寇英濤，李艷潔 , ，汪云燕，周征

（1. 北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083；2. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

金屬機(jī)械構(gòu)件的主要失效形式是磨損、腐蝕和斷裂[1]，在承受外載荷時，由于工作環(huán)境等不確定性因素的影響，易引發(fā)疲勞斷裂。45鋼軸作為機(jī)械構(gòu)件傳遞動力的關(guān)鍵部件，如果斷裂會引發(fā)安全隱患。

超聲沖擊強(qiáng)化（Ultrasonic impact treatment, UIT）作為目前一種表面強(qiáng)化技術(shù)，強(qiáng)化后可以使金屬材料表層產(chǎn)生壓塑性變形[2-4]。很多學(xué)者采用超聲沖擊強(qiáng)化金屬材料在降低表面粗糙度[5]、提高殘余壓應(yīng)力[6]和改善疲勞壽命[7-8]等方面取得了顯著的成果。Emelianova等[9]采用數(shù)值模擬方法分析了超聲沖擊強(qiáng)化鈦合金試樣的內(nèi)部晶粒尺寸和組織效應(yīng)是誘發(fā)表面粗糙度降低的原因。何柏林等[10]對6082鋁合金焊接頭進(jìn)行超聲沖擊處理，發(fā)現(xiàn)有害的殘余拉應(yīng)力可轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴臍堄鄩簯?yīng)力，明顯延長了其焊接接頭的疲勞壽命。耿其東與汪煒[11]通過對鋁合金試件采用超聲沖擊強(qiáng)化，也發(fā)現(xiàn)在孔口表面會形成有益的殘余壓應(yīng)力。曹小建等[12]對鈦合金超聲沖擊處理后，發(fā)現(xiàn)表面獲得40 μm的塑性變形層，表面硬度和殘余壓應(yīng)力均有提高。唐亮等[13]通過有限元模擬了超聲沖擊過程，結(jié)果均表明超聲沖擊對疲勞有明顯的改善。Li等[14]采用超聲沖擊高熵合金發(fā)現(xiàn)表面粗糙度的降低和表面硬度的提高可以使高熵合金更具有耐腐蝕性。Yang等[15]發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲沖擊處理的焊接接頭的腐蝕速率遠(yuǎn)低于未經(jīng)處理的接頭。以上研究充分表明超聲沖擊在改善表面性能，提高疲勞壽命方面的優(yōu)越性，且也是目前大多學(xué)者研究的重點(diǎn)，但參數(shù)優(yōu)選方面的研究較少。因此優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得良好的表面完整性，對于減小成本、提高效率顯得尤為重要。

本研究采用正交試驗，使用超聲沖擊設(shè)備對相同條件車削后的45鋼表面進(jìn)行超聲沖擊試驗，采用信噪比分析了轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和過盈量3個工藝參數(shù)對表面完整性（表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力）影響的顯著性；并采用灰關(guān)聯(lián)度方法優(yōu)化超聲沖擊45鋼表面完整性的工藝參數(shù)，通過試驗驗證了優(yōu)化參數(shù)的可靠性。

1 試驗條件

本文選取長度為300 mm、直徑為50 mm 的45鋼作為超聲沖擊的試驗對象，試驗在HK63/1000型數(shù)控車床上進(jìn)行，車床最大功率為11 kW，車削刀具為CNMG120404-NM硬質(zhì)合金刀具。

1.1 試驗原理

超聲沖擊設(shè)備包括超聲波電源和超聲沖擊執(zhí)行器兩部分組成，其原理為大功率超聲波經(jīng)變幅桿輸出振幅且推動沖擊頭高速作用沖擊金屬表面，由于超聲波的高頻率、高聚焦等特性，會使金屬表層產(chǎn)生壓塑性形變，在超聲波的作用下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力梯度分布層，進(jìn)而使沖擊部位強(qiáng)度提高。超聲沖擊強(qiáng)化示意圖如圖1所示。

圖1 超聲沖擊強(qiáng)化試驗示意圖

本次超聲沖擊設(shè)備振幅是6 μm，電流為0.5 A，頻率39 kHz，沖擊頭直徑為4 mm。在超聲沖擊過程的初始階段，超聲沖擊頻率和振幅會經(jīng)歷一個由不穩(wěn)定到穩(wěn)定的0.5 s時間。穩(wěn)定后的頻率和振幅一般與試驗前預(yù)設(shè)值基本相同。超聲波電源的顯示屏可以實時讀取超聲波振動頻率。利用激光位移傳感器測量超聲沖擊過程中的實際振幅，通過調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)超聲振動頻率，確保超聲沖擊試驗各組超聲振動頻率和振幅與預(yù)設(shè)值保持一致。

1.2 試驗方案

由于試件的未加工初始表面存在一定的缺陷，直接在其上面進(jìn)行超聲沖擊，試驗誤差偏大，因此在進(jìn)行超聲沖擊前先對試件表面使用同一組車削參數(shù)進(jìn)行制備性加工。車削轉(zhuǎn)速1000 r/min，進(jìn)給速度0.2 mm/r，切深2 mm，車削的表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力分別為3.78 μm、212.5 HV和-143.6 MPa。相同表面完整性狀態(tài)的初始車削表面進(jìn)行超聲沖擊工藝試驗。

1.2.1 正交試驗工藝參數(shù)

針對超聲沖擊45鋼的強(qiáng)化試驗，選取的工藝參數(shù)原則主要參考實際的生產(chǎn)中的工藝參數(shù)，本試驗選取轉(zhuǎn)速（A）、進(jìn)給速度（B）和過盈量（C）為45鋼超聲沖擊強(qiáng)化的3個工藝參數(shù)。表1為設(shè)計的因素水平表，在參數(shù)域范圍內(nèi)每個因素取4個不同水平。對于45鋼試件，轉(zhuǎn)速過高，會加速沖擊頭的磨損，會引發(fā)不均勻的塑性變形，得不到本研究良好表面完整性的要求，因此給定最大的轉(zhuǎn)速為45 r/min；進(jìn)給速度和過盈量的選取則依據(jù)工程經(jīng)驗，進(jìn)給速度在0.06 ～ 0.24 mm/r之間，過盈量在0.010 ～ 0.025 mm之間。采用L16（43）正交組合開展試驗。

表1 試驗因素水平表

1.2.2 正交試驗設(shè)計和結(jié)果

本研究以工件表面粗糙度Ra、表面硬度和表面殘余應(yīng)力σ為試驗指標(biāo)來進(jìn)行試驗分析。表面粗糙度測量使用Marsurf XT20表面粗糙度儀，在已沖擊工件表面上沿機(jī)床主軸方向（z方向）測量工件表面粗糙度值Ra，每平行樣本取兩端及中間3組數(shù)據(jù)，取平均值，取樣長度5 mm；表面硬度使用430SVD數(shù)顯維氏硬度計測量；表面殘余應(yīng)力使用PROTO LXRD-MG2000 X射線衍射儀進(jìn)行測試。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗結(jié)果

2 結(jié)果分析與討論

2.1 表面完整性的信噪比分析

為避免多次測量試驗結(jié)果以及隨機(jī)干擾對表面完整性帶來的不良影響，對超聲沖擊表面完整性的各個試驗指標(biāo)采用信噪比分析進(jìn)行去噪處理，各個試驗指標(biāo)的后處理階段采用去噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得良好的表面完整性。信噪比根據(jù)不同的使用場合可以分為望大特性、望小特性和望目特性。

根據(jù)表2正交試驗結(jié)果，對表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力采用田口法的信噪比（S/N）進(jìn)行分析[16]。本研究的表面粗糙度越小越好。因此，信噪比選用望小特性進(jìn)行計算，則

表面硬度和表面殘余壓應(yīng)力越大越好。因此，信噪比選用望大特性進(jìn)行計算，則

式中：S/N為超聲沖擊表面完整性的信噪比值；xt為第t次表面粗糙度試驗結(jié)果；yt為第t次表面硬度和表面殘余應(yīng)力的試驗結(jié)果；n為重復(fù)試驗次數(shù)。

將表2的試驗指標(biāo)分別代入式（1）和式（2），可以得到超聲沖擊45鋼表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力的信噪比，結(jié)果如表3所示。

表3 各試驗指標(biāo)的信噪比

2.2 灰關(guān)聯(lián)度多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化

灰關(guān)聯(lián)度分析法是將多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化問題，得到超聲沖擊45鋼表面完整性的多項試驗指標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化組合。超聲沖擊試驗中，理想的工藝參數(shù)可以使表面粗糙度達(dá)到較小值、表面硬度和表面殘余壓應(yīng)力達(dá)到較大值。以3個試驗指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)度得到最佳參數(shù)組合真實反映各個工藝參數(shù)對強(qiáng)化過程中的影響程度。由于表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力等試驗指標(biāo)的量綱不同，需對試驗的初始結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，以消除試驗指標(biāo)之間的量綱。因此，采用灰關(guān)聯(lián)度分析法將表3的信噪比作為分析的初始數(shù)據(jù)，對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱一化處理，使試驗指標(biāo)具有相同的量綱，計算公式[17]為

式中：xmn為標(biāo)準(zhǔn)量綱一化的數(shù)據(jù)；ymn為超聲沖擊45鋼表面完整性第n個指標(biāo)下的第m次試驗的信噪比值。

灰關(guān)聯(lián)度系數(shù)是超聲沖擊45 鋼表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力等試驗指標(biāo)的信噪比量綱一化后的數(shù)據(jù)結(jié)果與理想化下的數(shù)據(jù)的關(guān)系。超聲沖擊表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力的灰關(guān)聯(lián)度系數(shù)為

式中：Δω為試驗指標(biāo)的理想狀態(tài)值與量綱一化之差絕對值的均值；i為正交試驗安排的次數(shù)，i=16；j為試驗指標(biāo)，j=3。

因為 Δmax≤3Δω， 由灰關(guān)聯(lián)度理論可知1．5ψΔ＜δ≤2ψΔ，即 0．615＜δ≤0．82， 因此取δ = 0.8。將 δ代入公式（4）可得灰關(guān)聯(lián)度系數(shù)。

每組超聲沖擊45鋼表面完整性的灰關(guān)聯(lián)度計算公式為

式中γm為第m組試驗的45鋼表面完整性的灰關(guān)聯(lián)度。

根據(jù)表3的各試驗指標(biāo)的信噪比可知，第7組是16組試驗中灰關(guān)聯(lián)度最大的一組參數(shù)。且是否為最優(yōu)的還需進(jìn)一步驗證，以確定最終的優(yōu)化參數(shù)組合。

本研究的灰關(guān)聯(lián)度是評價表面完整性的一個綜合指標(biāo)。根據(jù)灰關(guān)聯(lián)度理論的定義可知，表面完整性受到灰關(guān)聯(lián)度均值的影響，灰關(guān)聯(lián)度均值越大，表面完整性在該水平受到的影響越大，則表明該水平是最優(yōu)的一組參數(shù)。由正交試驗的直觀分析計算得出表4各因子的灰關(guān)聯(lián)度均值。如表4所示，根據(jù)灰關(guān)聯(lián)度越大越好的原則，超聲沖擊45鋼表面完整性的最優(yōu)參數(shù)組合為A4B3C4，即轉(zhuǎn)速45 r/min，進(jìn)給速度0.18 mm/r，過盈量0.025 mm。

表4 各因子的灰關(guān)聯(lián)度均值

多目標(biāo)指標(biāo)的綜合影響通過各因子灰關(guān)聯(lián)度均值的差值得出，差值大的影響也就越大。因此，工藝參數(shù)對表面完整性的影響順序的顯著程度由大到小為：轉(zhuǎn)速3 過 盈量3 進(jìn)給速度。

3 試驗驗證

采用灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)化的工藝參數(shù)組合進(jìn)行超聲沖擊強(qiáng)化驗證試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 最優(yōu)參數(shù)下的試驗指標(biāo)

根據(jù)表5的試驗結(jié)果計算表面完整性（表面粗糙度、表面硬度和表面殘余壓應(yīng)力）的信噪比分別為7.53、48.27和58.51，灰關(guān)聯(lián)度系數(shù)分別為：1、0.91和1，灰關(guān)聯(lián)度值為0.97。比表3優(yōu)化參數(shù)（灰關(guān)聯(lián)度最大）的第7組數(shù)值更大。超聲沖擊45鋼表面完整性各試驗指標(biāo)的信噪比均比表3最優(yōu)參數(shù)的信噪比大，分別由4.69、47.70和58.35增大到7.53、48.27和58.51，表明試驗結(jié)果的波動性得到了明顯改善。表面粗糙度的均值由0.58 μm降低到0.42 μm，降低了27.15%，表面硬度和表面殘余壓應(yīng)力分別由242.7 HV和827.44 MPa提高到260.0 HV和842.83 MPa，分別提高了7.12%和1.86%，表明了試驗結(jié)果更加優(yōu)化。

經(jīng)過多目標(biāo)優(yōu)化的工藝參數(shù)超聲沖擊所得到的表面粗糙度比沖擊前從3.78 μm下降到0.42 μm，降低了88.76%，表面硬度和表面殘余壓應(yīng)力比沖擊前分別從212.5 HV和143.6 MPa提高到260.0 HV和842.83 MPa，提高了22.35%和486.72%。

圖2是超聲沖擊與車削參數(shù)對表面形貌的影響。圖2a）為車削后的表面形貌，可以發(fā)現(xiàn)車削表面波谷和波峰很明顯，存在凹凸不平的條紋缺陷。圖2b）和2c）為超聲沖擊后的表面形貌，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲沖擊表面得到了明顯的改善，表面很平整，這是因為在沖擊頭的沖擊作用下，內(nèi)部發(fā)生塑性變形，提高了塑性變形流動的均勻程度，波峰就會填入波谷，使得表面紋理一致，得到良好的表面完整性。圖2b）為第七組參數(shù)強(qiáng)化后的表面形貌，圖2c）為優(yōu)化參數(shù)強(qiáng)化后的表面形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，優(yōu)化參數(shù)沖擊形成的表面質(zhì)量更加優(yōu)越，進(jìn)一步說明了灰關(guān)聯(lián)度方法優(yōu)化的參數(shù)可有效提高超聲沖擊45鋼的表面完整性和加工效率。

圖2 超聲沖擊和車削對表面形貌的影響

4 結(jié)論

1）分析了45鋼工件沖擊前后的表面粗糙度、微觀形貌、表面硬度和表面殘余應(yīng)力等表面完整性參數(shù)的變化，結(jié)果表明：超聲沖擊可以顯著降低表面粗糙度，提高表面形貌的一致性，能夠有效去除車削表面凹凸不平的條紋等缺陷，提高表面硬度和表明殘余壓應(yīng)力。

2）由直觀分析對表面完整性的灰關(guān)聯(lián)度值分析，得到了工藝參數(shù)對表面完整性影響的顯著程度依次為，轉(zhuǎn)速＞過盈量＞進(jìn)給速度。

3）采用信噪比與灰關(guān)聯(lián)度分析法獲得了有利于表面完整性的最佳工藝參數(shù)，通過試驗驗證了優(yōu)化參數(shù)的可靠性。為超聲沖擊工件表面完整性的控制和加工效率提供了參考價值。