超声表面强化技术的研究进展*

郑建新 罗傲梅 刘传绍

（河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454003）

磨损、腐蚀和疲劳是机械零件失效的主要形式。各类机械装备中承受动载荷的重要承力件因磨损、腐蚀和疲劳而造成设备寿命短、能耗高，由此每年给我国带来上千亿元的经济损失［1］。采用表面强化技术，可使零件表层产生残余压应力、冷作硬化并减小表面粗糙度值，进而提高零件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度，已在航空、汽车工业和矿山机械等诸多领域得到广泛应用。

表面强化技术是采用机械加工、化学热处理和表面涂覆等工艺对零部件表面进行处理，使零部件表面获得与基体材料不同的组织结构和性能。按强化原理主要分为化学热处理、表面涂覆处理和表面形变强化等几大类。在各类里面又可以根据工艺特点、物理现象等的不同分为很多具体的工艺技术形式，如表面形变强化又可分为喷丸、滚压和内孔挤压等［2］。

随着超声加工技术的发展，将超声频振动引入到表面强化工艺中，即进行超声表面强化，已成为表面强化技术发展的新方向。超声表面强化技术是在传统的表面强化工艺基础上施加超声频振动，实现超声加工技术和传统表面强化技术的优势互补，达到优良的强化效果，并提高了效率。超声表面强化技术较好地解决了部分机器零部件的磨损、腐蚀和疲劳难题，特别是在低刚度零件如薄壁/薄板零件和细长轴的表面强化方面，取得了很好的应用效果。

超声表面强化技术种类多、应用广，本文简要介绍几种比较成熟的超声表面强化工艺的研究进展，包括超声喷丸、超声挤压、超声滚压和超声振动辅助电火花脉冲放电等。

1 超声喷丸

超声喷丸（Ultrasonic Shot Penning）是利用超声波的高频冲击载荷对金属表面进行高速重复冲击，在金属表面产生较深的残余压应力层和硬化层，进而明显提高金属零件的强度、耐腐蚀性和疲劳寿命。

喷丸可追溯到1927年Herbert发表的《钢的表面强化》，我国于上世纪50年代引入喷丸技术。喷丸撞击动能有限，产生残余压应力层的深度较浅，且喷丸通常会增大零件的表面粗糙度值，超声喷丸则克服了这些缺陷。超声喷丸技术可以产生更大、更深的残余压应力层，且操作方便，无污染，主要应用于航空航天、国防工业、汽车制造业和核电厂等，特别适合于对蒙皮较厚的焊接机身整体壁板的喷丸校形，如空客公司采用超声喷丸对焊接机身壁板实现了喷丸校形［3］。

张新华等人［4］对7075－T651铝合金进行超声喷丸处理，发现处理后材料表面粗糙度值仅为普通喷丸后的35.5%，而最大残余压应力增大了31.9%，表明超声振动对表面粗糙度和残余压应力影响显著。刘海英等人［5］用有限元分析方法对超声喷丸过程进行数值仿真，结果表明残余应力层深度和残余应力大小随丸粒直径和密度的增大而增大。

因超声喷丸强化过程中涉及的参数主要有处理时间、丸粒量、工具头振幅、工件移动或转动速度等，受控因素少且可精确控制，喷丸后金属材料表面易实现纳米化，目前已在铜、不锈钢、纯钛、铁和低碳钢等表面制备纳米尺寸晶体。超声喷丸技术使金属材料表面纳米化已成为研究热点［6－8］。冯淦等人在普通20钢表面成功制备出约10 μm厚度的纳米结构层，且表层晶粒尺寸约为10 nm;N.R.Tao等人在纯工业铁板表层也获得约10 nm的超细晶粒;Bohdan等人在不锈钢和钛合金表层均制备出厚度达10～15 μm的纳米晶体层，且α－钛合金表层晶粒尺寸最精细，不到10 nm。超声喷丸处理使试件表面产生细致均匀的纳米晶体结构，残余压应力和加工硬化也相对增大，这些因素都促使试件疲劳强度的提高。

超声喷丸强化系统主要由超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、振动工具头和喷丸室等部分组成，其中变幅杆的设计较为关键。王翠英等人［9］用解析法设计了级联式变幅杆，并借助ANSYS软件研究了其动力学特性，得到级联式变幅杆比单一变幅杆具有更大的振幅放大比，为新型变幅杆的设计、校核和分析提供了新的途径。法国SONATS公司于1996年开始超声喷丸技术研究，1999年在第7届国际喷丸会议上首次展示了超声波喷丸强化设备，并于同年在航空航天工业得到应用［10］。该公司开发的便携式超声喷丸强化设备在薄壁零部件的成形和校形以及大型零部件强化处理方面发挥了重要作用，如现场进行焊接机身整体壁板的校形、对核设施等一些难于拆卸的大型零部件强化等，这些功能通常是传统的喷丸强化设备无法实现的。南京航空航天大学也自主研制成功了超声喷丸装置［11］。

超声喷丸强化技术已经发展了一段时间，积累了一定数量的研究成果，但超声喷丸机理以及一些关键技术如超声喷丸强化过程中的力学模型构建、喷丸工艺参数优化等的研究仍是当前研究重点和热点。

2 超声振动挤压

超声振动挤压（Ultrasonic Extrusion）是工具头在预压力和高频纵向冲击力的作用下撞击工件表面，使工件表面的微观峰谷被压平，同时表层金属产生塑性变形强化，形成压应力，进而提高零件表面耐疲劳强度。有研究者提出的为超声波辅助抛光或无磨粒超声抛光其加工机理与超声振动挤压基本相同［12－14］。超声振动挤压可获得普通挤压加工和超声喷丸的综合效果，挤压过程平稳、作用力小、工件受力均匀，且改善了工具头与工件间的摩擦状况，在车辆、船舶制造业、航空航天、建筑和精密电子等行业获得广泛应用，尤其适合于常规挤压难达到要求的薄壁、细长类工件的强化加工。

超声振动挤压强化效果受挤压力、挤压速度、进给量、挤压次数、工具头球面半径、振动频率与振幅等工艺参数的影响。王义等人做了较系统的研究，其研究成果表明［15］:挤压力影响作用最显著，挤压速度和进给量对强化效果影响较小，工具头振幅大约在5～8 μm之间时，超声振动挤压强化效果较好。Mousavi等人［16］引入有限元分析方法来研究超声挤压过程，发现超声振动挤压可降低挤压力和材料屈服应力，但对材料塑性应变影响不大;相对于振幅，振动频率对挤压力的影响不大;工具与工件之间的摩擦对纵向振动影响很大。郑建新等人［13－14］采用正交试验法对45钢轴件进行无磨粒超声抛光工艺试验，结果表明进给量增大，表面粗糙度值增大;工具头半径、预压力和超声波发生器的输出功率对表面粗糙度的影响曲线为驼峰曲线。

在超声振动挤压装置研究方面，最初的振动挤压装置采用整体式或焊接式结构的工具头，变幅杆常是单一结构;而新型的超声振动挤滚压装置的工具头则设计成可转动的滚柱结构，改滑动挤压摩擦为挤滚压式滚动摩擦，其实质已类似于超声滚压，而变幅杆采用两段或多段组合的复合变幅杆，工具头与变幅杆之间常用螺纹连接［17］。

超声振动挤压技术发展较快，研究成果丰富，但尚有些问题需要进一步探索研究，如基于挤压工具头的超声振动挤压声学系统设计、挤压过程中超声振动声学系统的频率和振幅的变化规律及对挤压强化质量的影响等，仍是该技术领域中的重要研究课题。

3 超声滚压

目前国内外研究者提出的超声表面滚压（Ultrasonic Surface Rolling）、超声深冷滚压（Ultrasonic Deep Cold Rolling）和超声深滚（Ultrasonic Deep Rolling）都是一种动态滚压，在加工机理上是完全一样的，均是利用超声冲击能量和静载滚压相结合，对金属零部件表面进行高速撞击处理，使零件表层材料产生较大的塑性变形，卸载后形成有益的残余压应力，从而强化被加工表面。

超声滚压加工过程中，超声振动作用使工具相对工件移动时的摩擦阻力减小，材料的塑性变形发生明显变化，工件表面粗糙度值大幅度减小，表面显微硬度和残余压应力得到提高，表面金相组织也得到细化，从而提高零件的接触面积、承载能力、耐磨性、耐蚀性、耐疲劳强度和配合稳定性等性能。超声滚压是一种无屑抛光强化过程，材料的塑性流动实现了工件表面的“削峰填谷”，且不同程度地克服了喷丸、滚压等传统工艺的缺陷，因而其应用不仅覆盖了喷丸、滚压等工艺的应用范围，还在压力容器、海洋工程、电力等领域得到扩展，尤其是对航天航空工业广泛应用的钛合金的强化效果显著。

国内外众多研究者认为，超声滚压加工表面纳米化成因是形变诱导晶粒细化，而金属表面结构纳米化是促使表面强化的关键原因之一［18］。超声滚压表面纳米化和强化效果与工艺参数如主轴转速、轴向进给、加工次数、静压力和振幅等密切相关。

王婷等人［18－19］的研究表明，40Cr试样经过超声表面滚压处理后，其表面产生了较均匀的纳米层，纳米晶粒尺寸细化至3～7 nm，在表层附近区域还形成了厚度约为200 μm的流变组织，且晶粒尺寸沿厚度方向呈梯度分布;主轴转速和轴向进给越大，表面粗糙度值越大;加工次数、静压力和振幅对表面粗糙度的影响趋势相似，在适当范围内增大，可有效改善表面质量。Liu等人［20］通过建立超声表面滚压加工过程的三维有限元模型，来预测导致试样表面纳米化的加工条件，并将表面变形和应力应变的模拟结果用来研究评估纳米结构层的性能。Bozdana等人［21］和 Tsuji等人［22］对 Ti－6Al－4V试样进行了超声深冷滚压处理，结果表明超声深冷滚压需要更小的静压力就可以获得较大的表面塑性变形，同时在表面产生了高幅值、大深度的残余压应力，表面层得到硬化，工件抗疲劳强度和抑制裂纹扩张的能力提高。吕光义等人［23］在TC4表面制备线形和圆形的模拟缺口，定量研究超声深滚处理减小TC4表面粗糙度值和修复表面损伤的作用，研究结果表明，超声深滚加工能显著消除加工痕迹、表面微损伤等表面缺陷，对提高和恢复老旧零件疲劳性能的作用重大，同时大幅度减小零件表面粗糙度值，可以使磨削态的钛合金表面粗糙度由Ra2.32 μm减小到Ra0.11 μm。Ding等人［24］利用摩擦学相关原理分析了表面形变大小与工艺参数之间的关系，为工艺参数的选择提供了依据。

超声滚压设备同超声挤压加工设备一样，可以直接安装在传统的车床、铣床、加工中心或机械手上实现表面强化处理。

超声滚压作为一种新型的表面强化技术，其工艺在近几年内获得飞速发展，但超声滚压机理方面的研究特别是理论性研究相对滞后。研究者们对超声滚压加工的研究主要集中在工艺实验上，对加工过程中表面创成机理、组织强化机理、材料疲劳性能强化机理等理论分析还比较薄弱，甚至尚未见公开文献报道。

4 超声振动辅助电火花脉冲放电加工

超声振动辅助电火花脉冲放电加工（Ultrasonic Vibration Pulse Electro－discharge Machining）是在工具电极上辅助超声频振动，依靠脉冲放电产生的瞬时高温使工具电极表面材料局部熔化、汽化，涂覆或者扩渗到工件材料表面，形成合金化的表面层，达到强化表面的目的。

超声振动改善了放电加工条件，可解决电火花脉冲放电加工中表层涂覆层分布不均匀等缺陷。同时，加工间隙放大，使放电过程趋于稳定，且空载和拉弧现象的发生机会减少，放电能量利用率提高。此外，超声振动的空化作用，不但起到细化和均匀电蚀产物的作用，还会加速工具电极熔化速度，使更多的电极材料细化后与工件表面发生冶金反应融合在一起，不断导致表面强化层硬度提高，工件表面粗糙度值也相应减小。鉴于这些特点，超声振动辅助电火花脉冲放电主要应用于机械制造、电器、交通和纺织等行业的各类工具、模具和零部件的表面强化上，特别是对已磨损的的磨具、量具、刀具刃口等的强化和微量修补。

近年来，国内外研究者对零部件表面强化效果和效率的影响因素做了大量研究。Sundaram等人［25］探讨了基于田口方法的超声振动辅助电火花脉冲放电的加工参数选择问题，选择合理的振幅和频率，该强化工艺可提高材料去除率，减小表面粗糙度值，获得优于无超声辅助强化时的强化层性能。董春杰等人［26］以65Mn钢为实验对象进行强化试验，结果表明工具电极辅助超声振动对表面强化层的表面质量有显著影响，选择合适的振幅和频率，可以改善强化层的表面粗糙度和表面形貌，使强化层厚度分布更为均匀致密，并增加强化相的数量。Chaiya等人［27］实验研究了有超声振动和无超声振动辅助时电火花脉冲放电加工硬质合金的效果，结果表明在电火花脉冲放电加工过程中附加超声频振动，可有效改善加工后硬质合金表面粗糙度，同时材料去除率也明显提高，促进了加工效率。

超声振动辅助电火花脉冲放电加工不仅在材料表面强化方面有一定的应用，同时在加工微小孔方面也发挥着有利作用。Jia等人与胡建华等人着重研究了超声振动辅助电火花微小孔加工中超声参数对加工效率的影响，发现超声能显著改善极间工作液的循环，占空比为1/2时加工效率最高且材料去除率高，排屑条件改善［28－29］。

超声振动辅助电火花脉冲放电加工系统包括超声振动装置和电火花表面强化机2个模块。超声振动装置由超声波发生器、换能器、变幅杆等组成，与常规超声加工技术中的超声系统没有区别。最早的电火花表面强化机是1950年前苏联中央电气科学研究所研制的yHp系列强化机;苏州电加工机床研究所在1977年研制出了系列强化机［30］。近几十年来，强化机在研制上又取得了新的进展，相继出现了可用于多种强化工艺的大电流调节范围的强化机、脉冲发电电火花表面强化修复机等［30］。

目前超声振动辅助电火花脉冲放电加工技术在实际工程制造中的应用并不普遍。在限制该项工艺获得普及的众多原因之中，超声振动辅助电火花脉冲放电强化设备研发滞后无疑是最主要的。当前使用的表面强化设备大多数仍是小功率强化机，效率低且强化效果不佳，新型设备的研制应是当前的重点研究工作。

5 结语

随着产品性能的不断提高，重要零部件的工作环境越来越严苛，对机械零部件的表面性能和使用寿命要求越来越高，表面质量问题变得更加突出和复杂。应运而生的超声表面强化技术实现了超声加工技术和传统表面强化技术的优势互补，其强化质量和效率均优于传统的表面强化技术。超声表面强化技术的研究虽已取得丰富的成果，但在基础理论、工艺技术以及加工装置或机床方面，仍需开展深入的研究工作。

（1）在基础理论方面，需继续深入研究强化机理、表面创成机理以及超声振动与表面强化耦合机理等理论;需充分利用迅速发展的有限元方法及计算机技术，进行表面强化数值模拟研究，预测加工后表面特性，为超声表面强化技术的工程应用提供指导。

（2）在工艺技术方面，需结合基础理论探讨最优工艺参数，实现强化质量和效率并重，降低加工成本;需积极吸收超声加工新技术，开创新的超声表面强化工艺，如二维振动超声表面强化技术等，以进一步促进超声表面强化技术的工程应用。

（3）在加工装置以及机床方面，需进一步加强超声振动声学系统的研发，并引入数控加工技术，以适应复杂型面的表面强化需求，进一步拓展超声表面强化技术的应用领域。

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