劉治華，張?zhí)煸?，張銀霞，戴騏隆

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

機(jī)械零件的加工尺寸和結(jié)構(gòu)形狀通過(guò)一般的機(jī)械加工、熱處理比較容易實(shí)現(xiàn)，但在加工質(zhì)量上會(huì)有比較大的差別[1]。而在超聲技術(shù)日漸成熟的時(shí)代，把超聲振動(dòng)應(yīng)用到表層強(qiáng)化技術(shù)上，已經(jīng)是表面強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展的新方向[2]。

傳統(tǒng)的滾壓容易出現(xiàn)變質(zhì)層和材料分離的情況，而超聲滾壓加工則通過(guò)細(xì)化和均勻表面金相組織來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的效果，有效的避免了傳統(tǒng)滾壓加工在這方面的缺陷，是一種提高有色金屬零件表面機(jī)械性能的經(jīng)濟(jì)有效的工藝方法[3]。目前在航空航天、汽車、造船等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員對(duì)超聲滾壓進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)材料AA6061-T6 進(jìn)行超聲滾壓加工，顯著地提高了材料的表面硬度、降低了表面粗糙度，獲得了較好的表面質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]通過(guò)超聲滾壓技術(shù)處理AISI304 不銹鋼得出，合理的靜壓力可以顯著提高表面質(zhì)量（降低粗糙度、提高硬度，殘余應(yīng)力層深化）。

在機(jī)械工業(yè)中，由于18CrNiMo7-6 齒輪鋼良好的力學(xué)性能和加工性能，開始廣泛應(yīng)用到齒輪中，然而對(duì)18CrNiMo7-6 齒輪鋼進(jìn)行超聲滾壓加工的研究未見報(bào)道，且18CrNiMo7-6 齒輪鋼材料的硬度較高。為此，設(shè)計(jì)超聲滾壓裝置，利用該裝置對(duì)18CrNiMo7-6 齒輪鋼進(jìn)行超聲滾壓加工試驗(yàn)，研究超聲滾壓加工對(duì)該材料表面性能的影響。

2 超聲滾壓裝置

2.1 超聲滾壓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲滾壓裝置主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具頭等四部分組成，其中換能器與變幅桿、變幅桿與工具頭分別通過(guò)連接螺栓連接到一起。裝置的工具頭下端部加工有一定深度的圓形盲孔，圓形盲孔底部均勻的布置3 個(gè)4mm 的硬質(zhì)合金球，1個(gè)8mm 的硬質(zhì)合金球被3 個(gè)4mm 的硬質(zhì)合金球平衡支撐，8mm滾珠被滾珠保持器固定住并直接作用于試樣表面，這樣的結(jié)構(gòu)能夠保證8mm 的硬質(zhì)合金球在工作時(shí)自由的旋轉(zhuǎn)，避免硬質(zhì)合金球因磨損嚴(yán)重，影響加工質(zhì)量。

設(shè)計(jì)中保持變幅桿法蘭處的振幅為零，固定此處可以使該裝置更有效率的工作。在裝置的固定上，采用三個(gè)法蘭盤來(lái)夾持裝置變幅桿處法蘭，通過(guò)四個(gè)光軸固定在前后殼體上支撐整個(gè)裝置。靜壓力的測(cè)量通過(guò)壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器一端固定在三個(gè)法蘭盤上，另一端固定在殼體上，當(dāng)裝置正常工作時(shí)，壓力傳感器可以準(zhǔn)確的測(cè)量出壓力的大小。

圖1 超聲滾壓裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of Ultrasonic Rolling Device

超聲滾壓裝置的示意圖和實(shí)物圖，如圖2、圖3 所示。

圖2 超聲波滾壓裝置三維圖Fig.2 Three Dimensional Diagram of Ultrasonic Rolling Device

圖3 超聲滾壓裝置實(shí)物圖Fig.3 Structure of Ultrasonic Rolling Device

2.2 裝置的仿真分析

超聲滾壓裝置的整體結(jié)構(gòu)如前所述，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果裝置各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸選擇不當(dāng)，會(huì)造成超聲滾壓裝置不能振動(dòng)，以致于不能正常工作。為了確定裝置各部分的合理結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)裝置性能的影響，利用ANSYS Workbench 對(duì)裝置進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析來(lái)驗(yàn)證裝置是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.1 換能器和變幅桿單元模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析，確定裝置的固有頻率和振型。對(duì)裝配到一起的換能器和變幅桿單元進(jìn)行模態(tài)分析，由于實(shí)際使用中是通過(guò)固定變幅桿處的法蘭，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲滾壓裝置進(jìn)行固定的，因此分析中將變幅桿法蘭處設(shè)置為固定約束。其中，壓電陶瓷材料為PZT-8，換能器其它部分材料為鋁合金，變幅桿材料也為鋁合金。仿真時(shí)設(shè)置求解階數(shù)為5 階，頻率查找范圍設(shè)置為（22～29）kHz，換能器和變幅桿單元的仿真模型圖和經(jīng)Workbench 求解后的縱振模態(tài)分析圖，如圖4、圖5 所示。

圖4 換能器和變幅桿單元的仿真模型Fig.4 Simulation Model of Transducer and Booster Element

圖5 模態(tài)分析圖Fig.5 Modal Analysis Diagram

在仿真分析中，只有第4 階模態(tài)處于縱振，其頻率為28543 Hz，超聲波發(fā)生器發(fā)出的頻率為28000Hz，其與實(shí)際頻率（28000Hz）的誤差為1.94%，此微量誤差則可通過(guò)超聲波發(fā)生器自身的調(diào)諧裝置進(jìn)行微調(diào)，保證超聲系統(tǒng)達(dá)到最佳共振狀態(tài)[9]。

2.2.2 超聲滾壓裝置整體模態(tài)分析

工具頭材料選用45 鋼，滾珠材料選用YG6 硬質(zhì)合金，換能器和變幅桿單元材料如上所述。為了研究裝置的整體性能，設(shè)置頻率查找范圍為（10000～30000）Hz，求解出 14 階模態(tài)。

超聲滾壓裝置整體仿真模型，如圖6 所示。經(jīng)workbench 求解后，其中頻率28670Hz 符合該裝置的設(shè)計(jì)要求，其模態(tài)分析圖，如圖7 所示。

圖6 超聲滾壓裝置整體仿真模型Fig.6 Overall Simulation Model of Ultrasonic Rolling Device

圖7 超聲滾壓裝置的模態(tài)分析圖Fig.7 Modal Analysis of the Ultrasonic Rolling Device

從圖中可以看出，這階模態(tài)處于縱振，工具頭前段的變形量最大，變幅桿的法蘭處的變形量為0，超聲波發(fā)生器發(fā)出的頻率為28000Hz，其與實(shí)際頻率的誤差為2.4%，符合設(shè)計(jì)要求[9]。

2.2.3 超聲滾壓裝置的諧響應(yīng)分析

前述對(duì)裝置進(jìn)行了模態(tài)分析，確定了裝置的振型和固有頻率。而諧響應(yīng)分析是分析結(jié)構(gòu)在不用頻率和幅值的簡(jiǎn)諧載荷作用下的響應(yīng)[7]。其中在電極片上施加的電壓是諧響應(yīng)分析時(shí)的載荷[8]，這里施加的電壓為1000V。諧響應(yīng)分析曲線圖，如圖8 所示。

圖8 超聲滾壓裝置的諧響應(yīng)分析曲線圖Fig.8 Harmonic Response Analysis Curve of the Ultrasonic Rolling Device

在激勵(lì)電壓1000V 的條件下，從諧響應(yīng)分析曲線圖中看以看出，固有頻率為28670Hz 時(shí)，最大變形量約為10μm，符合設(shè)計(jì)和使用要求。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)材料

以經(jīng)過(guò)鍛壓，未進(jìn)行熱處理的18CrNiMo7-6 齒輪鋼為試驗(yàn)材料，超聲滾壓加工前試樣的表面粗糙度為3.003μm，表面硬度為360.9HV，其化學(xué)成分，如表1 所示。

表1 18CrNiMo7-6 齒輪鋼的化學(xué)成分（Wt%）Tab.1 Chemical Composition of 18CrNiMo7-6 Gear Steel（Wt%）

3.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

利用NPFLEX 型三維表面形貌測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量試樣的表面粗糙度Ra。采用HV-1000 型顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣的顯微硬度。VHX-2000E 型超景深三維顯微系統(tǒng)拍攝試樣的表面二維形貌。加拿大Proto 高速大功率X 射線殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量殘余應(yīng)力。采用電化學(xué)腐蝕的方法對(duì)試樣進(jìn)行逐步剝層，從而進(jìn)行殘余應(yīng)力及顯微硬度沿層深方向的測(cè)量，剝層的深度通過(guò)千分尺測(cè)量。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 表面形貌和表面粗糙度

試驗(yàn)中，選用主軸轉(zhuǎn)速320r/min，進(jìn)給量0.15mm/r，振幅6μm，滾壓次數(shù)為 3 次，研究靜壓力在（30～450）N 范圍內(nèi)變化時(shí)，試樣表面形貌的變化規(guī)律。超聲滾壓試樣表面形貌在不同靜壓力下的變化，如圖9 所示。其中，未加工原始試樣的表面形貌，可以看到試樣表面有很多刀痕，表面凸凹不平，如圖9（a）所示。在靜壓力50N 下超聲滾壓加工的試樣表面形貌，車削的刀痕明顯減少，表面更加平整，如圖9（b）所示。在靜壓力200N 下進(jìn)行超聲滾壓加工的試樣表面形貌，圖中車削后凹凸不平的表面已經(jīng)變得更加平整，獲得了較好的表面質(zhì)量，如圖9（c）所示。靜壓力450N 時(shí)超聲滾壓試樣的表面形貌，如圖9（d）所示。其表面與圖9（c）比較，由于材料表面的塑形流動(dòng)更加劇烈，表面反而變的凹凸不平，表面質(zhì)量不如靜壓力200N 時(shí)的表面質(zhì)量。

圖9 不同靜壓力下的表面形貌Fig.9 Surface Topography Under Different Static Pressures

圖10 試樣的表面三維形貌及對(duì)應(yīng)的粗糙度值Fig.10 Three Dimensional Surface Topography of the Sample and Corresponding Roughness Value

采用三維形貌儀測(cè)量試樣的表面粗糙度，原始試樣的表面粗糙度數(shù)值為3.003μm。經(jīng)過(guò)超聲滾壓加工的試樣表面粗糙度數(shù)值為0.419μm，如圖10 所示。從圖中可以看出，表面較為平坦，這說(shuō)明了超聲滾壓加工能夠較大程度的降低試樣表面粗糙度，提高表面質(zhì)量。

3.3.2 表層顯微硬度

超聲滾壓試樣和原始試樣顯微硬度隨深度變化曲線，如圖11 所示。從圖中可見，原始試樣的顯微硬度隨著深度的增加，基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，變化不大，在360HV 上下浮動(dòng)，而經(jīng)過(guò)超聲滾壓加工的試樣表面硬度則達(dá)到了430.4HV，相對(duì)于原始試樣硬度提高了19.4%；超聲滾壓加工試樣表面的顯微硬度最高，隨著深度的增加，顯微硬度值逐漸下降，當(dāng)距離表面200μm 處，顯微硬度接近原始試樣的顯微硬度，開始趨于穩(wěn)定。這是由于超聲滾壓加工會(huì)使材料產(chǎn)生局部塑形變形，在試樣表層形成加工硬化層，提高了試樣的表層顯微硬度。

圖11 超聲滾壓試樣與原始試樣顯微硬度變化曲線Fig.11 Microhardness Change Curve of Ultrasonic Rolling Sample and Original Sample

3.3.3 表層殘余應(yīng)力

超聲滾壓試樣和原始試樣的表層殘余應(yīng)力隨深度變化的曲線，如圖12 所示。

圖12 超聲滾壓試樣與原始試樣殘余應(yīng)力變化曲線Fig.12 Residual Stress Variation Curve of Ultrasonic Rolling Sample and Original Sample

從圖中可見，原始試樣的表面殘余應(yīng)力基本為0，隨著深度增加轉(zhuǎn)化為了殘余壓應(yīng)力，在距離表面約20μm 的深度處，殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)了最大值，其值約（-123）MPa，當(dāng)深度繼續(xù)增加時(shí)，殘余壓應(yīng)力值逐漸變小，最后在距離表面140μm 處，殘余壓應(yīng)力變成了殘余拉應(yīng)力；而經(jīng)超聲滾壓加工的試樣表面殘余應(yīng)力約為（-561）MPa，在距離表面約80μm 深度處，殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)了最大值，其值約為（-672）MPa，隨著深度的繼續(xù)增加，殘余壓應(yīng)力值快速降低，在距離表面800μm 處，殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為了殘拉應(yīng)力。這是由于在經(jīng)過(guò)超聲滾壓加工后，在試樣表層出現(xiàn)了塑形變形不協(xié)調(diào)的情況，這種塑形變形的不協(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息息相關(guān)[1]，并且在本次試驗(yàn)中殘余應(yīng)力層的深度達(dá)到了800μm。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)超聲滾壓裝置進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析表明，超聲滾壓裝置的固有頻率為28670Hz，與理論設(shè)計(jì)值28000Hz 的誤差為2.4%。在交變電壓激勵(lì)下，裝置在28670Hz 處的振幅最大，幅值約為10μm，滿足使用要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。（2）經(jīng)過(guò)超聲滾壓加工的試樣表面粗糙度由原來(lái)的3.003μm 降低至0.419μm，表面形貌更加平整，表面質(zhì)量得到了較大程度的提高。（3）經(jīng)過(guò)超聲滾壓加工的試樣表面硬度達(dá)到了430.4Hv，相對(duì)于原始試樣硬度提高了19.4%，高硬度層達(dá)到了200μm；殘余壓應(yīng)力在距離表面 80μm 處達(dá)到了最大值，約為（-672）MPa，殘余應(yīng)力層深度達(dá)到了800μm。