宋錦春 賈志強(qiáng) 張敏鑫

(東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

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超聲滾壓光整加工參數(shù)對(duì)45鋼表面粗糙度和硬度的影響

宋錦春 賈志強(qiáng) 張敏鑫

(東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

為了探索超聲波滾壓光整加工合理的加工工藝參數(shù)，以最常用的45鋼為例，研究了各加工工藝參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量、加工次數(shù)、下壓量及振幅)對(duì)加工表面粗糙度和硬度的影響規(guī)律，并且根據(jù)使用要求給出了各工藝參數(shù)的合理范圍。研究結(jié)果表明：超聲波滾壓光整加工技術(shù)能顯著減小45鋼工件的表面粗糙度值，并在工件表面產(chǎn)生不同程度的冷作硬化作用，提高45鋼工件的表面硬度。如果工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，45鋼的表面粗糙度值可減小至Ra0.02 μm以下，表面硬度可以提升20%以上。

超聲波滾壓光整加工；工藝參數(shù)；表面粗糙度；硬度；冷作硬化

超聲滾壓光整加工作為一種新型工藝，研究合理的加工工藝參數(shù)對(duì)于提高工件的表面質(zhì)量和力學(xué)性能是十分有意義的。影響超聲滾壓光整加工質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有超聲波的頻率和振幅、車床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量、壓下量以及滾壓次數(shù)。各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)超聲滾壓光整加工的加工效果的影響不盡相同，但各個(gè)工藝參數(shù)的作用又是又相互關(guān)聯(lián)，相互制約的。

超聲波滾壓光整加工結(jié)合了超聲波加工和滾壓加工兩者的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上可以提高被加工工件的表面質(zhì)量。超聲波滾壓加工的微觀過(guò)程見圖1所示[1]。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波頻率電信號(hào)被換能器轉(zhuǎn)換成微小的超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)，再經(jīng)過(guò)變幅桿的放大，最后作用在超聲滾壓工具頭上，實(shí)現(xiàn)超聲滾壓工具頭的往復(fù)振動(dòng)[2]。同時(shí)再給工具頭一定的靜壓力，使超聲波振動(dòng)和靜壓力傳遞到被加工工件表面，使工件表面金屬產(chǎn)生塑性變形，將波峰熨平填充在波谷內(nèi)，這樣就可以大大改善表面粗糙度，并提高表面綜合力學(xué)性能。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，表面粗糙度值能減小到Ra0.02～0.08 μm，加工精度可以達(dá)到0.01～0.02 mm,表面洛氏硬度可以提高20%～50%[3]。

本文利用山東華云機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的HKUSM30HSB毫克能金屬表面加工裝置和大連機(jī)床廠生產(chǎn)的C6140A臥式車床，來(lái)研究加工振幅、車床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量、壓下量以及滾壓次數(shù)等對(duì)45鋼表面粗糙度和表面硬度的影響。本文的研究為以后超聲滾壓光整加工的應(yīng)用和推廣提供了一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與表面粗糙度測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次超聲波滾壓光整加工試驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)材料為φ20 mm的45鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)如表1和表2所示[4]。經(jīng)過(guò)測(cè)量試驗(yàn)用的45鋼經(jīng)過(guò)初次車削加工以后的表面粗糙度為6.3 μm。

表1 45鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

CSiMnCrNiCu0.42～0.500.17～0.370.50～0.80≤0.25≤0.300.25

表2 45鋼力學(xué)性能參數(shù)

屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa斷面收縮率/(%)斷后伸長(zhǎng)率/(%)硬度/HRB≥355≥600≥40≥1681

1.2 表面粗糙度測(cè)量?jī)x器及測(cè)量過(guò)程

本次需要測(cè)量的是45鋼圓周表面的粗糙度，所以不能使用僅能測(cè)平面粗糙度的儀器。此次測(cè)量采用的是TR200手持式粗糙度儀，如圖2所示[3]。此次工件的被測(cè)面小于儀器的底面，所以還需要儀器附帶的傳感器護(hù)套和可調(diào)支腳輔助完成測(cè)量。測(cè)量過(guò)程如下：

(1)測(cè)量前將加工好的45鋼工件用質(zhì)地比較軟的布擦拭干凈。

(2)用螺絲刀擰緊螺釘，將傳感器護(hù)套和可調(diào)支腳固定在儀器兩端。

(3)鑒于被測(cè)工件表面粗糙度值很小，所以需要將測(cè)量條件中取樣長(zhǎng)度修改至0.25 mm，將評(píng)定長(zhǎng)度修改至5 L。

(4)將TR200放置在45鋼工件表面上，摁下測(cè)量鍵，保持此狀態(tài)至測(cè)量完成，并將測(cè)量結(jié)果記錄來(lái)。

1.3 表面硬度測(cè)量?jī)x器及測(cè)量過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量45鋼的表面硬度，所用儀器為HR-150A，如圖3所示。

測(cè)量過(guò)程如下[5]：

(1)測(cè)量前用切斷刀將45鋼工件切斷，將切好的試樣放在試臺(tái)上，調(diào)節(jié)度盤，使大指針指“B”點(diǎn)。

(2)在注視指示盤的同時(shí)，升起螺桿至大指針旋轉(zhuǎn)三周后偏離“B”±5 HR范圍內(nèi)時(shí)，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤使大指針對(duì)準(zhǔn)“B”。

(3)施加主實(shí)驗(yàn)力，待大指針靜止后，保持5～10 s將主實(shí)驗(yàn)力卸除。然后讀取45鋼工件表面洛氏硬度值，并將其填入表格中。

(4)降下螺桿，取下45鋼試樣。

(5)試驗(yàn)結(jié)束后用防塵罩將機(jī)器蓋好。

2 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

2.1 主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：壓下量為0.05 mm、振幅為8 μm和加工次數(shù)為2次。主軸轉(zhuǎn)速范圍在220～450 r/min，進(jìn)給量范圍在0.087～0.396 mm/r時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響曲線如圖4所示[6]。

由圖4不難看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在220～450 r/min、進(jìn)給量在0.087～0.396 mm/r范圍內(nèi)，壓下量、振幅和滾壓次數(shù)都相同的情況下，選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速、較小的進(jìn)給量，可以獲得較好的表面粗糙度。在此次試驗(yàn)中我們得到450 r/min的主軸轉(zhuǎn)速和0.087 mm/r的進(jìn)給量可以最大程度地改善45鋼的表面粗糙度的結(jié)論。原因?yàn)椋翰捎幂^低的主軸轉(zhuǎn)速和較大的進(jìn)給量進(jìn)行加工，都會(huì)使45鋼工件表面產(chǎn)生螺紋狀的加工痕跡，加工殘留面積也會(huì)增大，所以表面粗糙度值也會(huì)隨之增大。采用較高的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進(jìn)給量進(jìn)行加工，則會(huì)使45鋼工件單位長(zhǎng)度上的加工次數(shù)增加，加工殘留面積減小，從而減小工件表面粗糙度值[7]。但是，過(guò)高的主軸轉(zhuǎn)速會(huì)使工件產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象，影響其表面加工質(zhì)量，所以要選擇適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速。

2.2 壓下量對(duì)表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉(zhuǎn)速為450 r/min、進(jìn)給量為0.087 mm/r、振幅為8 μm和加工次數(shù)為2次。壓下量范圍在0.02～0.09 mm時(shí)，壓下量對(duì)表面粗糙度的影響曲線如圖5所示。

圖5中，在主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、振幅和滾壓次數(shù)都相同的情況下，45鋼表面粗糙度值隨著壓下量的增大先減小再增大。當(dāng)壓下量≤0.05 mm時(shí)，表面粗糙度值曲線是單調(diào)下降的；當(dāng)壓下量≥0.05 mm時(shí)，表面粗糙度值曲線是單調(diào)上升的。在此次試驗(yàn)中我們得到0.05 mm的壓下量可以最大程度地改善45鋼的表面粗糙度的結(jié)論。原因?yàn)椋寒?dāng)壓下量比較小時(shí)，超聲滾壓工具頭與45鋼表面之間的摩擦力比較大，所以對(duì)其表面損傷更嚴(yán)重一些；適當(dāng)增大壓下量，冷卻液直接進(jìn)入“滾壓”禁區(qū)，導(dǎo)致超聲滾壓工具頭與工件表面之間的摩擦力大幅度的減小，從而得到表面粗糙度值更小的表面質(zhì)量；但是過(guò)大的壓下量，會(huì)使工件表面產(chǎn)生過(guò)大的壓縮應(yīng)力，從而導(dǎo)致金屬疲勞和晶粒破碎，并出現(xiàn)脫皮和“鱗刺”現(xiàn)象。所以要選擇適當(dāng)?shù)膲合铝縖8]。

2.3 加工次數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉(zhuǎn)速為450 r/min、進(jìn)給量為0.087 mm/r、壓下量為0.05 mm和振幅為8 μm。加工次數(shù)范圍在1～6次時(shí)，加工次數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響曲線如圖6所示。

圖6中，在主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、振幅和壓下量都相同的情況下，偶數(shù)次比奇數(shù)次的超聲波滾壓光整加工得到的表面質(zhì)量要好的多。雖然加工4次要比加工2次所獲得的表面質(zhì)量好一些，但是鑒于相差甚微，又考慮到加工效率的問(wèn)題，可以認(rèn)為超聲滾壓加工過(guò)程中，加工次數(shù)為2次可以最大程度地改善45鋼的表面粗糙度。原因?yàn)椋哼m當(dāng)增加加工次數(shù)，可以減小上一道工序加工殘留面積，從而獲得更好的加工質(zhì)量。但是過(guò)多次的加工工件，會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，所以加工次數(shù)不宜過(guò)多。而且與對(duì)工件進(jìn)行單程加工相比，往復(fù)加工能更有效地改善工件表面粗糙度，從而可以獲得更好的加工質(zhì)量[9]。

2.4 振幅對(duì)表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉(zhuǎn)速為450 r/min、進(jìn)給量為0.087 mm/r、壓下量為0.05 mm和加工次數(shù)為2次。振幅范圍在5～12 μm時(shí)，振幅對(duì)表面粗糙度的影響曲線如圖7所示。

圖7中，在主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、滾壓次數(shù)和壓下量都相同的情況下，振幅在5～9 μm之間時(shí)可以獲得更好的表面粗糙度，其中加工振幅為6 μm可以獲得最好的表面粗糙度，也更適合45鋼工件的加工。原因?yàn)椋哼m當(dāng)?shù)脑龃蠹庸ふ穹?，?huì)增強(qiáng)超聲波沖擊對(duì)工件表面的沖擊影響，從而獲得較好的表面加工質(zhì)量。但是加工振幅過(guò)大，會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生過(guò)度沖擊，損傷工件表面，所以要選擇適當(dāng)?shù)募庸ふ穹话阋?～8 μm為宜[10]。

3 加工參數(shù)對(duì)表面硬度的影響

3.1 主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量對(duì)表面硬度的影響

加工參數(shù)選擇如下：壓下量為0.05 mm、振幅為8 μm和加工次數(shù)為2次。主軸轉(zhuǎn)速范圍在220～450 r/min，進(jìn)給量范圍在0.087～0.902 mm/r時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量對(duì)表面硬度的影響曲線如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在220～450 r/min、進(jìn)給量在0.087～0.902 mm/r范圍內(nèi)時(shí)，45鋼工件表面硬度隨著進(jìn)給量的增大而提高，當(dāng)表面硬度到達(dá)最高點(diǎn)后又有所下降(拐點(diǎn)在0.4～0.6 mm/r)，而主軸轉(zhuǎn)速的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律，而且影響也比較小。既然主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面硬度的影響比較小，我們可以近似認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面硬度沒(méi)有影響。考慮到加工效率和實(shí)驗(yàn)的可控性，在此次試驗(yàn)中我們得到350 r/min的主軸轉(zhuǎn)速和0.613 mm/r的進(jìn)給量可以最大程度地提高45鋼的表面硬度的結(jié)論。原因?yàn)椋哼m當(dāng)增大進(jìn)給量，可以加劇45鋼的塑性變形，冷作硬化現(xiàn)象也會(huì)更加嚴(yán)重，這樣就會(huì)使45鋼表面硬度有所提高。但是過(guò)大的進(jìn)給量，會(huì)使超聲滾壓刀具頭與45鋼接觸時(shí)間變短，也會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，這有助于冷作硬化的恢復(fù)，使工件表面硬度有所降低。所以一定要選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量進(jìn)行加工。

3.2 壓下量對(duì)表面硬度的影響

對(duì)45鋼工件的加工工藝參數(shù)設(shè)置為350 r/min的主軸轉(zhuǎn)速、0.613 mm/r的進(jìn)給量、8 μm的振幅和2次加工，壓下量0.02～0.09 mm范圍對(duì)45鋼表面硬度的影響曲線如圖9所示。

由圖9可知，壓下量在0.02～0.09 mm內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、振幅和滾壓次數(shù)都相同的情況下，45鋼表面硬度隨壓下量的增大是單調(diào)上升的。而且在壓下量比較小時(shí)，表面硬度提高速度非?？?；當(dāng)壓下量比較大時(shí)，表面硬度提高速度變得很緩慢，最后基本趨于穩(wěn)定。在此次試驗(yàn)中我們得到0.09 mm的壓下量可以最大程度地提高45鋼的表面硬度的結(jié)論。原因?yàn)椋河捎诩庸み^(guò)程中滾壓力的作用，使冷卻液直接進(jìn)入“滾壓”禁區(qū)，壓下量越大，超聲滾壓工具頭與45鋼表面之間的摩擦力減小的程度就會(huì)越大，溫度下降的越顯著，冷作硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重，加工完的45鋼表面硬度就會(huì)越高。

3.3 振幅對(duì)表面硬度的影響

對(duì)45鋼工件的加工工藝參數(shù)設(shè)置為450 r/min的主軸轉(zhuǎn)速、0.087 mm/r的進(jìn)給量、2次滾壓和0.08 mm的壓下量，振幅對(duì)45鋼表面硬度的影響曲線如圖10所示。

由圖10可以看出，振幅在6～12 μm范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、滾壓次數(shù)和壓下量都相同的情況下，表面硬度隨著振幅的增大基本上是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的，而且表面硬度的提高速度也在加快。由于HKUSM30HSB裝置的振幅只能在5～12 μm范圍內(nèi)正常工作，在此次試驗(yàn)中我們得到的結(jié)論是：12 μm的振幅可以最大程度地提高45鋼的表面硬度。原因?yàn)椋赫穹酱螅瑵L壓力的作用越明顯，冷卻液進(jìn)入“滾壓”禁區(qū)就越多，超聲滾壓工具頭與45鋼表面之間的摩擦力減小的程度就會(huì)越大，溫度下降的越顯著，冷作硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重，加工完的45鋼表面硬度就會(huì)越高。

3.4 滾壓次數(shù)對(duì)表面硬度的影響

對(duì)45鋼工件的加工工藝參數(shù)設(shè)置為450 r/min的主軸轉(zhuǎn)速、0.087 mm/r的進(jìn)給量、12 μm的振幅和0.08 mm的壓下量，滾壓次數(shù)對(duì)45鋼表面硬度的影響曲線如圖11所示。

在圖11中，加工次數(shù)在1～6次范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、滾壓次數(shù)和壓下量都相同的情況下，表面硬度隨著加工次數(shù)的增多呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在此次試驗(yàn)中我們得到加工次數(shù)為6次時(shí)可以最大程度地提高45鋼的表面硬度的結(jié)論。原因?yàn)椋哼m當(dāng)增加加工次數(shù)，可以加劇45鋼的塑性變形，冷作硬化現(xiàn)象也會(huì)更加嚴(yán)重，這樣就會(huì)使45鋼表面硬度有所提高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究和分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)研究了超聲表面滾壓加工各工藝參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量、加工次數(shù)、壓下量及振幅)對(duì)45鋼試樣表面粗糙度的影響規(guī)律。如果工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，45鋼的表面粗糙度值可減小至Ra0.02 μm以下。

(2)對(duì)表面粗糙度要求比較高時(shí)的加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為450 r/min、進(jìn)給量為0.087 mm/r、壓下量為0.05 mm、加工次數(shù)為2次和加工振幅為6 μm。

(3)研究了超聲表面滾壓加工各工藝參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量、加工次數(shù)、下壓量及振幅)對(duì)45鋼試樣表面硬度的影響規(guī)律。如果工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，45鋼的表面硬度值可提高20%以上。

(4)對(duì)表面硬度要求比較高時(shí)的加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為350 r/min、進(jìn)給量為0.613 mm/r、壓下量為0.09 mm、加工振幅為12 μm和加工次數(shù)為6次。

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Influence of ultrasonic rolling and finishing processing parameters on surface roughness and hardness of 45 steel

SONG Jinchun, JIA Zhiqiang, ZHANG Minxin

(School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, CHN)

In order to determine the optimum processing technology parameters of ultrasonic rolling and finishing processing, the auther takes 45 steel as an example to study the influence of processing technology parameters, i.e., spindle speed, feed rate, rolling times and amplitude, on surface roughness and hardness of 45 steel. And according to the usage requirements, this work also gives the reasonable range of the processing parameters. The results of this work show that ultrasonic rolling and finishing processing technology can significantly reduce the surface roughness of the 45 steel workpiece. It can also produce cold-working hardening of different levels on the surface of the workpiece, which significantly increase the surface hardness of 45 steel workpiece. If the processing parameters are selected properly, the surface roughness of the 45 steel can be reduced to 0.02 μm or even lower and the surface hardness can be improved by over 20%.

ultrasonic rolling and finishing; processing parameters; surface roughness; hardness; cold-working hardening

U463.51

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.016

宋錦春，男，1957年生，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電液一體化、流體傳動(dòng)與控制、機(jī)器人等方面的研究工作。

(編輯 李 靜)

2016-04-19)

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