縱-扭復合振動超聲深滾表面粗糙度研究*

羅傲梅

(河南工業和信息化職業學院機電工程系，河南 焦作454003)

機械零件的失效或破壞，主要從其表面層開始，產品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取決于零件表面質量。因此，如何提高零件的表面質量，進而提高產品的使用性能和使用壽命，一直是眾多研究者和學者們熱議的話題。目前，生產中常采用噴丸、滾壓、擠壓等常規的金屬表面強化方法來改善零件的表面綜合質量［1］。但是，這些強化方法常存在增大表面粗糙度值、在工件次表面產生剪切應力、擠壓作用力大等缺陷［2-4］。

伴隨著超聲加工技術的深入發展和廣泛應用，將超聲頻振動引入到常規表面強化工藝中，實現超聲表面強化，已成為表面強化技術發展的新方向［5］，如超聲噴丸、超聲擠壓、超聲深滾等強化工藝已在工程領域獲得應用，并被證明可在一定程度上細化晶粒，降低表面粗糙度值，顯著提高表面顯微硬度等［5-8］。

本研究將縱-扭復合振動超聲加工與深滾加工工藝相耦合，創建縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝，詳細闡述其加工原理，理論分析超聲振動對表面粗糙度的影響，并采用縱-扭復合振動超聲深滾與常規深滾兩種加工工藝對6061 -T6 鋁合金棒料進行加工處理，研究深滾工藝參數對工件表面粗糙度的影響。

1 縱-扭復合振動超聲深滾加工原理

圖1 為縱-扭復合振動超聲深滾加工原理圖。

該工藝是在常規深滾過程的基礎上，對工具頭縱向和圓周方向分別施以一定振幅的同頻超聲振動。工具頭在一定的靜壓力作用下壓在高速旋轉的工件上，同時沿工件軸線做進給運動。縱向超聲振動促使工具頭對工件表面進行垂直高速的周期性沖擊;扭轉超聲振動則使工具頭對已加工表面進行反復的碾壓沖擊和滾光。

由于金屬材料在常溫狀態下具有冷塑性，所以，由縱向超聲振動產生的高速沖擊使工件表面形成一定厚度的壓應力層和冷作硬化層，對工件表面起到強化作用;而由扭轉超聲振動引起的碾壓沖擊和滾光運動，使工件表層材料發生塑性流動，達到削峰填谷的光整效果。

顯然，縱-扭復合振動超聲深滾加工是基于縱-扭復合振動超聲加工和深滾加工的表面強化工藝［9］，是二維復合振動超聲加工與深滾加工相耦合的復合加工工藝，屬于超聲表面形變強化工藝的范疇。同時，該工藝也是一種動態沖擊式滾壓光整加工方法，可期實現工件表面的強化加工與光整加工。

2 超聲振動影響表面粗糙度理論分析

若僅從幾何因素考慮，在縱-扭復合振動超聲深滾加工中，其理論表面粗糙度為進給方向的殘留面積高度與滾壓速度方向的振紋高度的綜合值Ra1，如式(1)所示;而在常規深滾加工中，其理論粗糙度值Ra2僅與進給方向的殘留面積高度有關，如式(2)所示。

式中:Ra1為縱-扭復合振動超聲深滾表面粗糙度;Ra2為常規深滾表面粗糙度;Rz為進給方向殘留面積高度;Rth為滾壓速度方向殘留面積高度。

根據式(1)和式(2)可知，相對于常規深滾加工，理論上縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝因Rth的存在，只能對表面粗糙度起負面影響。

在縱-扭復合振動超聲深滾加工中，超聲振動對表面粗糙度的影響可從以下幾個方面進行深入探討。

(1)超聲振動改善工藝系統的抗振性，可降低表面粗糙度值。

基于振動理論［10］分析可知:引入縱-扭復合振動后，工件的變形僅為普通滾壓的tc/T(T 為超聲振動周期，tc為每個振動周期內滾輪與工件接觸的時間)甚至更小，這相當于提高了工藝系統的剛度，從而增加了工藝系統的抗振性。此外，滾輪以20 kHz 的頻率做高頻振動，與工藝系統的自激振動頻率相差大，故共振現象不可能發生。從這個意義上說，把超聲振動引入常規滾壓，有抑制工藝系統振動的優勢。工藝系統抗振性增強，加工過程中顫振現象減弱，從而改善了加工精度和表面粗糙度。

(2)超聲振動改善滾輪/工件摩擦狀態，減少滾輪磨損量，降低表面粗糙度值。

在常規深滾過程中，產生于阻止金屬塑性流動的摩擦力和摩擦熱的綜合作用會加劇滾輪磨損，降低加工精度。同時，若工藝參數選擇不當，在滾壓加工中會產生金屬粘結現象，惡化加工表面質量。當輔助超聲振動后，滾輪高頻振動，與工件處于斷續接觸狀態，冷卻液更易進入滾壓區，使滾壓區的冷卻和潤滑更充分，進而改善了二者間的摩擦狀態。此外，滾輪壓入時產生的巨大加速度，形成瞬時高壓，使冷卻液乳化更均勻，摩擦系數降低，減小了摩擦力。這些特點都有助于減少滾輪的磨損量，保證滾輪的精度，從而改善工件表面粗糙度。

(3)扭轉超聲振動改善金屬塑性流動，實現碾壓光整加工，提高加工質量。

在常規深滾加工中，由于滾輪對加工區域的擠/滾壓作用，引起金屬塑性流動，在滾輪前方易形成金屬隆起堆積層，在適度的壓力和切削熱作用下，會造成滾輪與工件表面粘結在一起，刮花工件表面。

在縱-扭復合振動超聲深滾加工中，由于超聲振動的周期性脈沖作用，滾輪與工件的接觸-分離-接觸狀態，可有效改善接觸區域的金屬層應力狀態，降低切削熱，避免粘連現象。但是，由縱向超聲振動引入的垂直沖擊效應在實現工件表面強化的同時，也會沿著滾壓路徑兩側和滾壓前進方向形成類似耕犁后的微小的凹坑和凸峰。扭轉超聲振動促使滾輪對已加工區域進行反復碾壓和滾光，在有效碾平因縱向超聲振動沖擊后形成的微小凹坑和凸峰的同時，還可修復工件表面的一些微損傷和微缺陷，更好地改善加工表面質量，即扭轉超聲振動在加工過程中可實現碾壓光整作用。

總之，縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝因為超聲振動的存在，加工中工件粘連現象發生的幾率降低，工藝系統的變形減小，系統剛性提高，滾輪與工件間的摩擦狀態得到有利改善，滾輪的磨損也得到減緩，更有利實現工件表面光整加工。

3 試驗研究

3.1 試驗條件

試驗所選用的材料為供應態6061 -T6 鋁合金軸件，軸徑為Φ50 mm，經粗車后，軸件直徑為Φ48 mm，表面粗糙度Ra=1.69 μm。

縱-扭復合振動超聲深滾加工試驗裝置如圖2 所示。該加工試驗在CA6140B/A 普通車床完成。利用三爪卡盤裝夾工件，在刀架上安裝縱-扭復合振動超聲深滾加工聲學系統，并保證滾輪中心線通過機床主軸軸線，采用乳化液作為切削液。

聲學系統包括超聲波發生器、縱向振動壓電換能器、開斜槽傳振桿和滾輪，可實現單激勵下縱-扭復合振動。工具頭采用YG8 材料制造的球形滾輪。

經阻抗測試，聲學系統縱- 扭復合振動頻率為19.8 kHz，滾輪縱向振動振幅為6.3 μm，扭轉切向振動位移為9 μm。試驗所需靜壓力由安裝在換能器底部的壓縮彈簧提供。

3.2 試驗方法

試驗選取可控的3 個工藝參數靜壓力F、進給量fv和工件轉速n 作為工藝參數指標，采用單因素試驗法，研究這些工藝參數對工件表面粗糙度的影響。試驗參數見表1 所示。

表1 試驗參數表

試驗過程的具體操作方法為:在相同的每一組滾壓工藝參數下，分別對同一工件表面進行超聲深滾和常規深滾試驗。當打開超聲波發生器時為縱-扭共振超聲深滾加工，關閉超聲波發生器時為常規深滾加工。

4 試驗結果與分析

采用SURTRONIC3 +粗糙度測量儀沿工件周向取5 處進行測量，測試滾壓后工件軸向表面粗糙度(Ra)，取其平均值作為測試結果。

4.1 靜壓力對表面粗糙度的影響

按照表1 所示試驗方案進行試驗，根據所得數據繪制兩種加工工藝下靜壓力對表面粗糙度的影響規律曲線，如圖3 所示。

由圖3 可知，在相同的滾壓工藝參數下，縱-扭復合振動超聲深滾加工后的表面粗糙度值總是小于常規深滾加工后的表面粗糙度值。引入縱-扭復合振動后，靜壓力對表面粗糙度的影響規律發生改變。當壓力在較小范圍時，縱-扭復合振動超聲深滾加工對表面粗糙度改善作用優勢明顯，但當壓力繼續增大時，兩種深滾加工獲得的表面粗糙度值十分接近。當靜壓力F=12 N 時，縱-扭復合振動超聲深滾加工后粗糙度值僅為常規深滾后的57%。

靜壓力較小時，超聲振動效果明顯，對工件表面高頻沖擊和碾壓，改善了工件表面的粗糙度;隨靜壓力逐漸增大時，超聲振動受到抑制，當靜壓力增大到一定值時，滾輪被緊緊的壓實在工件表面，超聲振動效果幾乎消失，如同常規深滾，故二者的表面粗糙度值幾乎接近相等。

4.2 工件轉速對表面粗糙度的影響

按照表1 所示試驗方案進行試驗，根據所得數據繪制兩種加工工藝下工件轉速對表面粗糙度的影響規律曲線，如圖4 所示。

顯然，工件轉速對兩種深滾處理后的表面粗糙度影響規律基本相同，即:表面粗糙度值隨工件轉速的增大先減小后增大。縱-扭復合振動超聲深滾加工后的表面粗糙度值總是小于常規深滾后的粗糙度值，且當工件轉速n=160 r/min 時，前者約為后者的70%。

分析其原因為:轉速過低，導致工件相同部位過沖擊，而轉速過高，工件周向存在局部被多次滾壓和局部未被滾壓共存的跳躍性現象，故都不利于工件表面粗糙度的改善。對機床而言，轉軸轉速較低和較高時其回轉精度均不佳，對加工質量也有不利影響。

4.3 進給量對表面粗糙度的影響

按照表1 所示試驗方案進行試驗，根據所得數據繪制兩種加工工藝下進給量對表面粗糙度的影響規律曲線，如圖5 所示。

由圖5 知，進給量對兩種深滾處理的表面粗糙度影響規律為:表面粗糙度值隨進給量的增加先減小，然后再增大。當進給量fv=0.12 mm/r 時，縱-扭復合振動超聲深滾加工可獲得一最佳表面粗糙度值，其值約為常規深滾的70%。

進給量過低，滾輪在進給方向相鄰兩次的擠壓間隙過小，不利于金屬的塑性流動;而進給量過大時，因滾輪導致的殘留面積高度增大。綜合之，進給量過大或過小，都會導致表面粗糙度值得增大，因此在加工中要根據實際情況選擇合適的進給量。

5 結語

(1)在常規深滾中引入超聲振動，可提高工藝系統的抗振性，改善滾輪與工件間的摩擦和接觸特性，可有效改善工件表面質量

(2)常規深滾和縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝均會改善6061 -T6 鋁合金材料表面粗糙度狀況，但是改善程度不同。

(3)在相同的深滾工藝參數下，縱-扭復合振動超聲深滾加工后的表面粗糙度值總是低于常規深滾加工后的表面粗糙度值。

(4)縱-扭復合振動超聲深滾時，表面粗糙度值隨靜壓力的增大先增后減，隨工件轉速和進給量的增大先減小后增大;常規滾壓時則隨靜壓力的增大一直增大，隨工件轉速和進給量的增大先減小后增大。

本研究表明，縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝能更有效地改善6061 -T6 鋁合金的表面質量。

［1］朱荊璞. 金屬表面強化技術的發展趨勢［J］. 中國機械工程，1987，8(3):37 -44.

［2］高玉魁，殷源發，李向斌，等. 噴丸強化對0Cr13Ni8M02Al 鋼疲勞性能的影響［J］. 材料工程，2001 (12):46 -48.

［3］呂光義，朱有利，李禮，等. 超聲深滾對TC4 鈦合金表面形貌和表面粗糙度的影響［J］. 中國表面工程，2007，20(4):38 -41.

［4］王義，鮑紹箕. 超聲振動擠壓強化工藝研究-強化方法及其工藝效果［J］. 電加工，1991(3):13 -17.

［5］鄭建新，羅傲梅，劉傳紹. 超聲表面強化技術的研究進展［J］. 制造技術與機床，2012(10):32 -36.

［6］A Tolga Bozdana，Nabil NZ Gindy，Hua Li. Deep cold rolling with ultrasonic vibrations - a new mechanical surface enhancement technique［J］. International Journal of Machine Tool ＆ Manufacture，2005，45:713 -718.

［7］Wang Ting，Wang Dongpo，Liu Gang，et al. Investigations on the nanocrystallization of 40Cr using ultrasonic surface rolling processing［J］Applied Surface Science，2008，255(5):1824 -1829.

［8］李禮，朱有利，呂光義. 超聲深滾降低TC4 鈦合金表面粗糙度和修復表面損傷的作用［J］. 稀有金屬材料與工程，2009，38(2):339-341

［9］Luo Aomei，Zheng Jianxin，Wu Haoqiong. Kinematics analysis on ultrasonic deep rolling with longitudinal -torsional vibration［J］. Advanced Materials Research，2013，630:148 -152.

［10］隈部純一郎. 精密加工振動切削［M］. 韓一昆，譯. 北京:機械工業出版社，1985.