且硬度隨著加工次數(shù)的增加而增加。滾壓次數(shù)12次時(shí)樣件的表面最高顯微硬度(509 HK)比未處理樣件的表面最高顯微硬度(360 HK)高約41.4%。每種加工次數(shù)下在深度110～450 μm之間硬度均隨深度呈線性增加趨勢(shì)，滾壓次數(shù)越多硬度越大，且每種超聲滾壓樣健都表現(xiàn)為硬度梯度分布，最大值出現(xiàn)在外表層，然后沿深度方向逐漸減小，直到達(dá)到與未處理見(jiàn)對(duì)應(yīng)的硬度值。超聲滾壓引起的顯微硬度的提高可歸因于顯微組織細(xì)化和位錯(cuò)增殖的聯(lián)合作用[106]。同樣的規(guī)律可見(jiàn)超聲滾壓處理的17-4PH不銹鋼表層的硬度分布。經(jīng)超聲滾壓處理的樣件的表面硬度>5.5 GPa，比未經(jīng)超聲滾壓處理的樣件(4.5 GPa)提高20%。同時(shí)，隨著與樣件表面距離的增加，顯微硬度逐漸降低。當(dāng)距離達(dá)到80 μm時(shí)，顯微硬度幾乎恢復(fù)到初始狀態(tài)，與變形層厚度近似一致。對(duì)于其他金屬材料例如40Cr和SKD-61的超聲滾壓研究表明，與未經(jīng)處理相比，其顯微硬度可提高30%[119]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，硬度分布與變形層的顯微組織相一致。根據(jù)hall-petch方程，當(dāng)晶粒尺寸變小時(shí)，屈服強(qiáng)度和硬度變大[120-121]。由此可見(jiàn)，晶粒細(xì)化是提高硬度的主要原因。

圖21 不同滾壓次數(shù)下樣件微觀硬度[43]Fig.21 Microhardness distribution of base beam specimen and different ultrasonic surface rolling process specimens[43]

經(jīng)過(guò)超聲滾壓處理之后從表層到芯補(bǔ)殘余應(yīng)力通常呈現(xiàn)出梯度分布[43](見(jiàn)圖22)。未處理樣件的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度約為80 μm，表面殘余壓應(yīng)力約為104 MPa。不同滾壓次數(shù)樣件的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度約為540～620 μm，且隨著滾壓次數(shù)的增加，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度逐漸增大，從滾壓一次樣件硬度層約540 μm增加到滾壓12次樣件硬度層深度約620 μm。然而，表面壓縮殘余應(yīng)力隨著加工次數(shù)的增加而逐漸減小，分別為滾壓一次時(shí)候最大殘余應(yīng)力為963 MPa和滾壓12次殘余應(yīng)力為最大值908 MPa。從圖可知一次滾壓樣件表面較光滑，表面粗糙度較低，最大的表面殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在超聲滾壓的樣件中，隨著加工次數(shù)的增加，滾壓3次、6次和12次樣件的表面殘余壓應(yīng)力值分別比1次樣件降低了約0.7%、約2.4%和約5.7%。Kim等[122]在研究碳素鋼噴丸后疲勞壽命中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，這是由于微小撞擊坑數(shù)量的逐漸增加和褶皺缺陷的出現(xiàn),微缺陷的存在導(dǎo)致表面殘余壓縮應(yīng)力松弛,進(jìn)而導(dǎo)致滾壓次數(shù)的增加殘余應(yīng)力的減小。對(duì)于超聲滾壓樣件，最大殘余壓應(yīng)力值為1 007～1 115 MPa出現(xiàn)在最外表層以下50～100 μm的深度處。隨著加工次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力的大小和深度逐漸增大。超聲滾壓能有效地降低表面粗糙度，引入高深度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和加工硬化層。此外，表面還可以形成細(xì)化的甚至納米晶結(jié)構(gòu)。

圖22 不同滾壓次數(shù)殘余應(yīng)力隨深度變化[43]Fig.22 Residual stress versus depth for each USRP specimen[43]

超聲滾壓可以提高材料的表面性能，這是毋庸置疑的，但從現(xiàn)有的文獻(xiàn)中可知，超聲滾壓研究范圍多為材料樣件方面，而且超聲滾壓多為單一的縱振，對(duì)于多維滾壓振動(dòng)以及工件和滾壓頭[123]均增加超聲振動(dòng)的研究基本處于空白，對(duì)于超聲滾壓應(yīng)用于具體零部件研究文獻(xiàn)較少，超聲滾壓具有諸多優(yōu)勢(shì)，那么未來(lái)將多維超聲滾壓應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域中重要零部終加工中是一種趨勢(shì)。

3.2 疲勞性能及其他性能

超聲滾壓提高疲勞能力可歸因于殘余應(yīng)力提高、晶粒細(xì)化、表面硬化增加和表面質(zhì)量?jī)?yōu)化等協(xié)調(diào)改善作用的結(jié)果。超聲滾壓能夠提高材料抗疲勞特性，主要是通過(guò)高頻超聲沖擊及靜壓力結(jié)合的滾壓工藝，使材料表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力可以抑制裂紋形成和擴(kuò)展進(jìn)而提高其抗疲勞特性。

Li等[116]將超聲表面滾壓應(yīng)用于鈦合金，在超聲滾壓過(guò)程中，硬質(zhì)合金球以高頻超聲振動(dòng)沖擊材料表面且在材料表面滾動(dòng)，經(jīng)過(guò)處理后，鈦合金的微動(dòng)耐磨性和疲勞強(qiáng)度明顯提高。李瑞鋒等[16]對(duì)大直徑內(nèi)螺紋工件進(jìn)行超聲滾壓強(qiáng)化，超聲滾壓加工后的工件疲勞壽命較未經(jīng)處理件提高5倍，其主要?dú)w功于超聲振動(dòng)沖擊能夠促進(jìn)螺紋根部塑性變形更加徹底，硬質(zhì)合金滾珠反復(fù)沖擊促進(jìn)塑性變形增加同時(shí)可以防止材料回彈，深化殘余應(yīng)力層，提高殘余應(yīng)力。Zhao等[124]驗(yàn)證經(jīng)過(guò)超聲波滾壓后的鈦合金TC11高周疲勞強(qiáng)度較未處理件疲勞壽命提高了近19.3%，且在疲勞裂紋源區(qū)有明顯差異，所有未處理件裂紋源均出現(xiàn)在表面或亞表面區(qū)域，而經(jīng)過(guò)超聲滾壓處理的裂紋源明顯位于近中心位置，這主要是因?yàn)槌暆L壓之后TC11表面性改得到表層晶粒細(xì)化且較為明顯的梯度殘余應(yīng)力及硬度層。

Liu等[43]將超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用于Ti-6Al-4V合金中，采用不同的滾壓次數(shù)研究樣件疲勞特性。在圖23中給出了未經(jīng)處理樣件和不同滾壓次數(shù)樣件的疲勞應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)(S-N曲線)的關(guān)系。如圖23所示，未處理樣件的疲勞強(qiáng)度(107個(gè)循環(huán))為500 MPa。超聲滾壓處理后，各試件的疲勞性能均有較大提高，但隨著處理次數(shù)的增加，其增強(qiáng)程度逐漸降低。R1次、R3次、R6次和R12次樣件的疲勞極限分別比未處理樣件高出約39%、約36%、約34%和約28%；此外，從圖中可知在高周疲勞條件下比低周(5×104周)疲勞條件下的疲勞壽命有更大的提高。以往文獻(xiàn)在通過(guò)其他機(jī)械表面處理技術(shù)提高Ti-6Al-4V合金的抗疲勞性能上，也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢(shì)[125]。這一趨勢(shì)主要是由于高周條件下的殘余壓應(yīng)力回彈水平低于低周條件下的殘余壓應(yīng)力回彈水平[126]。

Li等[127]在相同參數(shù)下對(duì)Ti-6Al-4V合金超聲滾壓6次獲取S-N曲線(見(jiàn)圖24)，趨勢(shì)與圖23相似。超聲滾壓處理能顯著提提高了疲勞壽命，特別是在高周107循環(huán)的基礎(chǔ)李瑞鋒等對(duì)大直徑內(nèi)螺紋工件進(jìn)行超聲滾壓強(qiáng)化上,超聲滾壓處理試件的疲勞強(qiáng)度(560 MPa)與未處理樣品的疲勞強(qiáng)度(465 MPa)相比提高了約25%。超聲滾壓處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的主要影響范圍為560～650 MPa。在高周疲勞強(qiáng)度下，超聲滾壓處理對(duì)延長(zhǎng)疲勞壽命是非常明顯的。在低周疲勞區(qū)，超聲滾壓處理和未處理樣品的S-N曲線顯示出不同的斜率。經(jīng)超聲滾壓處理的樣件獲得的曲線變得更平坦，這表明抵抗過(guò)載荷的能力更強(qiáng)。此外，與未經(jīng)處理的材料相比，經(jīng)超聲滾壓處理其材料表面層由于強(qiáng)化效應(yīng)而變得更耐微塑性變形。

圖23 S -N疲勞壽命曲線[43]Fig.23 Stress versus number of fatigue cycles (S -N curves)[43]

圖24 多次滾壓試件和未滾壓件S -N曲線[127]Fig.24 S -N curves for muti-treated samples and untreated samples[127]

Liu等[43]研究了超聲表面滾壓工藝對(duì)Ti-6al-4v合金旋轉(zhuǎn)彎曲微動(dòng)疲勞的影響。超聲表面滾壓工藝使工件的殘余應(yīng)力場(chǎng)深度為達(dá)530 μm，最大殘余應(yīng)力為930 MPa。超聲表面滾壓后樣件的表面顯微硬度明顯高于未經(jīng)處理的樣件，其微動(dòng)疲勞極限提高72.7%。其疲勞性能提高的主要原因是殘余壓應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值大、分布深，可以有效地抑制了微動(dòng)疲勞裂紋的萌生和早期擴(kuò)展。Zhao等[128]將超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用于300高強(qiáng)度鋼加工中，發(fā)現(xiàn)超聲滾壓技術(shù)可增加表面硬度和殘余壓應(yīng)力，以上二者的增加可顯著提高300鋼的抗微動(dòng)疲勞和抗腐蝕疲勞性能。微動(dòng)疲勞壽命由11.9×103周提高到56.3×103次，腐蝕疲勞壽命由29.9×103次提高到702.1×103次。

Wang等[35]對(duì)電脈沖輔助超聲振動(dòng)抗疲勞機(jī)理進(jìn)行深入研究，疲勞演變機(jī)理見(jiàn)圖25。對(duì)于普通滾壓加工而言，雖然在宏觀上能夠得到很好的光潔度，但是表面存在大量的微裂紋，在交變載荷作用下，疲勞源源于已經(jīng)存在的表面微裂紋，然后伴隨裂紋的擴(kuò)展及瞬態(tài)斷裂造成試件的失效。而經(jīng)過(guò)電脈沖輔助超聲振動(dòng)加工后，在一定深度的表面及亞表面產(chǎn)生晶粒細(xì)化及殘余應(yīng)力，通過(guò)此工藝加工后，將結(jié)構(gòu)強(qiáng)化及應(yīng)力強(qiáng)化引入材料表面，則金屬表面機(jī)械性能(如硬度、耐磨性)顯著提高，同時(shí)高的表面硬度表現(xiàn)出高的抗疲勞裂紋萌生能力，在疲勞試驗(yàn)中，殘余壓應(yīng)力可以平衡掉拉應(yīng)力，因此，此工藝加工后的金屬表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞性能。由于強(qiáng)化層中的殘余應(yīng)力并非單調(diào)分布，因此作用在材料上的有效破壞應(yīng)力的幅值不在表面上而產(chǎn)生于亞表面，另外，由于電脈沖及超聲滾壓的作用，在亞表面存在大量的微缺陷(如尖銳鋒利的微裂紋)，因此其疲勞源較普通滾壓的位置有所不同，疲勞源位于亞表面的微裂紋。類似的情形Ye等[94]在超聲滾壓對(duì)304不銹鋼加工中也有所體現(xiàn)，超聲滾壓使304不銹鋼在100 μm深的材料表面下產(chǎn)生了高密度的變形孿晶，這些變形孿晶作為位錯(cuò)阻滯劑和位錯(cuò)發(fā)射源，可以提高了材料的硬度及殘余應(yīng)力，此外，馬氏體所占體積分?jǐn)?shù)的逐漸變化確保了內(nèi)部組織和兩個(gè)納米晶表面層之間的界面強(qiáng)度，從而防止了早期頸縮，具有兩個(gè)強(qiáng)表面層和一個(gè)柔性內(nèi)部嵌有致密納米變形孿晶和位錯(cuò)的顯微組織，使金屬材料既具有高強(qiáng)度又具有高塑性。

圖25 圖解電脈沖超聲作用下AISI304不銹鋼疲勞性能的演變[35]Fig.25 Fatigue evolution of AISI 304 stainless steel under action of EP-USRP[35]

超聲滾壓后摩擦系數(shù)和磨損體積損失均顯著降低[116](見(jiàn)圖26),其微動(dòng)磨損和摩擦性能的提高應(yīng)歸因于材料表層顯微硬度的提高、顯微組織的改變和殘余壓應(yīng)力的增加。超聲滾壓不僅可以使材料獲得高的殘余應(yīng)力進(jìn)而提高其疲勞壽命，還能提高局部耐腐蝕能力。不同滾壓力下表層滑移分析模型見(jiàn)圖27[129]，超聲滾壓后經(jīng)過(guò)腐蝕，圖27(a)為低壓力滾壓腐蝕之后表面狀態(tài)；圖27(b)為高壓滾壓力腐蝕后表面狀態(tài)和滑移模型；從圖中可見(jiàn)當(dāng)施加水平切應(yīng)力后，表層會(huì)發(fā)生沿著滾壓方向切斜，馬氏體晶粒存在各向異性導(dǎo)致受壓表面各晶粒的傾斜及變形不均勻部分晶粒重疊，形成重疊波紋，此波紋狀局部抗腐蝕能力增強(qiáng)，且隨著靜壓力增大，波紋狀抗腐蝕效果更加明顯。

圖26 不同超聲處理?xiàng)l件下摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化[116]Fig.26 Variation of coefficients with sliding times for different conditions of ultrasonic rolling-treated samples[116]

圖27 超聲滾壓過(guò)程中表層特定取向晶?；品治瞿Ｐ蚚129]Fig.27 Slip analysis model of surface oriented grains during ultrasonic rolling process[129]

超聲滾壓技術(shù)對(duì)疲勞性能的提高可歸因于以下因素的協(xié)同作用[124,130-131]：殘余壓應(yīng)力、表面形貌、微觀硬度。其增強(qiáng)機(jī)理可以描述為：

1) 殘余壓應(yīng)力對(duì)疲勞性能起決定性作用。一般來(lái)說(shuō)，這種應(yīng)力可以平衡一部分施加的交變載荷，阻止疲勞裂紋的萌生和過(guò)早擴(kuò)展，從而提高疲勞性能。壓縮殘余應(yīng)力還可以降低裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率下降。

2) 超聲滾壓可使表面層位錯(cuò)增殖和組織細(xì)化，從而提高硬化程度，表面加工硬化層可以防止裂紋萌生，根據(jù)疲勞裂紋萌生的位錯(cuò)模型，晶粒細(xì)化導(dǎo)致晶界密度增加，提高了滑移變形抗力，抑制了滑移帶的產(chǎn)生，增加了晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗力。

3) 經(jīng)過(guò)超聲滾壓后表面粗糙度降低同時(shí)表面缺陷被消除從而阻礙了表面裂紋的萌生。通常較小的粗糙度可以減少應(yīng)力集中進(jìn)而提高試件的疲勞壽命。然而，表面粗糙度并不是影響疲勞壽命的主要因素。對(duì)疲勞壽命有害的因素表面粗糙及微損傷在超聲滾壓當(dāng)中都會(huì)被殘余壓應(yīng)力、顯微組織細(xì)化、加工硬化等中和掉。超聲滾壓中鋼球的重復(fù)沖擊可去除微裂紋和凹痕進(jìn)而提高疲勞壽命。

總結(jié)以上超聲滾壓對(duì)材料性能的影響，主要針對(duì)板材料外圓滾壓類的研究，對(duì)應(yīng)用復(fù)雜曲面/齒面的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。超聲滾壓下被加工曲面/齒面的應(yīng)力狀態(tài)、組織狀態(tài)、表面微結(jié)構(gòu)與疲勞性能之間的關(guān)系，特別是多維超聲加工曲面/齒面后表面殘余應(yīng)力、表面微結(jié)構(gòu)及抗疲勞特性之間的特定規(guī)律和主動(dòng)控制等研究將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

4 展 望

超聲滾壓技術(shù)作為先進(jìn)制造的重要加工方法之一，能夠有效提高零件的抗疲勞性能，對(duì)高性能關(guān)鍵構(gòu)件的制造具有重大的意義。然而，鑒于目前的研究進(jìn)展，有以下關(guān)鍵技術(shù)需要克服：

1) 針對(duì)特殊使用要求的復(fù)雜構(gòu)件而言，由于空間的變換和限制需要采用連續(xù)彎曲或分折型的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，因此需要研究此類復(fù)雜聲學(xué)系統(tǒng)的不同材料和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳播規(guī)律及振動(dòng)阻止方法，并基于非諧振設(shè)計(jì)理論對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

2) 基于彈塑性和沖擊力學(xué)理論，建立適用于超聲滾壓的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，分析滾壓參數(shù)對(duì)滾壓結(jié)果的影響，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行修正，提高模型的精度，從而為實(shí)踐提供可靠的工藝參數(shù)。

3) 研制適用于超聲滾壓加工的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)滾壓參數(shù)和超聲參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用反饋系統(tǒng)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高超聲滾壓過(guò)程的穩(wěn)定性。

4) 探求超聲滾壓過(guò)程中高頻擠壓和摩擦作用對(duì)材料微觀表面再結(jié)晶時(shí)的織構(gòu)形式、成核方式及其不同工藝條件下所形成的表面與基體織構(gòu)的差異，獲得超聲滾壓下材料的流動(dòng)特性和再結(jié)晶條件，并獲取形成納米層的振動(dòng)能量條件。

5) 基于一維超聲滾壓技術(shù)，對(duì)多維超聲滾壓技術(shù)進(jìn)行探究，獲得二維超聲滾壓條件下加工表面的納米化及對(duì)抗疲勞性能的影響。

6) 構(gòu)建適用于超聲滾壓的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)超聲滾壓技術(shù)對(duì)疲勞裂紋和疲勞擴(kuò)展的影響情況進(jìn)行定量研究，并評(píng)價(jià)二者對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律。

7) 超聲滾壓下疲勞壽命與表面完整性參數(shù)的映射規(guī)律有待開(kāi)展，并選取合適的表征參數(shù)，建立疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)給定壽命的表面完整性特征參數(shù)設(shè)計(jì)。

8) 建立超聲滾壓下的表面完整性與加工參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，以疲勞性能為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)超聲滾壓的工藝進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)滿足零件使用性能的主動(dòng)可控制造。