縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝試驗

鄭建新　侯雅麗

河南理工大學，焦作，454003

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縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝試驗

鄭建新侯雅麗

河南理工大學，焦作，454003

采用正交試驗法對Q235鋼端面進行了縱-扭復合振動超聲深滾加工，探索了工藝參數對表面粗糙度和顯微硬度的影響，并基于試驗結果構建了表面粗糙度和顯微硬度的預測模型。試驗結果表明：經縱-扭復合振動超聲深滾加工后，工件表面粗糙度值顯著減小，而顯微硬度有大幅提高；表面粗糙度值隨靜壓力增大先增后減，隨進給量的增大而急劇增大，而隨滾壓速度的增大變化不明顯，且進給量對表面粗糙度的影響最顯著；顯微硬度隨靜壓力的增大而提高，隨進給量和滾壓速度的增大有微小波動，且靜壓力對顯微硬度的影響最顯著；基于t-檢驗與相關系數計算結果發現，進給量與靜壓力的交互作用對表面粗糙度的影響最大，而靜壓力與滾壓速度的交互作用對顯微硬度的影響最大?；谡辉囼灲Y果和預測模型獲得了最優工藝參數，兩者的結果接近，表明預測模型可靠。

超聲深滾；縱-扭復合振動；表面粗糙度；顯微硬度

0　引言

機械零部件常常會因表面局部疲勞、磨損和腐蝕等問題引起過早失效，導致裝備整體壽命縮短，可靠性差，甚至釀成災難性事故[1]。從制造角度而言，解決零件失效的關鍵技術之一就是對零件進行表面強化改性[2]。

傳統的機械表面強化技術，如噴丸、滾壓等，已被廣泛用來提高零件表面使用性能[3]。一些研究將超聲頻振動引入機械表面強化技術中，對零件表面進行超聲沖擊處理[4-5]、超聲噴丸[6]、超聲擠壓[7-8]或超聲深滾[9-11]等，可進一步減小表面粗糙度，提高表面顯微硬度，并在表層/亞表層引入殘余壓應力，修復表面損傷，實現零件的抗疲勞制造。

縱-扭復合振動超聲深滾加工(ultrasonic deep rolling with longitudinal-torsional vibration，UDR-LTV)工藝是將二維超聲振動與超聲深滾加工工藝相結合，進行工件表面光整與強化加工的一種新工藝[12-14]。縱-扭復合振動超聲深滾加工工藝是在普通深滾加工的基礎上，通過對工具頭施以縱向超聲振動，使其高速沖擊工件表面以產生殘余壓應力，同時還對工具頭施以扭轉超聲振動，使其反復碾壓已加工表面，以期實現工件表面的強化與光整加工。

本文進行Q235鋼軸件端面縱-扭復合振動超聲深滾加工試驗，研究工藝參數對工件表面粗糙度和顯微硬度的影響，以促進該工藝的工程應用。

1　試驗設計

1.1試驗材料

試驗材料為供應態Q235鋼棒料，直徑為75 mm，長度為40 mm，端面經車削加工后表面粗糙度值Ra≈3.04 μm，顯微硬度約為161 HV。

1.2試驗設備

試驗在CAK50186di數控車床上進行。將聲學系統安裝在車床刀架上，如圖1所示。

圖1　縱-扭復合振動超聲深滾加工試驗裝置

經測試，超聲振動系統的諧振頻率為19.8 kHz，變幅桿輸出端縱向振動振幅為8.3m，切向振動振幅為12.5m。每組試驗中，車床主軸轉速連續變化，保證實時任意滾壓位置的滾壓線速度不變。

試驗采用SURTRONIC 3+便攜式粗糙度測量儀測量表面粗糙度，使用MH-5顯微硬度計測量工件表面顯微硬度。

1.3試驗方案與試驗結果

本文研究靜壓力Fs、進給量f和滾壓速度v對表面粗糙度和顯微硬度的影響，選用L16(45)正交表進行試驗。試驗方案和試驗結果如表1所示。

表1　試驗方案與試驗結果

2　試驗結果分析

2.1工藝參數對工件表面粗糙度和顯微硬度的影響

表1表明，經縱-扭復合振動超聲深滾加工后，工件表面粗糙度值顯著減小，最小為Ra=0.81 μm，減小幅度達73.36%；而顯微硬度有大幅提高，最高為458.7 HV，提高幅度達184.9%。

對試驗結果進行極差分析，結果如表2所示。其中，ki表示因數的第i個水平所對應的測試值之和的平均值，R表示極差，即同一列中ki的最大值與最小值之差。表2表明，進給量對表面粗糙度的影響最大，且當f=0.08 mm/r時粗糙度值最小；其次是靜壓力，且當Fs=220 N時粗糙度值最小；而滾壓速度對表面粗糙度的影響可忽略不計，當v=40 m/min時粗糙度值最小。靜壓力對顯微硬度的影響最大，且當Fs=340 N時顯微硬度最高；而進給量和滾壓速度對顯微硬度的影響很小，當f=0.12 mm/r和v=50 m/min時顯微硬度較高。

表2　表面粗糙度和顯微硬度極差分析

根據表2分析各工藝參數對表面粗糙度和顯微硬度的影響，結果如圖2和圖3所示。

圖2　工藝參數對表面粗糙度的影響

圖3　工藝參數對顯微硬度的影響

由圖2和圖3可知，表面粗糙度值隨靜壓力增大先增后減，隨進給量的增大而急劇增大，而隨滾壓速度的增大變化不明顯。表面顯微硬度隨靜壓力的增大而提高，隨進給量的增大先升后降再升，隨滾壓速度的增大先升后降，但進給量和滾壓速度對顯微硬度的影響不顯著。

在縱-扭復合振動超聲深滾加工過程中，工件在超聲振動滾壓下發生塑性變形，縱向振動沖擊會對工件表面產生強化作用，而扭轉振動則會碾平工件表面，因而加工后工件表面顯微硬度提高，而表面粗糙度值減小。

在靜壓力和縱向沖擊力的綜合作用下，工件材料產生強烈的塑性流動，表面發生加工硬化，因而其顯微硬度會隨著靜壓力的增大而提高。因靜壓力產生的材料塑性流動而導致的殘留面積高度變化也較大，因此靜壓力對表面粗糙度的影響較大。

當進給量增大時，相鄰兩條壓痕之間的距離增大會導致滾輪碾壓平實金屬材料邊緣凸起的機會減少，工件表面殘留面積高度增大，從而使得表面粗糙度值增大。但由于進給量的變化對沖擊力的影響較小，因而顯微硬度變化不大。

滾壓速度遠小于高頻沖擊速度，因此滾壓速度的變化對表面粗糙度和顯微硬度的影響也不大。

2.2表面粗糙度和顯微硬度的預測模型

采用二次回歸分析方法構建表面粗糙度和顯微硬度預測模型。性能指標(表面粗糙度和顯微硬度)與工藝參數之間的關系描述為

(1)式中，Y為性能指標的估計值；a0為常數項；ai為xi的線性效應；aki為xk和xi的交互效應；aii為xi的二次效應。

利用最小二乘法對試驗結果進行擬合，剔除不顯著指標，得到縱-扭復合振動超聲深滾加工表面粗糙度Ra與表面顯微硬度HV的預測模型分別為

Ra=-0.794+0.0098Fs+2.48f-0.0025Fsf-

(2)

σHV=544.294-2.856Fs+5.621v-0.297Fsf-

(3)

采用F檢驗法對預測模型進行顯著性檢驗,結果如表3和表4所示，其中，SS表示方差，df表示自由度，MS表示均方差，F表示F檢驗值，R2表示復決定系數。。

表3　表面粗糙度預測模型顯著性檢驗

表4　顯微硬度預測模型顯著性檢驗

當檢驗水平為0.1時，從F分布表中查得F(9，6)=2.96。由表3和表4知，F值均大于2.96，表明在90%的置信水平上，表面粗糙度和顯微硬度預測模型均是顯著的。由于表面粗糙度和顯微硬度的復決定系數R2均較大，說明預測值與實測值之間相關性較強，擬合程度高，因而可用式(2)和式(3)預測縱-扭復合振動超聲深滾加工獲得的表面粗糙度和顯微硬度。

2.3工藝參數交互作用對表面粗糙度和顯微硬度的影響

基于式(2)和式(3)所構建的預測模型，繪制交互響應曲面，分析工藝參數之間的交互作用對表面粗糙度和顯微硬度的影響，結果如圖4和圖5所示。

圖4表明，工藝參數之間的交互作用對表面粗糙度有影響。當v=40 m/min時，進給量和靜壓力越大則表面粗糙度值越大，且進給量的影響更顯著；當Fs=220 N時，進給量越大則表面粗糙度值越大，而滾壓速度的影響很小。

圖5表明，工藝參數之間的交互作用對顯微硬度有影響。當v=50 m/min時，靜壓力越大則顯微硬度值越大，而進給量的影響很小；當f=0.12 mm/r時，靜壓力和滾壓速度越大則顯微硬度值越大，且靜壓力的影響更顯著。

(a)Fs=220 N

(b)v=40 mm/min圖4　工藝參數之間的交互作用對表面粗糙度的影響

(a)v=50 mm/min

(b)f=0.12 mm/r圖5　工藝參數之間的交互作用對表面顯微硬度的影響

為進一步分析各個工藝參數及其交互作用對表面粗糙度和顯微硬度的影響顯著性，對回歸系數進行顯著性差異檢驗(即t-檢驗)，分別計算一次效應和交互作用下的t值及相關系數r，結果如表5所示。

表5　回歸系數顯著性檢驗分析表

結合t值和相關系數r可知，縱-扭復合振動超聲深滾加工中，進給量對表面粗糙度的影響最大，而靜壓力對顯微硬度的影響最大。交互作用中Fs×f對表面粗糙度的影響不可忽略；Fs×v對顯微硬度影響也不可忽略。

3　工藝參數優選

最優工藝參數可通過對正交試驗(OT)結果進行極差分析直接獲得，并通過進一步試驗獲得最佳目標值(即最小表面粗糙度值和最高顯微硬度)；也可基于由回歸分析獲得的預測模型(PM)，利用極值必要條件獲得最優工藝參數與最佳目標值。采用兩種方法獲得的最優工藝參數、試驗結果和預測值如表6所示。

表6　最優工藝參數與結果

顯然，基于預測模型獲得的最優工藝參數、表面粗糙度值與表面顯微硬度值與基于正交試驗獲得的最優工藝參數及試驗值較為吻合，再次驗證了預測模型的可靠性。

4　結論

(1)經縱-扭復合振動超聲深滾加工后，工件表面粗糙度值顯著減小，最大減幅達73.36%；而顯微硬度有大幅提高，最大增幅達184.9%。

(2)表面粗糙度值隨靜壓力增大先增后減，隨進給量的增大而急劇增大，而隨滾壓速度的增大變化不明顯；進給量對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。

(3)表面顯微硬度隨靜壓力的增大而升高，隨進給量和滾壓速度的增大有微小波動；靜壓力對表面顯微硬度的影響顯著，而進給量和滾壓速度對顯微硬度的影響可忽略不計。

(4)基于預測模型，結合t-檢驗與相關系數計算結果，發現進給量對表面粗糙度的影響最大，而靜壓力對顯微硬度的影響最大；交互作用中對表面粗糙度影響最大的是Fs×f，對顯微硬度影響最大的是Fs×v。

(5)分別基于正交試驗結果和預測模型獲得了最優工藝參數，所得結果接近，表明預測模型可靠。

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(編輯袁興玲)

Technological Experiments of Ultrasonic Deep Rolling with Longitudinal-torsional Vibration

Zheng JianxinHou Yali

Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003

Q235 steel was processed by UDR with LTV(UDR-LTV) based on orthogonal tests. The effects of processing parameters on surface roughness and surface micro hardness were studied. The prediction models for surface roughness and micro hardness were constructed based on the experimental results. The experimental results show that UDR-LTV may lead to a marked reduction the surface roughness and a considerable increase in surface micro hardness. The values of surface roughness increase first and then decrease with the increment of the static pressure; and increase markedly with the increment of the feed-rate, and change a little with the increment of the rolling speed. Meanwhile, the feed-rate has a marked effect on the surface roughness. The values of surface micro hardness increase with the increment of the static pressure; and fluctuate a little with the increment of the feed-rate and the rolling speed. And the static pressure has a marked effect on the surface micro hardness.t-test and the coefficient of correlation were calculated. The calculated results indicate that the surface roughness are most affected by the interaction of the feed-rate and the static pressure, and the surface micro hardness are most affected by the interaction of the static pressure and the rolling speed. The optimal parameters for the lowest surface roughness and highest micro hardness obtained by the orthogonal test are close to that obtained by the prediction models, which indicates that the prediction models are reliable.

ultrasonic deep rolling(UDR); longitudinal-torsional vibration(LTV); surface roughness; micro hardness

2015-08-21

國家自然科學基金資助項目(51005071,51575163)；河南省高等學校重點科研資助項目(16A460006)

TB559；TH113

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.013

鄭建新，男，1979年生。河南理工大學機械與動力工程學院教授、博士。主要研究方向為精密與特種加工技術、表面工程技術。獲省級科技進步二等獎2項，專著1部，發表論文40余篇。侯雅麗，女，1992年生。河南理工大學機械與動力工程學院碩士研究生。