超聲滾壓加工表面微織構(gòu)的研究*

王世杰 鄧建新 孟 瑩 孫 偉

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 濟(jì)南250061)

大量工程實(shí)踐和仿生學(xué)的研究表明，表面織構(gòu)可以賦予零件特殊的表面性能，如改變零件表面的潤濕性，提高摩擦磨損性能[1]等。至今為止已經(jīng)出現(xiàn)了很多種加工表面織構(gòu)的方法，主要包括激光加工[2]、電火花加工[3]、光刻技術(shù)[4]、離子束蝕刻[5]、金剛石微切削[6]和噴丸[7]等，這些方法往往存在著難以保證表面尤其是溝槽內(nèi)部穩(wěn)定質(zhì)量的問題，且大多設(shè)備昂貴，加工要求條件較高。

超聲滾壓是在傳統(tǒng)滾壓加工的基礎(chǔ)上加入超聲振動的一種新型加工方式，在保證了表面高性能的同時也更易于控制，加工表面產(chǎn)生均勻塑性流動，可以形成較為規(guī)則的表面紋理[8]。采用超聲滾壓加工織構(gòu)可以節(jié)約成本，提高表面質(zhì)量與加工效率[9]。為驗(yàn)證這種工藝的可行性，探究其加工效果，本文采用超聲滾壓技術(shù)在試樣表面加工直線溝槽微織構(gòu)，并對比不同工藝參數(shù)對表面特性的影響，選用材料為導(dǎo)軌45鋼，以判斷這種工藝應(yīng)用于機(jī)床導(dǎo)軌的效果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的試樣基體是拋光至鏡面的15 mm×15 mm×5 mm的45鋼塊狀件。采用的超聲滾壓設(shè)備具體組裝如圖1所示，圖中超聲執(zhí)行設(shè)備內(nèi)部包括氣缸，超聲換能器和變幅桿等組成部分。超聲設(shè)備與氣泵為滾壓頭提供一個高頻動載荷與恒定的靜載荷，使表面產(chǎn)生彈塑性變形，晶粒細(xì)化，形成硬化層與殘余應(yīng)力層[10-11]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

加工方法采用直線往復(fù)式加工溝槽織構(gòu)，為保證加工時不會因滾壓球抬起和落下的沖擊導(dǎo)致加工效果受到影響或滾壓球受損，在每道之間滾壓球不離開試樣表面[12]，如圖2a所示，圖中黑色軌跡標(biāo)志3個周期加工路線，圖中一道溝槽由正反兩次滾壓加工而成。

由之前的研究可知，步距與滾珠直徑對表面加工效果有著較大的影響[13-14]。因此，先采用YG6材料的6 mm與8 mm兩種不同直徑滾珠對步距進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，從中選出滾壓形貌較好的參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)研究靜壓力與機(jī)床進(jìn)給速度對表面特性的影響，加工后的表面在光學(xué)顯微鏡下的表征如圖2b所示。超聲振幅固定為7 μm，頻率為28 kHz，可變工藝參數(shù)及其變化范圍如表1所示。

表1 工藝參數(shù)與變化范圍

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1加工參數(shù)對織構(gòu)表面形貌的影響

超聲滾壓加工表面織構(gòu)后，采用白光干涉儀對表面三維形貌進(jìn)行表征，圖3、4展示了6 mm與8 mm直徑滾壓球采用不同步距加工試樣的三維形貌圖。由于超聲滾壓屬于等材加工，加工后的試樣表面織構(gòu)形貌與增減材加工有著較大的差別。由圖3、4可知，隨著滾壓步距增大，表面織構(gòu)并不是簡單深寬變化，也伴隨著總體形貌的改變，織構(gòu)寬度增加的同時兩道較高的主表面峰之間開始出現(xiàn)次級峰谷并發(fā)生著越來越明顯的區(qū)分。其原因與加工軌跡有關(guān)，采用往復(fù)式的加工實(shí)際一次周期為兩次方向相反的滾壓方向加工，因此在一個周期內(nèi)加工方向的不同會導(dǎo)致材料不均勻堆積，使一次往返加工并不能產(chǎn)生理論上相同的加工效果，這也是步距與球半徑會對表面形貌有較大影響的原因。

因超聲滾壓為等材加工，在對表面織構(gòu)形貌進(jìn)行數(shù)值化分析時，不能采用織構(gòu)深度或凸起高度進(jìn)行定義。加工表面總體較為均勻，故任取3個周期，計算輪廓最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值即最大峰谷高度并取平均值來作為織構(gòu)深度(高度)的評判標(biāo)準(zhǔn)。平均峰谷高度隨織構(gòu)寬度變化的趨勢如圖5所示，織構(gòu)寬度為步距的兩倍，即一次往復(fù)周期寬度。加工織構(gòu)整體趨勢是隨著步距增大，平均峰谷高度同步增大，采用6 mm滾壓球加工在織構(gòu)寬度0.3 mm(圖3b)處減少，而8 mm球則在織構(gòu)寬度0.5 mm(圖4d)，0.8 mm(圖4f)處減少。觀察對比圖3a、c和圖4c、e可知，圖3b和圖4d處于次峰即將出現(xiàn)區(qū)分的過渡狀態(tài)，此時表面材料分布變化明顯并趨于均勻，造成了平均峰谷高度的下降。圖4f處的下降則與滾壓球直徑有較大關(guān)系，可以觀察到6 mm球在次峰出現(xiàn)后，表面平均峰谷高度仍在上升，而8 mm球則在一次上升后開始下降。可以判斷6 mm球由于加工時同壓深下較小的接觸面積，對工件表面產(chǎn)生了更大的壓力且兩道加工軌跡之間干涉較小，因此在峰出現(xiàn)區(qū)分后，球的壓深作用仍占主導(dǎo)。而8 mm球則由于同壓深下更大的表面接觸面積，在達(dá)到一定深度后，改變間距對球表面材料的分配影響更大，因此在表面材料分配趨于均勻時平均峰谷高度下降。

對8 mm球滾壓的所有步距試樣進(jìn)行了SEM表征(圖6)，在0.1 mm和0.15 mm的步距下，表面較為平滑，加工更多表現(xiàn)為表面光整效果，在步距增至0.2 mm以上后，表面開始出現(xiàn)較為明顯的織構(gòu)紋理，由圖6c可以看出，0.2 mm步距加工的織構(gòu)形貌表征最為清晰，因此選取能形成穩(wěn)定峰谷織構(gòu)形貌且織構(gòu)較為明顯的8 mm球、0.2 mm步距進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，該條件下加工的單個織構(gòu)形貌如圖7所示，單個織構(gòu)的偏向也說明了單個溝槽內(nèi)正反兩次滾壓的疊加效果。靜壓力單因素實(shí)驗(yàn)采用1 000 mm/min進(jìn)給速度，進(jìn)給速度單因素實(shí)驗(yàn)采用400 N靜壓力。平均峰谷高度隨靜壓力與進(jìn)給速度變化如圖8所示。由圖8a可知，隨著靜壓力增大，平均峰谷高度有下降趨勢，這說明增大的靜壓力使多道滾壓之間的干涉加強(qiáng)，削峰填谷作用變強(qiáng)，織構(gòu)變得不明顯。而進(jìn)給速度(圖8b)對表面形貌的影響與靜壓力有類似之處，進(jìn)給速度較小時，單位面積受到的沖擊就會變多，因此可以類比靜壓力增大的效果，使表面變平滑，而在進(jìn)給速度由1 000 mm/min大幅增加至2 000 mm/min時，單位面積下較少的沖擊次數(shù)無法使金屬得到充分的變形和強(qiáng)化，因此產(chǎn)生了相反的變化。

2.2 加工參數(shù)對表面硬度與彈性模量的影響

為探究超聲滾壓織構(gòu)化對表面的強(qiáng)化效果，采用納米壓痕儀對試樣表面進(jìn)行了測試，得到了載荷-位移曲線，以此為基礎(chǔ)，可以計算得到加工后表面的顯微硬度H與彈性模量E(圖9)，各實(shí)驗(yàn)參數(shù)與硬度及彈性模量匯總于表2(均采用8 mm直徑球進(jìn)行加工)。由圖9a可知，經(jīng)滾壓加工后的表面顯微硬度比未經(jīng)滾壓的工件得到了一定程度的提升。而對比0.2 mm和0.25 mm步距的加工效果，可以發(fā)現(xiàn)彈性模量在0.25 mm步距時產(chǎn)生了大幅下降，說明加工并不能保證表面剛度得到穩(wěn)定提升，而0.25 mm硬度會略低于0.2 mm的原因在于更大的步距使多道滾壓之間的疊加影響降低，強(qiáng)化效果減弱。

由圖9b可知，隨著靜壓力的增加，硬度有著較大幅度的穩(wěn)定上升，而彈性模量沒有產(chǎn)生穩(wěn)定的變化趨勢而是小范圍內(nèi)波動，因此增加靜壓力對表面剛度影響較小。如圖9c所示，彈性模量隨著進(jìn)給速度減小而穩(wěn)定上升，但表面硬度并未隨著進(jìn)給速度減小而保持減小趨勢。相比于其他進(jìn)給速度下加工的試樣來說，200 mm/min進(jìn)給速度下加工表面硬度的提升效果不明顯。這可能是由于在200 mm/min的進(jìn)給速度下表面受到多次沖擊，產(chǎn)生了一定程度的微觀損傷，造成了硬度下降。

表2 不同試樣加工工藝參數(shù)與其顯微硬度H和彈性模量E和塑性指數(shù)H/E

硬度(H)與彈性模量(E)的比值可以定義為塑性指數(shù)(H/E)，它代表了材料的塑性指數(shù)或彈性應(yīng)變能力，可以用來預(yù)測材料的磨損行為[15]。一般H/E值越高，證明材料有著越優(yōu)秀的抗磨損性能。由表2可知，在所有的試樣中，0.2 mm步距，1 000 mm/min進(jìn)給速度，1 000 N靜壓力參數(shù)下加工的試樣表面可能具有最高的耐磨性。

2.3 加工參數(shù)對表面晶相的影響

使用CuKα輻射X射線衍射儀對試樣表面的晶相信息進(jìn)行了鑒定。圖10為各加工參數(shù)試樣的XRD圖譜以及主峰(110晶面)部分放大圖。由圖10a、b可知，隨著靜壓力的增加，衍射峰強(qiáng)度逐漸減小，峰寬增大，這是因?yàn)椴牧显诔暆L壓的作用下，試樣表面層發(fā)生塑性變形，晶粒被拉長而產(chǎn)生細(xì)化[16]。因此隨著滾壓力增大，晶粒細(xì)化程度越來越高。同時，加工也改變了晶體結(jié)構(gòu)，晶面角度的變化能反應(yīng)殘余應(yīng)力的改變，與未加工件對比，400 N時衍射峰向低角度偏移，可見在該靜壓力加工后的試樣表面產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力，而隨著靜壓力增大，衍射峰向右偏移，表面壓應(yīng)力逐漸增大。由圖10c、d可知，進(jìn)給速度對晶相的影響較為復(fù)雜，但可以看出500 mm/min的進(jìn)給速度下晶粒細(xì)化程度最高。

通過謝勒公式結(jié)合衍射峰的半峰全寬(FWHM)可以大致計算出試樣表面的晶粒尺寸[17]，圖11為經(jīng)計算得到的平均晶粒尺寸隨加工參數(shù)變化圖。由圖11a可知，隨著靜壓力增大平均晶粒尺寸下降。圖11b結(jié)合圖10c、d可以看出隨著進(jìn)給速度減小，晶粒尺寸在500 mm/min時驟降，而在達(dá)到200 mm/min時晶粒尺寸反而增大。圖11b的規(guī)律與圖9b相對應(yīng)，可以得出在200 mm/min進(jìn)給速度下，過度沖擊引起的晶粒粗化導(dǎo)致了力學(xué)性能的下降。

4 結(jié)語

(1)對45鋼試樣進(jìn)行了超聲滾壓織構(gòu)化加工，證明了超聲滾壓工藝可以用于加工穩(wěn)定的微織構(gòu)表面。對超聲滾壓加工后的織構(gòu)表面進(jìn)行了三維形貌觀測，證明了步距和滾壓頭直徑對加工后的表面織構(gòu)形貌有較大影響，其中采用8 mm滾壓球0.2 mm步距加工的表面織構(gòu)最為明顯與穩(wěn)定。單因素實(shí)驗(yàn)中，400 N滾壓力和1 000 mm/min能獲得最大的表面平均峰谷高度。

(2)對試樣進(jìn)行了表面硬度和彈性模量測試。超聲滾壓加工可以有效提升表面硬度，改變步距對硬度影響較小。硬度隨著靜壓力增大和進(jìn)給速度降低有提升趨勢，但在進(jìn)給速度減小至200 mm/min時降低。靜壓力對彈性模量影響較小，隨著進(jìn)給速度減小，彈性模量增大。0.2 mm步距，1 000 mm/min進(jìn)給速度，1 000 N靜壓力參數(shù)下加工的試樣具有最高的H/E值。

(3)對試樣進(jìn)行了晶相信息鑒定，證明了超聲滾壓加工對工件表面有晶粒細(xì)化作用。隨著靜壓力的增大，表面晶粒平均尺寸減小。隨著進(jìn)給速度降低，晶粒尺寸減小，在500 mm/min下達(dá)到最小，這與硬度的分析結(jié)果相符。隨著靜壓力的增大，表面殘余壓應(yīng)力有增大趨勢。