超聲滾壓光整加工參數(shù)對45鋼表面粗糙度和硬度的影響

宋錦春 賈志強 張敏鑫

(東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819)

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超聲滾壓光整加工參數(shù)對45鋼表面粗糙度和硬度的影響

宋錦春 賈志強 張敏鑫

(東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 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)(主軸轉速與進給量、加工次數(shù)、下壓量及振幅)對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。研究結果表明：超聲波滾壓光整加工技術能顯著減小45鋼工件的表面粗糙度值，并在工件表面產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，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)對于提高工件的表面質量和力學性能是十分有意義的。影響超聲滾壓光整加工質量的主要工藝參數(shù)有超聲波的頻率和振幅、車床的主軸轉速和進給量、壓下量以及滾壓次數(shù)。各個工藝參數(shù)對超聲滾壓光整加工的加工效果的影響不盡相同，但各個工藝參數(shù)的作用又是又相互關聯(lián)，相互制約的。

超聲波滾壓光整加工結合了超聲波加工和滾壓加工兩者的優(yōu)勢，在很大程度上可以提高被加工工件的表面質量。超聲波滾壓加工的微觀過程見圖1所示[1]。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波頻率電信號被換能器轉換成微小的超聲頻率的機械振動，再經(jīng)過變幅桿的放大，最后作用在超聲滾壓工具頭上，實現(xiàn)超聲滾壓工具頭的往復振動[2]。同時再給工具頭一定的靜壓力，使超聲波振動和靜壓力傳遞到被加工工件表面，使工件表面金屬產生塑性變形，將波峰熨平填充在波谷內，這樣就可以大大改善表面粗糙度，并提高表面綜合力學性能。經(jīng)過試驗證明，表面粗糙度值能減小到Ra0.02～0.08 μm，加工精度可以達到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電科技有限公司生產的HKUSM30HSB毫克能金屬表面加工裝置和大連機床廠生產的C6140A臥式車床，來研究加工振幅、車床主軸轉速和進給量、壓下量以及滾壓次數(shù)等對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用和推廣提供了一定的理論依據(jù)。

1 實驗材料與表面粗糙度測量

1.1 實驗材料

本次超聲波滾壓光整加工試驗所用的實驗材料為φ20 mm的45鋼，其化學成分和力學性能參數(shù)如表1和表2所示[4]。經(jīng)過測量試驗用的45鋼經(jīng)過初次車削加工以后的表面粗糙度為6.3 μm。

表1 45鋼化學成分(質量分數(shù)%)

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

表2 45鋼力學性能參數(shù)

屈服強度/MPa抗拉強度/MPa斷面收縮率/(%)斷后伸長率/(%)硬度/HRB≥355≥600≥40≥1681

1.2 表面粗糙度測量儀器及測量過程

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

(1)測量前將加工好的45鋼工件用質地比較軟的布擦拭干凈。

(2)用螺絲刀擰緊螺釘，將傳感器護套和可調支腳固定在儀器兩端。

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

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

1.3 表面硬度測量儀器及測量過程

本次實驗需要測量45鋼的表面硬度，所用儀器為HR-150A，如圖3所示。

測量過程如下[5]：

(1)測量前用切斷刀將45鋼工件切斷，將切好的試樣放在試臺上，調節(jié)度盤，使大指針指“B”點。

(2)在注視指示盤的同時，升起螺桿至大指針旋轉三周后偏離“B”±5 HR范圍內時，輕輕轉動刻度盤使大指針對準“B”。

(3)施加主實驗力，待大指針靜止后，保持5～10 s將主實驗力卸除。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)試驗結束后用防塵罩將機器蓋好。

2 加工參數(shù)對表面粗糙度的影響

2.1 主軸轉速與進給量對表面粗糙度的影響

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。主軸轉速范圍在220～450 r/min，進給量范圍在0.087～0.396 mm/r時，主軸轉速對表面粗糙度的影響曲線如圖4所示[6]。

由圖4不難看出，當主軸轉速在220～450 r/min、進給量在0.087～0.396 mm/r范圍內，壓下量、振幅和滾壓次數(shù)都相同的情況下，選擇較高的主軸轉速、較小的進給量，可以獲得較好的表面粗糙度。在此次試驗中我們得到450 r/min的主軸轉速和0.087 mm/r的進給量可以最大程度地改善45鋼的表面粗糙度的結論。原因為：采用較低的主軸轉速和較大的進給量進行加工，都會使45鋼工件表面產生螺紋狀的加工痕跡，加工殘留面積也會增大，所以表面粗糙度值也會隨之增大。采用較高的主軸轉速和較小的進給量進行加工，則會使45鋼工件單位長度上的加工次數(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，過高的主軸轉速會使工件產生跳躍現(xiàn)象，影響其表面加工質量，所以要選擇適當?shù)闹鬏S轉速。

2.2 壓下量對表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉速為450 r/min、進給量為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，壓下量對表面粗糙度的影響曲線如圖5所示。

圖5中，在主軸轉速、進給量、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。當壓下量≤0.05 mm時，表面粗糙度值曲線是單調下降的；當壓下量≥0.05 mm時，表面粗糙度值曲線是單調上升的。在此次試驗中我們得到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論。原因為：當壓下量比較小時，超聲滾壓工具頭與45鋼表面之間的摩擦力比較大，所以對其表面損傷更嚴重一些；適當增大壓下量，冷卻液直接進入“滾壓”禁區(qū)，導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量；但是過大的壓下量，會使工件表面產生過大的壓縮應力，從而導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?shù)膲合铝縖8]。

2.3 加工次數(shù)對表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉速為450 r/min、進給量為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，加工次數(shù)對表面粗糙度的影響曲線如圖6所示。

圖6中，在主軸轉速、進給量、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量要好的多。雖然加工4次要比加工2次所獲得的表面質量好一些，但是鑒于相差甚微，又考慮到加工效率的問題，可以認為超聲滾壓加工過程中，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。原因為：適當增加加工次數(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量。但是過多次的加工工件，會對工件表面產生嚴重損傷，所以加工次數(shù)不宜過多。而且與對工件進行單程加工相比，往復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量[9]。

2.4 振幅對表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉速為450 r/min、進給量為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，振幅對表面粗糙度的影響曲線如圖7所示。

圖7中，在主軸轉速、進給量、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。原因為：適當?shù)脑龃蠹庸ふ穹瑫鰪姵暡_擊對工件表面的沖擊影響，從而獲得較好的表面加工質量。但是加工振幅過大，會對工件表面產生過度沖擊，損傷工件表面，所以要選擇適當?shù)募庸ふ穹话阋?～8 μm為宜[10]。

3 加工參數(shù)對表面硬度的影響

3.1 主軸轉速與進給量對表面硬度的影響

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。主軸轉速范圍在220～450 r/min，進給量范圍在0.087～0.902 mm/r時，主軸轉速與進給量對表面硬度的影響曲線如圖8所示。

由圖8可知，當主軸轉速在220～450 r/min、進給量在0.087～0.902 mm/r范圍內時，45鋼工件表面硬度隨著進給量的增大而提高，當表面硬度到達最高點后又有所下降(拐點在0.4～0.6 mm/r)，而主軸轉速的影響沒有明顯的規(guī)律，而且影響也比較小。既然主軸轉速對表面硬度的影響比較小，我們可以近似認為主軸轉速對表面硬度沒有影響。考慮到加工效率和實驗的可控性，在此次試驗中我們得到350 r/min的主軸轉速和0.613 mm/r的進給量可以最大程度地提高45鋼的表面硬度的結論。原因為：適當增大進給量，可以加劇45鋼的塑性變形，冷作硬化現(xiàn)象也會更加嚴重，這樣就會使45鋼表面硬度有所提高。但是過大的進給量，會使超聲滾壓刀具頭與45鋼接觸時間變短，也會產生更多的熱量，這有助于冷作硬化的恢復，使工件表面硬度有所降低。所以一定要選擇適當?shù)倪M給量進行加工。

3.2 壓下量對表面硬度的影響

對45鋼工件的加工工藝參數(shù)設置為350 r/min的主軸轉速、0.613 mm/r的進給量、8 μm的振幅和2次加工，壓下量0.02～0.09 mm范圍對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，主軸轉速、進給量、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上升的。而且在壓下量比較小時，表面硬度提高速度非常快；當壓下量比較大時，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鋼的表面硬度的結論。原因為：由于加工過程中滾壓力的作用，使冷卻液直接進入“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越大，溫度下降的越顯著，冷作硬化現(xiàn)象越嚴重，加工完的45鋼表面硬度就會越高。

3.3 振幅對表面硬度的影響

對45鋼工件的加工工藝參數(shù)設置為450 r/min的主軸轉速、0.087 mm/r的進給量、2次滾壓和0.08 mm的壓下量，振幅對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，主軸轉速、進給量、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范圍內正常工作，在此次試驗中我們得到的結論是：12 μm的振幅可以最大程度地提高45鋼的表面硬度。原因為：振幅越大，滾壓力的作用越明顯，冷卻液進入“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越大，溫度下降的越顯著，冷作硬化現(xiàn)象越嚴重，加工完的45鋼表面硬度就會越高。

3.4 滾壓次數(shù)對表面硬度的影響

對45鋼工件的加工工藝參數(shù)設置為450 r/min的主軸轉速、0.087 mm/r的進給量、12 μm的振幅和0.08 mm的壓下量，滾壓次數(shù)對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，主軸轉速、進給量、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。在此次試驗中我們得到加工次數(shù)為6次時可以最大程度地提高45鋼的表面硬度的結論。原因為：適當增加加工次數(shù)，可以加劇45鋼的塑性變形，冷作硬化現(xiàn)象也會更加嚴重，這樣就會使45鋼表面硬度有所提高。

4 結語

通過上述研究和分析，可以得出以下結論：

(1)研究了超聲表面滾壓加工各工藝參數(shù)(主軸轉速與進給量、加工次數(shù)、壓下量及振幅)對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，45鋼的表面粗糙度值可減小至Ra0.02 μm以下。

(2)對表面粗糙度要求比較高時的加工參數(shù)為：主軸轉速為450 r/min、進給量為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)(主軸轉速與進給量、加工次數(shù)、下壓量及振幅)對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，45鋼的表面硬度值可提高20%以上。

(4)對表面硬度要求比較高時的加工參數(shù)為：主軸轉速為350 r/min、進給量為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。

[1]周航，周旭東，周宛.金屬零件表面滾壓強化技術的現(xiàn)狀與展望[J].工具技術，2009(12)：18-22.

[2]王筱雪.精密閥套內孔超聲研磨加工技術研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[3]王琰.超聲波滾壓光整加工技術的實驗研究[D].沈陽：東北大學，2014.

[4]Bai LiQun, Han JiGuang. Optimum choice of the parameter rolling D75 oil-crock's Inner hole with a press [J]. Machine Building & Automation, 2003(3): 20-23.

[5]左新建.HR—150A洛氏硬度計常見故障及排除[J].中國計量，2014，23：62.

[6]馮平法，鄭書友，張晶晶．功率超聲加工關鍵技術的研究進展[J]．制造技術與機床，2009(5)：57-61．

[7]周錦進，方建成，徐文驥．光整加工技術的研究與發(fā)展[J]．制造技術與機床，2004(3)：7-11．

[8]曹鳳國.超聲加工技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004:1-5，75-94.

[9]鄭文虎.精密切削與光整加工技術[M].北京： 國防工業(yè)出版社，2006：175-187.

[10]韓立發(fā)，屈盛官，夏偉．滾擠壓加工對顆粒增強金屬基復合材料表面粗糙度的影響[J]．機床與液壓，2007，35(6)：19-21．

[11]Hsu C Y，Lin Y Y，Lee W S，et a1．Machining characteristics of Inconel 718 using ultrasonic and high temperature aided cutting[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 198: 325-350．

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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，工學博士，博士生導師，主要從事機電液一體化、流體傳動與控制、機器人等方面的研究工作。

(編輯 李 靜)

2016-04-19)

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