超声振动表层强化技术研究现状及展望_张彪.pdf
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1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:张 彪,王晓强,田英健,等.超声振动表层强化技术研究现状及展望 J.塑性工程学报,2023,30(2):16-25.ZHANG Bi-ao,WANG Xiaoqiang,TIAN Yingjian,et al.Research status and prospect of ultrasonic vibration surface strengthening technology J.Journal of Plastic-ity
2、 Engineering,2023,30(2):16-25.基金项目:国家自然科学基金资助项目(U1804145);国家重点研发计划(2018YFB2000405)通信作者:王晓强,男,1972 年生,博士,教授,主要从事超声振动表面强化研究,E-mail:wang_xq2002 第一作者:张 彪,男,1997 年生,硕士研究生,主要从事超声振动表面强化研究,E-mail:zhang_b2020 收稿日期:2022-04-04;修订日期:2022-11-03超声振动表层强化技术研究现状及展望张 彪,王晓强,田英健,王浩杰,付浩然,曹丽茹(河南科技大学 机电工程学院,河南 洛阳 471003)摘
3、 要:阐述了超声振动滚压技术对工件的表层强化原理,对超声振动滚压技术表面强化的研究现状进行了总结,指出了现阶段超声振动滚压技术表面强化研究的发展方向。依据超声振动滚压技术的研究思路,对超声振动喷丸技术进行了论述。介绍了超声振动表面强化与其他技术的复合强化原理及研究现状。对超声振动表层强化技术的发展方向进行了展望,包括向绿色可持续方向发展、超声强化与其他技术复合和创建工艺参数与强化效果之间的数据库。总结了当前超声振动强化技术及超声振动复合强化技术的研究。关键词:表面强化;超声滚压;超声喷丸;超声振动复合强化技术中图分类号:TG115 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-
4、0016-10doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.002Research status and prospect of ultrasonic vibration surface strengthening technologyZHANG Biao,WANG Xiao-qiang,TIAN Ying-jian,WANG Hao-jie,FU Hao-ran,CAO Li-ru(School of Mechanical Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,C
5、hina)Abstract:The principle of workpiece surface strengthening by ultrasonic vibration rolling technology was described,the research statas of surface strengthening by ultrasonic vibration rolling technology was simmarized,and the development direction of surface strengthening re-search by ultrasoni
6、c vibration rolling technology at the present stage was indicated.According to the research idea for the ultrasonic vibra-tion rolling technology,the ultrasonic vibration shot peening technology was discussed.The strengthening principle and researches status of composite process of ultrasonic vibrat
7、ion surface strengthening and other technologies were introduced.The development direction of ultra-sonic vibration surface strengthening technology was prospected,including green and sustainable development,the combination of ultrasonic strengthening with other technologies,and the establishment of
8、 database between process parameters and strengthening effect.The current re-searches on ultrasonic vibration strengthening technology and ultrasonic vibration composite strengthening technology were summarized.Key words:surface strengthening;ultrasonic rolling;ultrasonic shot peening;ultrasonic vib
9、ration composite strengthening technology 引言材料的表层性能主要包含以下两个方面:一是材料的缺陷,主要指材料的表面粗糙度和裂纹及凹痕等;二是材料的显微组织、表层硬度和残余应力等。随着技术的发展,工件的使用朝着更高精度、更长使用寿命和更高疲劳强度的方向发展,但传统的机械表层强化工艺(如滚压1和喷丸2)会对工件产生一定强化效果,但存在局限性,如达不到表面粗糙度和硬度要求,甚至可能存在严重表层应力变形3,从而达不到工件工作的表层性能要求。超声振动表层强化技术将超声振动引入传统表层强化技术,使传统表层强化技术获得规律的振动冲击,工件表层获得一定塑性变形以达到强
10、化工件表层性能的目的。超声振动表层强化技术具有改变工件表层硬度和残余应力、降低表层粗糙度、减小工作装置与工件的摩擦、延长工件的使用寿命以及大幅提升常规装置的潜力等优点4-6。超声振动表层强化技术因其优越的加工性能而在机械工业中得到广泛应用,主要包括超声滚压、超声喷丸,并且将超声振动表层强化技术与其他特种加工技术相结合,逐渐发展出超声滚压-激光脉冲、超声滚压-电火花沉积等多复合加工技术。在提升工件的表层性能方面解决了许多关键问题,取得了良好的效果,超声振动表面强化技术的发展如图 1 所示。本文首先针对超声振动滚压技术和超声振动喷丸技术技术的原理展开论述,在此基础上对不同超声强化表层工艺的研究现状
11、进行总结,论述复合技术对工件表层的强化机理;针对超声振动表层强化工艺与非传统工艺相结合的复合工艺展开论述;最后对超声表面强化技术的发展进行展望。图 1 超声振动表面强化技术的发展Fig.1 Development of ultrasonic vibration surface strengthening technology1 超声振动强化技术研究现状1.1 超声振动滚压技术超声振动滚压技术是一种将传统滚压与超声振动技术相结合的复合加工工艺,在工件表面强化中得到了广泛使用。其原理是在常温下通过超声发生装置给予滚压头一定的超声振动,同时滚压头给予工件表面一定的静压力,使得工件表层发生冷作硬化。由
12、于超声振动的存在,滚压头会对工件表层进行连续冲击,使工件表层产生一定的塑性变形,从而提升工件的表层性能。超声振动滚压加工原理如图 2 所示14,图中 n 为工件转速,F 为静压力,vf为超声振动滚压头进给速度,A 为振幅。超声振动滚压技术对工件表层性能影响的研究主要通过实验和软件仿真。两种研究方法均是针对工艺参数与工件表层强化效果之间的关系。众多学者研究并证明了超声振动滚压技术处理后工件表层性能远远优于传统滚压技术。许全军等7使用超声振动滚压技术对45 钢加工后,发现工件的屈服强度提高了 83.3%,加工硬化指数降低了68.3%。柳阳等8在合金表层添加一层 Al2O3粉末,经过超声滚压后,试样
13、的表层形成一层厚度约为图 2 超声振动滚压加工原理示意图14Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic vibration rolling processing principle147 m 的薄膜,使得基体粗糙度降低 50%,硬度提高 98%。进给量大小会影响工件的表层硬度。王晓强等9使用 Defrom-2D 软件建立了轴承套圈的仿真模型,针对进给量对工件表层性能进行了研究,如图3 所示,发现进给量越大,硬化层深度越薄,从而降低了工件表层硬度。进给速度也会对工件的表层粗糙度产生影响。SATTARI S 等10使用超声振动滚压对 Al-3vol%SiC71 第
14、2 期张 彪 等:超声振动表层强化技术研究现状及展望图 3 超声振动滚压加工进给量对表层硬度的影响9Fig.3 Influence of ultrasonic vibration rolling processing feeding amount on surface hardness9材料进行表面强化时发现,降低进给量可提高工件的表层粗糙度和提升表层硬度。王晓强等11使用Deform 有限元软件对 42CrMo 材料进行了超声振动滚压研究,发现表面粗糙度随着进给量增大而提高,如图 4 所示。图 4 超声振动滚压加工进给量对粗糙度的影响11Fig.4 Effect of ultrasonic
15、vibration rolling processing feeding amount on roughness11进给量影响硬化层厚度,硬化层厚度又对表层残余应力存在影响。WU D 等12使用超声振动滚压对航空发动机叶片的表层性能进行了研究,发现超声振动滚压后工件的表层残余应力随着硬化层厚度的增加而减小。进给量大,工件表面受到的冲击和挤压不均匀,甚至出现加工跳跃,致使工件表层材料变形不均匀、不充分,加工硬化部分材料出现硬度和粗糙度的增加。静压力大小也会影响工件侧表层残余应力。BOZDANA A T 等13对 Ti-6Al-4V 薄壁工件实施了多种表面强化技术,发现相对于传统滚压技术,超声滚压
16、技术采取低静压力即可对工件表层完成塑性变形。焦锋等14使用 ANSYS 软件对 12Cr2Ni4A 齿轮钢外圆建立了有限元模型,发现随着超声振动滚压加工静压力的增大,工件表层的残余压应力也呈正比增大,如图 5 所示。ZHANG Y L 等15通过调整静压力的大小对工件进行超声振动滚压实验,发现随着超声振动滚压静压力的增大,工件表层的粗糙度逐步降低,如图 6 所示。静压力的增加会增大工件表层的塑性应变能、塑性变形长度、晶粒细化程度以及位错密度,使得工件表层形成致密的残余应力层。图 5 超声振动滚压加工静压力对残余应力的影响14Fig.5 Effect of static pressure of
17、ultrasonic vibration rolling processing on residual stress14部分学者进行了超声振动滚压技术对工件疲劳性能和使用寿命的影响研究。马梦阳等16使用超声滚压技术对 C53 钢材料的接触疲劳性能进行了研究,发现经过超声滚压加工,C53 钢的表层各方面性能均得到一定程度的提升,表层硬度提升了77.7 HV,表层残余压应力提升-1109.8 MPa;同时发现,针对 C53 钢材料,当静压力为 600 N 时,该材料的抗疲劳性能提升最显著。孙鑫等17对A100 钢螺纹在超声振动滚压后的牙根部分的表层性能进行了研究,发现表层残余应力提升了 70%,表
18、层硬度提高了 14%,表层粗糙度降低了 51%,在600 MPa 的应力条件下,螺栓的使用寿命提高 5 倍。超声滚压技术对工件的表层强化,主要是对工件表层的微观重塑。工件表层受到均匀冲击,在一定程度上纠正晶粒的位错且产生明显晶界。在连续的冲击作用下,可以增加表层的残余应力,改变表层硬度,压平表层凸起峰,填满表层凹谷。采用超声振动滚压表面强化技术可以对多种塑性材料展开表面强化工作,对于薄壁工件具有适用性。但针对硬脆性材料的研究较少。科研人员可针对不同硬脆性材料的表层强化展开一定研究。1.2 超声振动喷丸技术超声振动喷丸是一种将传统喷丸与超声技术结合的复合表面强化工艺,是材料表层性能提升的一个新研
19、究方向。超声振动喷丸的原理为将撞针或喷81塑性工程学报第 30 卷图 6 静压力对表面微观组织的强化15(a)600 N(b)800 N(c)1000 N(d)1200 NFig.6 Strengthen of static pressure on surface microstructure15丸室里的喷丸与超声振动工作装置相连接,通过超声振动工作装置上的撞针或喷丸对工件表层进行连续撞击,使得工件表层产生塑性变形18-20,如图 7所示21。超声喷丸可使工件表层的微观组织发生一定改变,以降低工件的表层粗糙度,提升表层硬度,提升表层残余应力,并且具有喷丸后工件的表层残余应力可以提高裂纹闭合效应
20、等实用强化工件表层性能优点22。ZHANG Q 等23和刘辉等24通过开展超声振动喷丸(Ultrasonic Shot Peening,USP)与传统喷丸(Conventional Shot Peening,CSP)的对比实验,验证了超声振动喷丸技术优于传统喷丸技术。ZHANG Q 等23发现在相同的工艺参数下,CSP 处理比 USP处理的表面粗糙度更高,表面缺陷更多,表面和最大残余压应力更高。相比之下,CSP 处理样品的CRS 深度相对较低,如图 8 所示。刘辉等24发现在两种喷丸工艺参数相同时,超声振动喷丸残余应力的深度达到 0.16 m,传统喷丸只有 0.08 m,且图 7 超声喷丸加工
21、原理示意图21Fig.7 Schematic diagram of ultrasonic shot peening21超声喷丸后试样的表层粗糙度比传统喷丸低。91 第 2 期张 彪 等:超声振动表层强化技术研究现状及展望图 8 超声喷丸与传统喷丸处理后工件表层微观组织23(a)传统喷丸后阿尔门高度达到 0.2(b)传统喷丸后阿尔门高度达到 0.3(c)超声喷丸后阿尔门高度达到 0.2(d)超声喷丸后阿尔门高度达到 0.3Fig.8 Surface microstructure of workpiece after ultrasonic shot peening and traditional
22、shot peening23(a)Almen height reaches 0.2 after traditional shot peening(b)Almen height reaches 0.3 after traditional shot peening(c)Almen height reaches 0.2 after ultrasonic shot peening(d)Almen height reaches 0.3 after ultrasonic shot peening喷丸时间对表层粗糙度产生影响。FENG Y等25采用超声喷丸对不同粗糙度的 S355 钢试样进行实验,发现超声喷
23、丸后对试样引入了折叠缺陷,超声喷丸时间和试样表层粗糙度决定了试样折叠缺陷的程度。经过优化超声喷丸工艺后,试样的疲劳寿命是未超声喷丸试样的两倍。过长的加工时间又会使得试样的疲劳寿命降低,甚至低于未超声喷丸试样。KUMAR P 等26发现超声喷丸持持续时间超过 30 s 会导致耐蚀性恶化,这是由于过度塑性变形导致粗糙度增加和局部开裂。针对不同的材料,适宜的喷丸时间并不相同,过短或过长的喷丸时间都可能导致工件表层强化效果甚微。喷丸热处理对工件表层性能产生影响。张聪慧等27使用超声喷丸技术对 350 不同时长下的 TC4展开了研究,结果表明,随着热处理时间的增加,工件的表层残余应力逐渐减小,但过长的热
24、处理时长会使工件表层产生多源裂纹。喷丸数量会影响表层强化效果。ROUSSEAU T等28对 INCONEL 690 试样进行超声振动喷丸时发现丸粒数量对试样被强化深度及残余应力的影响较大,丸粒数量与试样的表层性能呈现正比。喷丸强度对工件表层性能产生影响。XU Q等29采用不同强度的喷丸对 TC2 材料加工,发现喷丸强度越大,工件表层的粗糙度越高,表层硬度越高,如图 9 所示。图 9 喷丸强度对表层硬度的影响29Fig.9 Effect of shot peening strength on surface hardness29ZHU L 等30采用超声喷丸方法在纯钛表面制备了纳米晶体-非晶体混
25、合层,发现纳米晶体-非晶体混合层中的非晶化率随着喷丸时间、喷丸直径和超02塑性工程学报第 30 卷声电极振幅的增加或喷丸距离的减小而不断增加。实现的最大非晶化率为 44.09%。随着非晶化率的增加,表面硬度不断增加。VASYLYEV M A 等31在空气中对 Ti6Al4V 材料进行了超声喷丸工艺,发现一层厚度约为 12 m 的非晶态混合物氧化层,氧化层厚度随着时间增加在一定程度上提高了试样的表层性能。YIN F 等32-33采用超声振动喷丸工艺在纯铜表面成功制备了厚度约为 70 m 的纳米晶表面,发现表层硬度比粗晶材料提高了 30%,强化表面层的厚度约为 400 m,并对纯铜表面纳米化过程中
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