纵-扭复合振动超声深滚表面粗糙度研究*

罗傲梅

(河南工业和信息化职业学院机电工程系，河南 焦作454003)

机械零件的失效或破坏，主要从其表面层开始，产品的性能，尤其是它的可靠性和耐久性，在很大程度上取决于零件表面质量。因此，如何提高零件的表面质量，进而提高产品的使用性能和使用寿命，一直是众多研究者和学者们热议的话题。目前，生产中常采用喷丸、滚压、挤压等常规的金属表面强化方法来改善零件的表面综合质量［1］。但是，这些强化方法常存在增大表面粗糙度值、在工件次表面产生剪切应力、挤压作用力大等缺陷［2-4］。

伴随着超声加工技术的深入发展和广泛应用，将超声频振动引入到常规表面强化工艺中，实现超声表面强化，已成为表面强化技术发展的新方向［5］，如超声喷丸、超声挤压、超声深滚等强化工艺已在工程领域获得应用，并被证明可在一定程度上细化晶粒，降低表面粗糙度值，显著提高表面显微硬度等［5-8］。

本研究将纵-扭复合振动超声加工与深滚加工工艺相耦合，创建纵-扭复合振动超声深滚加工工艺，详细阐述其加工原理，理论分析超声振动对表面粗糙度的影响，并采用纵-扭复合振动超声深滚与常规深滚两种加工工艺对6061 -T6 铝合金棒料进行加工处理，研究深滚工艺参数对工件表面粗糙度的影响。

1 纵-扭复合振动超声深滚加工原理

图1 为纵-扭复合振动超声深滚加工原理图。

该工艺是在常规深滚过程的基础上，对工具头纵向和圆周方向分别施以一定振幅的同频超声振动。工具头在一定的静压力作用下压在高速旋转的工件上，同时沿工件轴线做进给运动。纵向超声振动促使工具头对工件表面进行垂直高速的周期性冲击;扭转超声振动则使工具头对已加工表面进行反复的碾压冲击和滚光。

由于金属材料在常温状态下具有冷塑性，所以，由纵向超声振动产生的高速冲击使工件表面形成一定厚度的压应力层和冷作硬化层，对工件表面起到强化作用;而由扭转超声振动引起的碾压冲击和滚光运动，使工件表层材料发生塑性流动，达到削峰填谷的光整效果。

显然，纵-扭复合振动超声深滚加工是基于纵-扭复合振动超声加工和深滚加工的表面强化工艺［9］，是二维复合振动超声加工与深滚加工相耦合的复合加工工艺，属于超声表面形变强化工艺的范畴。同时，该工艺也是一种动态冲击式滚压光整加工方法，可期实现工件表面的强化加工与光整加工。

2 超声振动影响表面粗糙度理论分析

若仅从几何因素考虑，在纵-扭复合振动超声深滚加工中，其理论表面粗糙度为进给方向的残留面积高度与滚压速度方向的振纹高度的综合值Ra1，如式(1)所示;而在常规深滚加工中，其理论粗糙度值Ra2仅与进给方向的残留面积高度有关，如式(2)所示。

式中:Ra1为纵-扭复合振动超声深滚表面粗糙度;Ra2为常规深滚表面粗糙度;Rz为进给方向残留面积高度;Rth为滚压速度方向残留面积高度。

根据式(1)和式(2)可知，相对于常规深滚加工，理论上纵-扭复合振动超声深滚加工工艺因Rth的存在，只能对表面粗糙度起负面影响。

在纵-扭复合振动超声深滚加工中，超声振动对表面粗糙度的影响可从以下几个方面进行深入探讨。

(1)超声振动改善工艺系统的抗振性，可降低表面粗糙度值。

基于振动理论［10］分析可知:引入纵-扭复合振动后，工件的变形仅为普通滚压的tc/T(T 为超声振动周期，tc为每个振动周期内滚轮与工件接触的时间)甚至更小，这相当于提高了工艺系统的刚度，从而增加了工艺系统的抗振性。此外，滚轮以20 kHz 的频率做高频振动，与工艺系统的自激振动频率相差大，故共振现象不可能发生。从这个意义上说，把超声振动引入常规滚压，有抑制工艺系统振动的优势。工艺系统抗振性增强，加工过程中颤振现象减弱，从而改善了加工精度和表面粗糙度。

(2)超声振动改善滚轮/工件摩擦状态，减少滚轮磨损量，降低表面粗糙度值。

在常规深滚过程中，产生于阻止金属塑性流动的摩擦力和摩擦热的综合作用会加剧滚轮磨损，降低加工精度。同时，若工艺参数选择不当，在滚压加工中会产生金属粘结现象，恶化加工表面质量。当辅助超声振动后，滚轮高频振动，与工件处于断续接触状态，冷却液更易进入滚压区，使滚压区的冷却和润滑更充分，进而改善了二者间的摩擦状态。此外，滚轮压入时产生的巨大加速度，形成瞬时高压，使冷却液乳化更均匀，摩擦系数降低，减小了摩擦力。这些特点都有助于减少滚轮的磨损量，保证滚轮的精度，从而改善工件表面粗糙度。

(3)扭转超声振动改善金属塑性流动，实现碾压光整加工，提高加工质量。

在常规深滚加工中，由于滚轮对加工区域的挤/滚压作用，引起金属塑性流动，在滚轮前方易形成金属隆起堆积层，在适度的压力和切削热作用下，会造成滚轮与工件表面粘结在一起，刮花工件表面。

在纵-扭复合振动超声深滚加工中，由于超声振动的周期性脉冲作用，滚轮与工件的接触-分离-接触状态，可有效改善接触区域的金属层应力状态，降低切削热，避免粘连现象。但是，由纵向超声振动引入的垂直冲击效应在实现工件表面强化的同时，也会沿着滚压路径两侧和滚压前进方向形成类似耕犁后的微小的凹坑和凸峰。扭转超声振动促使滚轮对已加工区域进行反复碾压和滚光，在有效碾平因纵向超声振动冲击后形成的微小凹坑和凸峰的同时，还可修复工件表面的一些微损伤和微缺陷，更好地改善加工表面质量，即扭转超声振动在加工过程中可实现碾压光整作用。

总之，纵-扭复合振动超声深滚加工工艺因为超声振动的存在，加工中工件粘连现象发生的几率降低，工艺系统的变形减小，系统刚性提高，滚轮与工件间的摩擦状态得到有利改善，滚轮的磨损也得到减缓，更有利实现工件表面光整加工。

3 试验研究

3.1 试验条件

试验所选用的材料为供应态6061 -T6 铝合金轴件，轴径为Φ50 mm，经粗车后，轴件直径为Φ48 mm，表面粗糙度Ra=1.69 μm。

纵-扭复合振动超声深滚加工试验装置如图2 所示。该加工试验在CA6140B/A 普通车床完成。利用三爪卡盘装夹工件，在刀架上安装纵-扭复合振动超声深滚加工声学系统，并保证滚轮中心线通过机床主轴轴线，采用乳化液作为切削液。

声学系统包括超声波发生器、纵向振动压电换能器、开斜槽传振杆和滚轮，可实现单激励下纵-扭复合振动。工具头采用YG8 材料制造的球形滚轮。

经阻抗测试，声学系统纵- 扭复合振动频率为19.8 kHz，滚轮纵向振动振幅为6.3 μm，扭转切向振动位移为9 μm。试验所需静压力由安装在换能器底部的压缩弹簧提供。

3.2 试验方法

试验选取可控的3 个工艺参数静压力F、进给量fv和工件转速n 作为工艺参数指标，采用单因素试验法，研究这些工艺参数对工件表面粗糙度的影响。试验参数见表1 所示。

表1 试验参数表

试验过程的具体操作方法为:在相同的每一组滚压工艺参数下，分别对同一工件表面进行超声深滚和常规深滚试验。当打开超声波发生器时为纵-扭共振超声深滚加工，关闭超声波发生器时为常规深滚加工。

4 试验结果与分析

采用SURTRONIC3 +粗糙度测量仪沿工件周向取5 处进行测量，测试滚压后工件轴向表面粗糙度(Ra)，取其平均值作为测试结果。

4.1 静压力对表面粗糙度的影响

按照表1 所示试验方案进行试验，根据所得数据绘制两种加工工艺下静压力对表面粗糙度的影响规律曲线，如图3 所示。

由图3 可知，在相同的滚压工艺参数下，纵-扭复合振动超声深滚加工后的表面粗糙度值总是小于常规深滚加工后的表面粗糙度值。引入纵-扭复合振动后，静压力对表面粗糙度的影响规律发生改变。当压力在较小范围时，纵-扭复合振动超声深滚加工对表面粗糙度改善作用优势明显，但当压力继续增大时，两种深滚加工获得的表面粗糙度值十分接近。当静压力F=12 N 时，纵-扭复合振动超声深滚加工后粗糙度值仅为常规深滚后的57%。

静压力较小时，超声振动效果明显，对工件表面高频冲击和碾压，改善了工件表面的粗糙度;随静压力逐渐增大时，超声振动受到抑制，当静压力增大到一定值时，滚轮被紧紧的压实在工件表面，超声振动效果几乎消失，如同常规深滚，故二者的表面粗糙度值几乎接近相等。

4.2 工件转速对表面粗糙度的影响

按照表1 所示试验方案进行试验，根据所得数据绘制两种加工工艺下工件转速对表面粗糙度的影响规律曲线，如图4 所示。

显然，工件转速对两种深滚处理后的表面粗糙度影响规律基本相同，即:表面粗糙度值随工件转速的增大先减小后增大。纵-扭复合振动超声深滚加工后的表面粗糙度值总是小于常规深滚后的粗糙度值，且当工件转速n=160 r/min 时，前者约为后者的70%。

分析其原因为:转速过低，导致工件相同部位过冲击，而转速过高，工件周向存在局部被多次滚压和局部未被滚压共存的跳跃性现象，故都不利于工件表面粗糙度的改善。对机床而言，转轴转速较低和较高时其回转精度均不佳，对加工质量也有不利影响。

4.3 进给量对表面粗糙度的影响

按照表1 所示试验方案进行试验，根据所得数据绘制两种加工工艺下进给量对表面粗糙度的影响规律曲线，如图5 所示。

由图5 知，进给量对两种深滚处理的表面粗糙度影响规律为:表面粗糙度值随进给量的增加先减小，然后再增大。当进给量fv=0.12 mm/r 时，纵-扭复合振动超声深滚加工可获得一最佳表面粗糙度值，其值约为常规深滚的70%。

进给量过低，滚轮在进给方向相邻两次的挤压间隙过小，不利于金属的塑性流动;而进给量过大时，因滚轮导致的残留面积高度增大。综合之，进给量过大或过小，都会导致表面粗糙度值得增大，因此在加工中要根据实际情况选择合适的进给量。

5 结语

(1)在常规深滚中引入超声振动，可提高工艺系统的抗振性，改善滚轮与工件间的摩擦和接触特性，可有效改善工件表面质量

(2)常规深滚和纵-扭复合振动超声深滚加工工艺均会改善6061 -T6 铝合金材料表面粗糙度状况，但是改善程度不同。

(3)在相同的深滚工艺参数下，纵-扭复合振动超声深滚加工后的表面粗糙度值总是低于常规深滚加工后的表面粗糙度值。

(4)纵-扭复合振动超声深滚时，表面粗糙度值随静压力的增大先增后减，随工件转速和进给量的增大先减小后增大;常规滚压时则随静压力的增大一直增大，随工件转速和进给量的增大先减小后增大。

本研究表明，纵-扭复合振动超声深滚加工工艺能更有效地改善6061 -T6 铝合金的表面质量。

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