吳魯紀(jì) 呂永鑫 張亞龍

（①鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450000；②華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布的《機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告（2021—2035）》中明確提出“高速重載傳動(dòng)元件的高可靠性設(shè)計(jì)和長(zhǎng)壽命服役”的相關(guān)研究為未來5～15 年重點(diǎn)和優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域[1]。面向2030 年的《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》指出，開展齒輪抗疲勞設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究是突破齒輪抗疲勞制造難題的重要途徑。中國(guó)工程院趙振業(yè)院士[2]認(rèn)為齒輪抗疲勞制造的核心是強(qiáng)化改性。因此，改善齒輪疲勞裂紋失效對(duì)于突破傳動(dòng)齒輪服役壽命短的技術(shù)瓶頸具有重要意義。

超聲滾壓是應(yīng)用于齒輪強(qiáng)化的成熟技術(shù)，是將高頻超聲振動(dòng)與靜壓力相結(jié)合，對(duì)齒輪表面進(jìn)行往復(fù)滾壓加工，產(chǎn)生劇烈的塑性變形，從而在其表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。劉懷舉等[3]認(rèn)為改性層存在的殘余壓應(yīng)力可部分抵消交變載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩裂紋擴(kuò)展以提高齒輪疲勞壽命。但過大的殘余壓應(yīng)力可能導(dǎo)致齒輪變形，造成早期失效；殘余壓應(yīng)力過小，則不能充分抑制疲勞失效。誘導(dǎo)出大小合適、分布合理的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)是改性層性能調(diào)控的重要內(nèi)容。屈盛官等[4]利用應(yīng)力衍射儀獲取了超聲滾壓齒輪試樣深度方向的殘余應(yīng)力值，揭示了超聲滾壓后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。劉立波[5]探究了超聲振幅對(duì)42CrMo 表面完整性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靜壓力不變的情況時(shí)，殘余應(yīng)力隨著超聲振幅的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。殘余應(yīng)力的提升歸因于振幅通過超聲變幅桿等裝置轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)沖擊力作用于工件表面，在靜壓力的聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)了塑性變形。可見，研究超聲滾壓對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律具有重要影響。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲滾壓加工進(jìn)行了大量的研究，然而極少有人針對(duì)滲碳淬火后的18CrNiMo7-6 齒輪鋼進(jìn)行超聲滾壓表面強(qiáng)化研究。本研究通過改變靜壓力、超聲振幅和超聲頻率等超聲滾壓強(qiáng)化參數(shù)，利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究滲碳淬火后的18CrNiMo7-6 齒輪鋼深度方向殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的精準(zhǔn)調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

1 研究方案

1.1 超聲滾壓試驗(yàn)方案

高束能GS30C 超聲滾壓設(shè)備和CA6140 數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣表面進(jìn)行超聲滾壓強(qiáng)化加工，如圖1 所示。超聲滾壓設(shè)備安裝在車床的刀架上，通過控制滾壓頭的滾壓深度，獲取相應(yīng)的靜壓力；輸出的超聲振幅和超聲頻率則由超聲滾壓設(shè)備改變相應(yīng)的諧振電流與諧振電壓獲取。超聲滾壓加工參數(shù)見表1。

表1 超聲滾壓加工參數(shù)表

圖1 超聲滾壓設(shè)備

18CrNiMo7-6 滲碳鋼具有良好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于高速、重載齒輪等關(guān)鍵部件，其化學(xué)成分見表2[6]。

表2 18CrNiMo7-6 合金鋼化學(xué)成分表（%）

該材料的滲碳過程[6]如圖2 所示，滲碳溫度為920～930 ℃，強(qiáng)滲期碳勢(shì)控制在1.1 %～1.2 %，強(qiáng)滲時(shí)間為38～45 h，擴(kuò)散期碳勢(shì)為0.65 %～0.75 %，擴(kuò)散時(shí)間為14～20 h，然后隨爐降溫，降溫至830～850 ℃保溫0.5 h 出爐。試樣直接放入60 ℃油淬火，淬火時(shí)間為30 min；在160～180 ℃回火6 h，出爐空冷。

圖2 18CrNiMo7-6 鋼滲碳處理工藝曲線

1.2 數(shù)值模擬方案

在超聲滾壓過程中，材料表面會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，在不同的應(yīng)變速率下，材料的屈服應(yīng)力和屈服極限都會(huì)發(fā)生改變。因此選擇一個(gè)準(zhǔn)確的本構(gòu)模型可以快速響應(yīng)超聲滾壓過程中材料的彈塑性問題十分重要。而Johnson-Cook 模型能夠很好地表征與描述大變形和高應(yīng)變速率的工況[7-9]。材料的屈服極限 σ見式（1）。

考慮到實(shí)際超聲滾壓過程中冷卻劑始終作用于接觸區(qū)域，可以假設(shè)在實(shí)際工況下接觸區(qū)域的宏觀溫度對(duì)材料的性能沒有影響。因此本文不考慮Johnson-Cook 模型中的溫度軟化項(xiàng)，簡(jiǎn)化后的Johnson-Cook 模型由式（2）表示[11]。

18CrNiMo7-6 滲碳鋼Johnson-Cook 本構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 18CrNiMo7-6 滲碳合金鋼Johnson-Cook 本構(gòu)參數(shù)

1.3 殘余應(yīng)力測(cè)試方案

超聲滾壓后，使用PROTO X 射線衍射儀對(duì)表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，如圖3 所示。殘余應(yīng)力測(cè)量的基本原理是基于布拉格定律，計(jì)算公式見式（3）。

圖3 PROTO X 射線衍射儀

衍射晶體間距d通過測(cè)量衍射角 2θ來計(jì)算，然后根據(jù)彈塑性理論推導(dǎo)出殘余應(yīng)力的測(cè)量公式，見式（4）。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

超聲滾壓后，殘余應(yīng)力指標(biāo)主要包括表面殘余壓應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度。通過PROTO X 射線衍射儀測(cè)量滲碳淬火后的18CrNiMo7-6齒輪鋼試樣和超聲滾壓強(qiáng)化加工后試樣的表面殘余壓應(yīng)力。未滾壓試樣表面殘余壓應(yīng)力為-510 MPa，不同靜壓力、超聲振幅和超聲頻率的表面殘余壓應(yīng)力如圖4 所示。靜壓力為600～1 400 N的表面殘余壓應(yīng)力測(cè)試值分別為-714 MPa、-727 MPa、-740 MPa、-751 MPa 和-755 MPa，與模擬值的誤差分別為8.3%、9.2%、10.4%、10%和9.5%；超聲振幅為6～14 μm表面殘余壓應(yīng)力測(cè)試值分別為-668 MPa、-687 MPa、-705 MPa、-725 MPa 和-755 MPa，與模擬值的誤差分別為8.2%、8.5%、7.3%、6.8%和8.6%；超聲頻率為20～30 kHz 表面殘余壓應(yīng)力測(cè)試值分別為-699 MPa、-705 MPa、-713 MPa、-724 MPa 和-716 MPa，與模擬值的誤差分別為7.5%、7.8%、8.5%、9.7%和6.4%，驗(yàn)證了超聲滾壓模型的可靠性。分析誤差的主要原因是網(wǎng)格的劃分方式和滾壓頭與試樣表面之間的摩擦系數(shù)，同時(shí)設(shè)定滾壓頭為解析剛體對(duì)超聲滾壓模擬結(jié)果有一定影響[12]。

圖4 表面殘余壓應(yīng)力測(cè)試

對(duì)1 000 N、10 μm、25 kHz 試樣進(jìn)行深度方向殘余應(yīng)力檢測(cè)，如圖4d 所示，其中，-0.1 mm、-0.2 mm、-0.3 mm 和-0.4 mm 殘余壓應(yīng)力測(cè)試值分別為-739 MPa、-813 MPa、-693 MPa 和-565 MPa，對(duì)應(yīng)的模擬值分別為 -725 MPa、-793 MPa、-674 MPa和 -555 MPa。殘余壓應(yīng)力在次表層測(cè)試值與模擬值變化規(guī)律一致，且最大殘余壓應(yīng)力均位于次表層-0.2 mm處，進(jìn)一步驗(yàn)證了超聲滾壓模型的可靠性。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 靜壓力對(duì)殘余應(yīng)力的影響

靜壓力對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖5 所示。當(dāng)靜壓力為600 N、800 N、1 000 N、1 200 N 和1 400 N 時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力分別為-660 MPa、-666 MPa、-670 MPa、-682 MPa 和-689 MPa，表面殘余壓應(yīng)力雖隨著靜壓力的增大而逐漸增大，但增大的幅度不顯著。當(dāng)靜壓力為600 N、800 N、1 000 N、1 200 N 和1 400 N 時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力分別為-844 MPa、-879 MPa、-894 MPa、-927 MPa 和-1 037 MPa，最大殘余壓應(yīng)力隨著靜壓力的增大逐漸增大，其中600～1 200 N 的最大殘余壓應(yīng)力位于距試樣表面0.2 mm處；當(dāng)靜壓力為1 400 N 時(shí)，最大殘余應(yīng)壓力位于距試樣表面0.4 mm 處。殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度也隨著靜壓力的增大而增大，當(dāng)靜壓力由600 N 增加至1 400 N時(shí)，相對(duì)應(yīng)的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度分別為0.67 mm、0.71 mm、0.75 mm、0.78 mm 和0.81 mm。在超聲滾壓過程中在表面施加一定的靜壓力可以有效地賦予試樣表面殘余壓應(yīng)力[13]。靜壓力越大，滾壓頭對(duì)試樣表面的滾壓力越大，對(duì)試樣表面的沖擊力越大，超聲滾壓強(qiáng)化加工對(duì)試樣表面造成的塑性變形越大，試樣表層其產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力也相應(yīng)地增長(zhǎng)。從微觀組織方面，隨著滾壓力的增加試樣表面的碳化物晶粒尺寸逐漸降低。由于碳化物的塑性相對(duì)于鐵素體較差，塑性變形優(yōu)先出現(xiàn)在鐵素體組織中并形成位錯(cuò)，碳化物晶粒尺寸越低，所形成的位錯(cuò)密度越大，從而使得試樣表層的殘余壓應(yīng)力越大[12]。

圖5 不同靜壓力對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.2.2 超聲振幅對(duì)殘余應(yīng)力的影響

超聲振幅對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖6 所示。當(dāng)超聲振幅為6 μm、8 μm、10 μm、12 μm 和14 μm 時(shí)，試樣表面殘余壓應(yīng)力分別為-612 MPa、-633 MPa、-657 MPa、-679 MPa 和-695 MPa，最大殘余壓應(yīng)力分別為-677 MPa、-734 MPa、-793 MPa、-857 MPa和-894 MPa，最大殘余壓應(yīng)力隨著超聲振幅的增大逐漸增大，最大殘余壓應(yīng)力均位于距試樣表面0.2 mm 處，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度分別為0.56 mm、0.58 mm、0.67 mm、0.71 mm 和0.75 mm。由此可以看出，經(jīng)超聲滾壓強(qiáng)化加工后，試樣表面殘余壓應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度均隨著超聲振幅的增加而增加。超聲振幅越大，超聲滾壓加工對(duì)試樣表面所造成的塑性變形越大，對(duì)試樣表面的沖擊總量增大，表面碳化物細(xì)化效果越好，超聲滾壓強(qiáng)化加工后其試樣表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力越大。

圖6 不同超聲振幅對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.2.3 超聲頻率對(duì)殘余應(yīng)力的影響

超聲頻率對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖7 所示。當(dāng)超聲頻率為20 kHz、22.5 kHz、25 kHz、27.5 kHz 和30 kHz 時(shí)，試樣表面殘余壓應(yīng)力分別為-650 MPa、-654 MPa、-657 MPa、-660 MPa 和-673 MPa，最大殘余壓應(yīng)力分別為-784 MPa、-790 MPa、-793 MPa、-807 MPa 和-817 MPa，最大殘余壓應(yīng)力均位于距試樣表面0.2 mm 處，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度分別為0.671 mm、0.675 mm、0.670 mm、0.671 mm 和0.673 mm。由此可以看出，經(jīng)超聲滾壓強(qiáng)化加工后，試樣表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力隨著超聲頻率的提高，僅有輕微的增長(zhǎng)趨勢(shì)，殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度則與超聲頻率沒有顯著的規(guī)律。超聲滾壓過程中超聲頻率的提高實(shí)質(zhì)是試樣表面同一位置受到相同沖擊力的多次沖擊產(chǎn)生變形，工件表面因塑性變形引起的加工硬化作用減弱，引起試樣表面材料的包辛格效應(yīng)[14]。因此超聲頻率對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響相對(duì)較弱。

圖7 不同超聲頻率對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)語

以18CrNiMo7-6 滲碳鋼為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了靜壓力、超聲振幅和超聲頻率等超聲滾壓強(qiáng)化加工參數(shù)對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力的影響，得到的主要研究結(jié)論如下：

（1）超聲滾壓模型表面殘余壓應(yīng)力模擬值與測(cè)試值誤差在6.3 %～10.4 %，殘余壓應(yīng)力在次表層測(cè)試值與模擬值變化規(guī)律一致，且最大殘余壓應(yīng)力均位于次表層-0.2 mm 處，驗(yàn)證了超聲滾壓模型的可靠性。

（2）18CrNiMo7-6 滲碳鋼經(jīng)超聲滾壓強(qiáng)化加工后試樣表面殘余壓應(yīng)力得到了由-510 MPa 提高到-612～-695 MPa，最大提高了36.3 %；最大殘余壓應(yīng)力最大為1 037 MPa；殘余應(yīng)力場(chǎng)深度可達(dá)0.81 mm，試樣殘余壓應(yīng)力得到了顯著提升。

（3）試樣表面殘余壓應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度隨著靜壓力和超聲振幅的增加而增加，超聲頻率則對(duì)殘余壓應(yīng)力場(chǎng)僅有輕微的影響。