超聲滾壓裝置設計及試驗研究

劉治華，張天增，張銀霞，戴騏隆

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引言

機械零件的加工尺寸和結構形狀通過一般的機械加工、熱處理比較容易實現，但在加工質量上會有比較大的差別[1]。而在超聲技術日漸成熟的時代，把超聲振動應用到表層強化技術上，已經是表面強化技術發展的新方向[2]。

傳統的滾壓容易出現變質層和材料分離的情況，而超聲滾壓加工則通過細化和均勻表面金相組織來實現強化的效果，有效的避免了傳統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械性能的經濟有效的工藝方法[3]。目前在航空航天、汽車、造船等領域得到廣泛應用[4]。

到目前為止，國內外技術人員對超聲滾壓進行了一定的研究：文獻[5]通過對材料AA6061-T6 進行超聲滾壓加工，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量。文獻[6]通過超聲滾壓技術處理AISI304 不銹鋼得出，合理的靜壓力可以顯著提高表面質量（降低粗糙度、提高硬度，殘余應力層深化）。

在機械工業中，由于18CrNiMo7-6 齒輪鋼良好的力學性能和加工性能，開始廣泛應用到齒輪中，然而對18CrNiMo7-6 齒輪鋼進行超聲滾壓加工的研究未見報道，且18CrNiMo7-6 齒輪鋼材料的硬度較高。為此，設計超聲滾壓裝置，利用該裝置對18CrNiMo7-6 齒輪鋼進行超聲滾壓加工試驗，研究超聲滾壓加工對該材料表面性能的影響。

2 超聲滾壓裝置

2.1 超聲滾壓裝置結構設計

超聲滾壓裝置主要由超聲波發生器、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4mm 的硬質合金球，1個8mm 的硬質合金球被3 個4mm 的硬質合金球平衡支撐，8mm滾珠被滾珠保持器固定住并直接作用于試樣表面，這樣的結構能夠保證8mm 的硬質合金球在工作時自由的旋轉，避免硬質合金球因磨損嚴重，影響加工質量。

設計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，采用三個法蘭盤來夾持裝置變幅桿處法蘭，通過四個光軸固定在前后殼體上支撐整個裝置。靜壓力的測量通過壓力傳感器來實現，傳感器一端固定在三個法蘭盤上，另一端固定在殼體上，當裝置正常工作時，壓力傳感器可以準確的測量出壓力的大小。

圖1 超聲滾壓裝置結構圖Fig.1 Structure Diagram of Ultrasonic Rolling Device

超聲滾壓裝置的示意圖和實物圖，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構如前所述，但在結構設計過程中，如果裝置各部分結構設計及尺寸選擇不當，會造成超聲滾壓裝置不能振動，以致于不能正常工作。為了確定裝置各部分的合理結構及尺寸對裝置性能的影響，利用ANSYS Workbench 對裝置進行模態分析和諧響應分析來驗證裝置是否滿足設計要求。

2.2.1 換能器和變幅桿單元模態分析

通過模態分析，確定裝置的固有頻率和振型。對裝配到一起的換能器和變幅桿單元進行模態分析，由于實際使用中是通過固定變幅桿處的法蘭，從而實現對超聲滾壓裝置進行固定的，因此分析中將變幅桿法蘭處設置為固定約束。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。仿真時設置求解階數為5 階，頻率查找范圍設置為（22～29）kHz，換能器和變幅桿單元的仿真模型圖和經Workbench 求解后的縱振模態分析圖，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 模態分析圖Fig.5 Modal Analysis Diagram

在仿真分析中，只有第4 階模態處于縱振，其頻率為28543 Hz，超聲波發生器發出的頻率為28000Hz，其與實際頻率（28000Hz）的誤差為1.94%，此微量誤差則可通過超聲波發生器自身的調諧裝置進行微調，保證超聲系統達到最佳共振狀態[9]。

2.2.2 超聲滾壓裝置整體模態分析

工具頭材料選用45 鋼，滾珠材料選用YG6 硬質合金，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，設置頻率查找范圍為（10000～30000）Hz，求解出 14 階模態。

超聲滾壓裝置整體仿真模型，如圖6 所示。經workbench 求解后，其中頻率28670Hz 符合該裝置的設計要求，其模態分析圖，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分析圖Fig.7 Modal Analysis of the Ultrasonic Rolling Device

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

2.2.3 超聲滾壓裝置的諧響應分析

前述對裝置進行了模態分析，確定了裝置的振型和固有頻率。而諧響應分析是分析結構在不用頻率和幅值的簡諧載荷作用下的響應[7]。其中在電極片上施加的電壓是諧響應分析時的載荷[8]，這里施加的電壓為1000V。諧響應分析曲線圖，如圖8 所示。

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

在激勵電壓1000V 的條件下，從諧響應分析曲線圖中看以看出，固有頻率為28670Hz 時，最大變形量約為10μm，符合設計和使用要求。

3 試驗研究

3.1 試驗材料

以經過鍛壓，未進行熱處理的18CrNiMo7-6 齒輪鋼為試驗材料，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，其化學成分，如表1 所示。

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

3.2 試驗設備和方法

利用NPFLEX 型三維表面形貌測量系統測量試樣的表面粗糙度Ra。采用HV-1000 型顯微硬度計測量試樣的顯微硬度。VHX-2000E 型超景深三維顯微系統拍攝試樣的表面二維形貌。加拿大Proto 高速大功率X 射線殘余應力分析儀測量殘余應力。采用電化學腐蝕的方法對試樣進行逐步剝層，從而進行殘余應力及顯微硬度沿層深方向的測量，剝層的深度通過千分尺測量。

3.3 結果與分析

3.3.1 表面形貌和表面粗糙度

試驗中，選用主軸轉速320r/min，進給量0.15mm/r，振幅6μm，滾壓次數為 3 次，研究靜壓力在（30～450）N 范圍內變化時，試樣表面形貌的變化規律。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變得更加平整，獲得了較好的表面質量，如圖9（c）所示。靜壓力450N 時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更加劇烈，表面反而變的凹凸不平，表面質量不如靜壓力200N 時的表面質量。

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應的粗糙度值Fig.10 Three Dimensional Surface Topography of the Sample and Corresponding Roughness Value

采用三維形貌儀測量試樣的表面粗糙度，原始試樣的表面粗糙度數值為3.003μm。經過超聲滾壓加工的試樣表面粗糙度數值為0.419μm，如圖10 所示。從圖中可以看出，表面較為平坦，這說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，基本處于穩定的狀態，變化不大，在360HV 上下浮動，而經過超聲滾壓加工的試樣表面硬度則達到了430.4HV，相對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，開始趨于穩定。這是由于超聲滾壓加工會使材料產生局部塑形變形，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 表層殘余應力

超聲滾壓試樣和原始試樣的表層殘余應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力基本為0，隨著深度增加轉化為了殘余壓應力，在距離表面約20μm 的深度處，殘余壓應力出現了最大值，其值約（-123）MPa，當深度繼續增加時，殘余壓應力值逐漸變小，最后在距離表面140μm 處，殘余壓應力變成了殘余拉應力；而經超聲滾壓加工的試樣表面殘余應力約為（-561）MPa，在距離表面約80μm 深度處，殘余壓應力出現了最大值，其值約為（-672）MPa，隨著深度的繼續增加，殘余壓應力值快速降低，在距離表面800μm 處，殘余壓應力轉化為了殘拉應力。這是由于在經過超聲滾壓加工后，在試樣表層出現了塑形變形不協調的情況，這種塑形變形的不協調正是殘余應力產生的原因，而殘余應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[1]，并且在本次試驗中殘余應力層的深度達到了800μm。

4 結論

（1）通過對超聲滾壓裝置進行模態分析和諧響應分析表明，超聲滾壓裝置的固有頻率為28670Hz，與理論設計值28000Hz 的誤差為2.4%。在交變電壓激勵下，裝置在28670Hz 處的振幅最大，幅值約為10μm，滿足使用要求，驗證了設計的合理性。（2）經過超聲滾壓加工的試樣表面粗糙度由原來的3.003μm 降低至0.419μm，表面形貌更加平整，表面質量得到了較大程度的提高。（3）經過超聲滾壓加工的試樣表面硬度達到了430.4Hv，相對于原始試樣硬度提高了19.4%，高硬度層達到了200μm；殘余壓應力在距離表面 80μm 處達到了最大值，約為（-672）MPa，殘余應力層深度達到了800μm。