超聲滾壓加工參數(shù)對12Cr2Ni4A鋼表面粗糙度和表面形貌的影響

李亞鵬，李章東，劉旭輝

(河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

機械零部件在車輛、橋梁、航空航天、電力和冶金等重要領(lǐng)域占有不可或缺的地位,機械加工的表面質(zhì)量對機械零部件的使用性能有很大的影響[1-4]：(1)抗疲勞強度方面。當工件受到的力為交變載荷時，若本身表面凹凸不平，或內(nèi)部存在一些缺陷，會引發(fā)應(yīng)力集中而使工件產(chǎn)生疲勞斷裂。尤其一些承受交變載荷的重要零部件，如齒輪的齒根部分，該部位最容易產(chǎn)生疲勞斷裂，因而需對其光整加工，以提高表面質(zhì)量，從而提高抗疲勞壽命。(2)耐腐蝕性方面。零件表面上的凹谷越深，其表面就越容易積攢腐蝕性物質(zhì)，對零件表面的滲透與腐蝕作用就會越強烈。因此，降低零件表面粗糙度，能夠使零件的耐腐蝕性能得以提高。

超聲輔助加工是伴隨著超聲學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的新型加工技術(shù)[5-6]。超聲滾壓加工技術(shù)是超聲輔助加工技術(shù)的一種改性方法，與傳統(tǒng)的滾壓技術(shù)相比，其加工出的零件具有摩擦力小、表面硬度顯著提高、表面粗糙度進一步降低以及抗疲勞壽命進一步增強等優(yōu)點，因此受到科研人員越來越多的關(guān)注。而在超聲滾壓加工技術(shù)中，機床的主軸轉(zhuǎn)速、軸向進給量、加工次數(shù)以及壓下量都會對工件表面產(chǎn)生較大的影響[7-8]。

本文以12Cr2Ni4A鋼為研究對象，研究主軸轉(zhuǎn)速、軸向進給量、加工次數(shù)和壓下量等加工參數(shù)在超聲滾壓加工技術(shù)中對12Cr2Ni4A鋼表面狀態(tài)的影響。

1 超聲滾壓加工技術(shù)

超聲滾壓加工是一種新型的加工技術(shù)，它是將超聲波加工和傳統(tǒng)滾壓加工相結(jié)合的復(fù)合加工方法，可以在很大程度上提高被加工工件的表面質(zhì)量，降低工件表面的粗糙度，其本質(zhì)上是一種冷塑性加工技術(shù)。超聲滾壓加工的微觀過程如圖1所示[9-10]。

由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻電信號，然后電信號被換能器轉(zhuǎn)換成振幅微小的超聲頻率機械振動，再經(jīng)過變幅桿放大，最后作用在超聲滾壓工具頭上，從而實現(xiàn)超聲滾壓工具頭的往復(fù)振動[11]。同時，工具頭一方面在氣泵的作用下滾壓著工件表面，另一方面在超聲波作用下對工件表面進行動載沖擊，使工件表面金屬產(chǎn)生塑性變形，從而有效滾壓平整工件表面微觀凸起部分，工件表面粗糙度在這樣的加工下就可以大大降低，從而提升工件表面的使用性能。

圖1 超聲滾壓加工微觀過程Fig.1 Microscopic process of ultrasonic rolling

超聲振動本身就具有減少摩擦的作用。工具頭部分采用可以滾動的球珠，一方面是因為滾動摩擦阻力及損耗遠小于滑動摩擦的，另一方面由于球體的滾動使得摩擦磨損部位不斷更換，不僅保證了工具頭的表面質(zhì)量，而且也提高了其使用壽命。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料及參數(shù)

選用直徑60 mm、厚15 mm的齒輪材料12Cr2Ni4A鋼餅，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。經(jīng)磨削后，表面粗糙度為2.4 μm。

表1 12Cr2Ni4A鋼化學(xué)成分

表2 12Cr2Ni4A鋼力學(xué)性能

2.2 試驗方法

試驗在VMC850E數(shù)控車床上進行。工具頭里的滾珠采用直徑6 mm的硬質(zhì)合金球，且在整個加工過程中加冷卻液并起潤滑作用。

使用2201型表面粗糙度檢查記錄儀對各組已加工工件表面進行粗糙度測定。使用VHX-2000超景深三維顯微鏡，在z軸方向采集圖像，從而在三維中實現(xiàn)材料表面顯微形貌的可視化。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 加工參數(shù)對表面粗糙度的影響

3.1.1 主軸轉(zhuǎn)速及其進給量對表面粗糙度的影響

本試驗加工參數(shù)選擇如下：主軸轉(zhuǎn)速2 400～3 000 r/min；進給量60～100 mm/min；壓下量0.04 mm。加工次數(shù)3次時，不同主軸轉(zhuǎn)速和進給量所對應(yīng)的表面粗糙度如圖2所示。

圖2 主軸轉(zhuǎn)速及其進給量對表面粗糙度的影響

由圖2可知，當主軸轉(zhuǎn)速在2 400～3 000 r/min、主軸進給量在60～100 mm/min內(nèi)，壓下量、振幅和滾壓次數(shù)都相同的情況下，較高的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進給量，能夠得到比較好的表面粗糙度。在主軸轉(zhuǎn)速相同時，進給量越低，加工過的工件表面粗糙度越??；在進給量相同時，主軸轉(zhuǎn)速較低，則加工過的工件表面粗糙度越小，得到的工件表面質(zhì)量也越好[12]。

出現(xiàn)上述情況的原因是，當加工工件時使用較低的主軸轉(zhuǎn)速和較大的進給量，都會在12Cr2Ni4A鋼表面形成螺旋狀的加工痕跡，從而導(dǎo)致加工后的殘留面積增大，最終使工件表面粗糙度也隨之增大。當加工工件使用較高的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進給量時，則會因為在單位長度內(nèi)12Cr2Ni4A鋼表面加工次數(shù)增多，導(dǎo)致加工后的殘留面積減小，進而降低表面粗糙度[13]。在加工時主軸轉(zhuǎn)速過快會使工件產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象，也就影響了工件表面加工質(zhì)量；主軸轉(zhuǎn)速過慢時又會造成機床工作的不穩(wěn)定，同時加工效率也會降低。因此，在實際操作加工時，要綜合考慮具體情況，選取適當?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速參數(shù)。

3.1.2 加工次數(shù)對表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min；進給量90 mm/min；壓下量0.04 mm；加工次數(shù)1～6次。不同加工次數(shù)所對應(yīng)的表面粗糙度繪于圖3中。

圖3 加工次數(shù)對表面粗糙度的影響

從圖3可以看出，在主軸轉(zhuǎn)速、進給量和壓下量都相同的情況下，隨著加工次數(shù)增加，經(jīng)過超聲滾壓過的金屬表面粗糙度先降低后升高。之所以出現(xiàn)該現(xiàn)象，是因為適當增多加工次數(shù)能夠降低金屬表面粗糙度，而往復(fù)的滾壓在一定程度上會壓平前邊加工所留下的波峰，這樣就會使加工過的金屬表面更加平整，從而得到較好的表面質(zhì)量。但較多次的加工，又會使單個試件的加工時間增加，降低生產(chǎn)效率，所以工件的加工次數(shù)不宜過多。

3.1.3 壓下量對表面粗糙度的影響

加工參數(shù)選擇如下：主軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min;進給量90 mm/min;壓下量0.02～0.06 mm。不同壓下量對表面粗糙度的影響如圖4所示。

圖4 壓下量對表面粗糙度的影響

從圖4可以看出，在主軸轉(zhuǎn)速和進給量都相同的情況下，當壓下量小0.04 mm時，表面粗糙度隨著壓下量的增加而單調(diào)下降；當壓下量大于等于0.04 mm時，金屬表面粗糙度隨著壓下量的增加而單調(diào)上升。而在此次的試驗中，在壓下量為0.04 mm時，金屬表面粗糙度最小，表面質(zhì)量得到了很好的改善。造成以上情況的原因在于，在加工時如果壓下量比較小，超聲滾壓工具頭與12Cr2Ni4A鋼表面之間的摩擦力就比較大，這樣就會對12Cr2Ni4A鋼表面造成損傷；當壓下量適當加大時，冷卻液會由于超聲振動的脈沖擠壓作用，而直接進入“滾壓”禁區(qū)，這樣會迅速降低工具頭與12Cr2Ni4A鋼表面之間的摩擦力，進而使表面粗糙度更小。但是，過大的壓下量會加重工作時的負載，使其滾壓過程變得不穩(wěn)，影響表面加工質(zhì)量，所以要選擇合適的壓下量。

3.2 超聲滾壓加工參數(shù)對試件表面顯微形貌的影響

工件材料表面的幾何形貌在很大程度上影響著材料的基本性能和使用功能[14-16]。通過選用同樣的主軸轉(zhuǎn)速、不同的壓下量和進給量對12Cr2Ni4A鋼表面進行超聲滾壓，觀察滾壓后壓下量對工件表面微觀形貌的影響。圖5為經(jīng)過不同組參數(shù)滾壓過的試件，在超景深三維顯微鏡下放大100倍率下的表面顯微形貌。

圖5 經(jīng)過不同超聲滾壓加工參數(shù)加工后的表面顯微形貌

從圖5(a)～(d)可以清楚地看出，圖5(a)中主軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min,進給量90 mm/min,壓下量0.02 mm時，經(jīng)過超聲滾壓過的12Cr2Ni4A鋼表面形貌最為平整。其他幾組參數(shù)加工過的平面都有不同程度的波峰和波谷出現(xiàn)。當選用較大的壓下量時，工具頭和金屬工件之間在單位時間內(nèi)接觸的時間比較長，對其表面形貌損傷比較嚴重，造成了工件表面的不平整。在選用較小的進給量時，工具頭和金屬工件之間產(chǎn)生較大摩擦，會造成金屬工件表面損傷。所以在實際工作中要選用合理的超聲滾壓加工參數(shù)，才能得到較平整的表面。

4 結(jié) 論

(1)發(fā)現(xiàn)了超聲滾壓加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進給量、加工次數(shù)和壓下量)對12Cr2Ni4A鋼表面粗糙度的影響規(guī)律，即只要在加工時選用適當?shù)某暆L壓加工參數(shù)，12Cr2Ni4A鋼的金屬表面粗糙度能夠減小到0.2 μm以下。

(2)試驗得出超聲滾壓加工12Cr2Ni4A鋼表面粗糙度最佳加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速2 400 r/min,進給量60 mm/min,加工次數(shù)4次，壓下量0.04 mm。

(3)試驗得出超聲滾壓加工12Cr2Ni4A鋼表面顯微形貌最佳加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min,進給量90 mm/min,加工次數(shù)4次，壓下量為0.02 mm。