纵扭超声滚压6061铝合金的表面粗糙度与微观形貌_吴豪琼.pdf

书书书纵扭超声滚压 铝合金的表面粗糙度与微观形貌吴豪琼，高志强，张智源（河南工学院 机械工程学院，河南 新乡 ）摘要：为探索提高铝合金表面加工质量的方法，将二维纵、扭超声引入常规滚压中，形成一种新的加工技术。首先使用理论和仿真结合的方法设计制造纵、扭超声变幅杆并验证；然后将换能器、变幅杆、工具头和超声波发生器集成得到二维超声滚压加工装置。以棒料铝合金 为毛坯进行正交超声滚压试验，结果表明：超声滚压得到的工件表面粗糙度值相比较常规滚压最高减小了 ，并且其表面微观形貌更好；随着静压力增大表面粗糙度值呈现增大趋势，随着转速增大表面粗糙度值呈现总体增加趋势，随着进给量增大表面粗糙度值呈现总体减小趋势。关键词：纵扭谐振；超声；正交；滚压试验中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）铝合金 具有中等强度、抗腐蚀性好、加工性能和焊接氧化效果好等特点，在对强度和抗蚀性有要 求 的 制 造 领 域 有 着 广 泛 的 应 用。但 铝 合 金 在加工过程中，由于其表面容易局部疲劳磨损，从而常导致过早失效，影响使用性能。在常规表面强化技术中引入高频超声振动已经成为表面改善技术研究的新方向，如超声挤压、超声喷丸和超声滚压等一维超声表面强化技术，都具有细化表面晶粒、降低表面粗糙度和提高表面显微硬度的效果，且加工效果都优于常规表面加工技术，但在表面加工技术领域引入二维超声振动的研究还相对较少，所以本文将二维纵、扭超声振动引入常规滚压加工技术并进行相关的试验研究。纵、扭二维超声滚压加工技术（以下简称超声滚压）是在常规滚压过程中对工具头滚轮（如图所示）施加纵向和扭转两个方向的超声振动，以获取更好的表面加工质量。纵向高频振动不仅可以修复错乱的晶格实现金属纳米化，而且还可以对工件表面产生残余压应力以提高工件表面的显微硬度；扭转振动使工具头反复挤压工件表面以实现光整加工，从而降低工件表面的粗糙度值，同时改善工件表面的微观形貌。图纵扭超声滚压加工原理纵扭超声声学系统设计 半波长阶梯形变幅杆设计根据一维波动理论，忽略横向振动，在简谐振动情况下变截面变幅杆纵向振动的波动方程为：（）式中，为变截面杆质点位移函数，（）；为杆的横截面积函数，（）；为圆波数，；为圆频率；为纵波在细棒中的传播速度，（）；为弹性模量；为变截面杆材料的密度。图为阶梯形变幅杆尺寸，设大端直径为、长度为、截面积为，小端直径为、长度为、截第 卷第期 年月河南工学院学报 收稿日期：基金项目：河南省科技攻关项目（，）；河南省高校重点科研项目计划项目（）第一作者简介：吴豪琼（），男，河南新乡人，讲师，硕士，主要从事超声加工研究。面积为，变幅杆总长，根据式（）可确定阶梯形变幅杆纵向振动的频率方程、放大系数和位移节点分别如式（）（）（）所示 ：（）（）（）（）（）假设（为波长）时，则可以推出 ，（），。根据一维纵向振动理论设计半波长圆截面阶梯形变幅杆，材料选择 钢，密度 ，杨氏模量 ，泊松比为 ，由大端 ，小端 均匀杆组成，设定工作频率 ，可以计算得到 。图阶梯形变幅杆 变幅杆圆环带斜槽传振杆设计在圆环传振杆中以角入射纵波，将会分别以反射角射出纵波和以反射角射出横波，反射纵波和反射横波都与变幅杆的轴线成夹角，在轴向与径向都可分解出两个分量：轴向的分量之和可实现纵向振动，径向的分量之和可实现扭转振动（如图所示）。综上所述，在阶梯变幅杆输出端增加一段传振杆就能实现纵、扭超声振动，根据理论计算和仿真分析最终得到变幅杆尺寸如图所示：变幅杆大端 ，；小 端 ，；传振杆 ，壁厚；斜槽数目，倾角 ，斜槽长 、宽；斜槽中心距小端 。变幅杆最终尺寸的模态仿真阵型如图所示：在 时变幅杆输出端纵向和扭向同时发生振动且振型较好。图传振杆扭振原理图图斜槽圆环传振杆的阶梯形变幅杆结构图变幅杆纵扭复合振动振型图 变幅杆阻抗与振幅测试根据仿真结果加工变幅杆，如图（）所示，使用 阻抗分析仪对变幅杆和 换能器集成的声学系统进行阻抗分析，其谐振频率为 ，与仿真结果相近。（）阻抗测试现场（）阻抗测试结果图变幅杆阻抗测试使用 传感器、电荷放大器、数据采集卡和计算机集成制作超声振幅测试系统（如图所示），对变幅杆小端进行多点振幅测量：将传感器对准变幅杆小端的端面圆周方向，每隔 设置河南工学院学报 年第期个焊点，进行扭向振幅测量，求平均值获得扭向振动的振幅为 ；将传感器对准变幅杆小端面进行多次纵向振幅测试，求平均值获得纵向振动的振幅为 。图变幅杆振幅测试现场超声滚压系统装配为同时实现滚压和扭转，执行工具头采用球面圆柱椭圆体结构（如图所示）：厚度，滚动中心孔，滚压面 。高频振动要求工具头具有高强度、耐冲击和耐磨等特性，选，择硬质合金 作为制作材料，性能见表。工具头与变幅杆联结方式采用销钉过盈配合，与换能器、专用夹具集成得到了纵、扭超声滚压加工装置（如图所示）。表 硬质合金材料的性能牌号硬度 抗弯强度 冲击韧性 （）密度（）图工具头图超声滚压试验装置试验研究 试验设计 试验条件工件：铝合金 棒料，直径 ，长度 ；采 用进 给 量 ，转速 的参数进行车削加工，棒料直径减少为 。试验装置：普通车床 ，将试验装置固定在车床刀架上（如图），超声波发生器额定频率设为 。图 纵、扭超声滚压加工试验现场 粗糙度值测量采用接触式测量法：用 型便携式粗糙度测量仪（如图 所示）对超声和常规滚压加工的铝棒表面沿圆周方向进行多点粗糙度值测量，求出平均值得到最终的。图 便携式粗糙度测量仪 试验方案试验以表面粗糙度作为评价标准，以工具头预压力、工件转速和进给量三个工艺因素作为试验参数，进行正交试验，试验水平见表。打开超声波发生器可进行超声滚压试验，关闭超声波发生器可进行常规滚压试验。表试验因素水平表因素水平预压力（）车床转速（）进给量（）吴豪琼，等：纵扭超声滚压 铝合金的表面粗糙度与微观形貌 试验结果分析试验结果见表，在相同的工艺参数下，相对普通滚压加工纵、扭超声滚压加工获得的表面粗糙度值更小；采用极差分析法探索超声滚压工艺参数对表面粗糙度值的影响规律，结果如图 所示。表试验方案及试验结果试验号预压力（）车床转速（）进给量（）粗糙度（）超声常规 均值 极差 影响主次优选方案，（）（）（）图 超声滚压工艺参数对表面粗糙度的影响规律从图（）中可以看出随着静压力增大工件表面粗糙度值呈增大趋势。当静压力较小时适当增大静压力可以改善工件表面质量，但随着静压力逐渐增大，滚轮与工件表面之间的挤压加剧，导致工件表面的粗糙度值呈增大趋势。从图（）中可以看出随着转速的增加表面粗糙度值呈现总体增大的趋势，较低的转速可以保证工件在圆周方向上被均匀加工，随着转速的提高圆周方向上加工频率提高，会出现局部未加工的现象，从而导致工件表面粗糙度值增大。从图（）可以看出随着进给量的增加表河南工学院学报 年第期面粗糙度值呈现总体减小的趋势，进给量的大小决定了工件在轴向上被加工的连续程度，进给量较小时适当增大进给量，可以减小工件表面粗糙度值，但随着进给量持续增加表面粗糙度值将会因为出现未加工表面而增大。表面微观新貌分析为分析纵、扭超声滚压对铝棒表面形貌的影响规律，使用三丰 工具显微镜对工件表面的二维微观形貌进行观察，结果如图 和图 所示，其中图 为普通车削（，）加工后的表面形貌，材料表面存在明显的、取向一致的加工刀痕。图 普通车削表面形貌（）超声滚压（）常规滚压（，）（）超声滚压（）常规滚压（，）（）超声滚压（）常规滚压（，）图 超声与常规深滚表面微观形貌对比图 和图 工件表面形貌，可以看出超声和常规滚压过的工件表面相比普通车削过的工件表面形貌更加细密光滑。滚压使表层产生一定深度的剧烈塑性变形，导致表层晶粒被挤压拉长，从而使形貌得了到改善。对比图 中的（）组和（）组工件表面微观形貌，可以看出常规滚压过的表面明显存在方向一致的滚痕，而超声滚压加工的表面只有轻微的滚痕。纵振可使表层发生塑性流动，塑性流动可将工件表面微观波峰压平并填入波谷；扭振使工具头反复挤压工件表面，使工件表面得到抛光效果，从而表面微观形貌得到改善。结论（）先进行理论计算设计，然后使用有限元法进行辅助设计，可作为变幅杆设计的一种参考方法。（）在所选工艺参数范围内对加工表面粗糙度值的显著影响因素进行排序：依次是工具头预压力吴豪琼，等：纵扭超声滚压 铝合金的表面粗糙度与微观形貌，工具头进给量和主轴转速。（）在所选工艺参数范围采用极差分析法得到最优工艺参数为：，。（）相对常规滚压，纵、扭超声滚压技术能更有效地减小铝合金表面粗糙度值并改善其表面微观形貌。（责任编辑吕春红）参考文献：李桓，徐光霈，张宇辉，等 异种铝合金焊接接头组织与性能相关性焊接学报，（）：王涛，尹志民 高强变形铝合金的研究现和发展趋势稀有金属，（）：郑建新，罗傲梅，刘传绍 超声表面强化技术的研究进展制造技术与机床，（）：，：李礼，朱有利，吕光义超声深滚降低 钛合金表面粗糙度和修复表面损伤的作用稀有金属材料与工程 ，（）：，（）：，（）：，：，：，：林仲茂超声变幅杆的原理和设计北京：科学出版社，郑建新，侯雅丽 阶梯形变幅杆数值设计研究 机械设计，（）：，（，）：，：，：；河南工学院学报 年第期