金屬材料表面拋光強化的研究進展

    工件所使用的金屬材料因其特殊的工作環(huán)境，常受到磨損、腐蝕和疲勞損傷，導(dǎo)致零件失效。由于材料表層的組織結(jié)構(gòu)對失效敏感，因此失效多產(chǎn)生于零件表面。提高金屬材料表面性能有效增強其使用性能，而表面強化是一種通過改善金屬材料的表層組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布來提高其表層特性的常用方法。

    為了提高材料的表面性能，延長材料的疲勞壽命，提出了多種表面處理技術(shù)。表面納米化是一種不改變化學(xué)成分而將材料表層晶粒細化為納米尺寸，從而提高工程部件整體機械性能的表面處理技術(shù)，包括超聲噴丸加工、超聲沖擊處理、激光沖擊處理和超聲表面滾壓加工等。其中，超聲滾壓工藝可以顯著提高鈦合金、鋁合金和不銹鋼等金屬材料的表面性能，在提高材料的疲勞強度、耐磨性和抗腐蝕性等方面具有較大潛力。研究表明，超聲滾壓處理后40Cr的表面粗糙度降低至0.06μm，低于拋光處理的0.28μm；Ti-6Al-4V合金的微動疲勞極限提高了72.7%；17-4PH不銹鋼表層顯微硬度明顯優(yōu)于車削試樣 。

與其他表面處理技術(shù)相比，超聲滾壓表面強化處理后的試樣表面光潔度和外觀都得到了很好的保證，具有工藝簡單、節(jié)能環(huán)保和效率高等優(yōu)點，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滾壓、噴丸等加工工藝，在汽車工業(yè)、齒輪制造業(yè)和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1  超聲滾壓技術(shù)加工原理 

超聲滾壓技術(shù)是電子技術(shù)與傳統(tǒng)滾壓工藝的結(jié)合，屬于無切削光整加工范疇。超聲滾壓加工裝置見圖1。

超聲波發(fā)生器將交流電轉(zhuǎn)換成高頻電振動信號后，在換能器的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的機械振動，并由變幅桿將該機械振動的振幅放大并傳遞給工具頭。工具頭被設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)的球形，通常由碳化鎢、鈷等硬質(zhì)合金材料制成，通過將滑動摩擦改為滾動摩擦，提供了良好的穩(wěn)定性，延長了超聲滾壓工具頭的壽命。

在超聲滾壓加工過程中，工具頭沿材料表面法線方向施加一定的靜壓力和超聲振動，在靜態(tài)擠壓和動態(tài)沖擊的作用下，使材料發(fā)生彈、塑性變形，并在工件表面產(chǎn)生具有一定深度、均勻且變形嚴重的塑性變形層。超聲滾壓表面強化技術(shù)通過往復(fù)加工使工件表面受力均勻，加深塑性變形層，減小晶粒尺寸。同時，加工過程中所產(chǎn)生的塑性流動將材料表層的波峰填入波谷，降低表面粗糙度，提高了顯微硬度，并在工件表層引入了有益的殘余壓應(yīng)力，對于提高材料的疲勞強度、耐磨性及耐腐蝕性具有積極的作用。

2  超聲滾壓的研究進展

超聲滾壓技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù)，可顯著降低材料表面粗糙度和提高顯微硬度，引入殘余壓應(yīng)力并廣泛應(yīng)用于改善各種金屬材料的表面性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過試驗、微觀組織機理和有限元仿真三個方面對超聲滾壓表面強化技術(shù)進行研究。

（1）滾壓試驗

       ①工藝參數(shù)

超聲滾壓加工中，滾壓速度、進給量、靜壓力和滾壓次數(shù)等工藝參數(shù)對超聲滾壓處理后材料的表面粗糙度、顯微硬度、殘余壓應(yīng)力及疲勞強度等性能的影響程度不同。其中，Bozdana A.T.等以Ti-6Al-4V合金為例，研究了滾壓速度對材料表面形貌和近表面特性的影響，發(fā)現(xiàn)在較低滾壓速度下獲得的表面光潔度較好，當滾壓速度逐漸增大時材料表面粗糙度更大，其主要原因是：較低的滾壓速度使得材料表面被多次均勻處理，有效降低了表面粗糙度，而在較高滾壓速度下卻難以保證。Liu Y.等分析了滾壓次數(shù)對材料表面所引入的殘余壓應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，殘余壓應(yīng)力值隨滾壓次數(shù)的增加而增大，當滾壓次數(shù)為12次時，表層殘余壓應(yīng)力可達970MPa，與基體相比提高了近兩倍。Zhang Yalong等發(fā)現(xiàn)超聲滾壓可以在較低的靜壓力下獲得與傳統(tǒng)滾壓處理相同的表面粗糙度，為超聲深冷滾壓工藝應(yīng)用于對硬質(zhì)薄壁零件的加工提供了理論基礎(chǔ)。

為提高材料的表面綜合性能，優(yōu)化加工過程中的工藝參數(shù)尤為重要。宋錦春等采用單因素試驗探求超聲滾壓的工藝參數(shù)，總結(jié)了不同參數(shù)對工件表面粗糙度和硬度的影響規(guī)律，并根據(jù)使用要求給出了各參數(shù)的合理范圍。姚成霖等選用正交試驗法優(yōu)化超聲滾壓工藝參數(shù)，利用正交試驗結(jié)果進行直觀分析，得出了各參數(shù)對超聲滾壓加工后工件表面粗糙度的影響規(guī)律和影響程度，分析了在影響表面粗糙度的各因素中，進給量對粗糙度的影響最大，且擇優(yōu)選出的工藝參數(shù)投入生產(chǎn)后，取得了良好的加工效果。

由此說明，超聲滾壓表面強化技術(shù)可改善傳統(tǒng)加工所引起的表面粗糙和溝槽等缺陷，選擇合適的工藝參數(shù)，可顯著提高材料的表面性能。

②表面性能

與傳統(tǒng)加工工藝相比，超聲滾壓表面強化處理可使材料具有更高的表面硬度、更低的表面粗糙度值、更大的殘余壓應(yīng)力及塑性變形，表面機械性能明顯提高，因此得到越來越廣泛的關(guān)注。

工件失效中80%以上屬于疲勞破壞，提高材料的疲勞強度對于增強工件的使用性能意義重大。Zhu Y.L.等通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗來探究超聲滾壓表面強化技術(shù)對Ti-6Al-4V疲勞特性的影響，超聲滾壓處理后試樣的疲勞強度達到了612MPa，相比基體試樣提高了65%。此外，材料的表面粗糙度顯著降低，有效地抑制了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展，提高了材料的疲勞性能，表層硬化是疲勞強度提高的主要原因。Yasuoka M.等對奧氏體不銹鋼進行研究時發(fā)現(xiàn)，超聲滾壓表面強化技術(shù)使材料表面硬化，提高了疲勞強度，但同時也會導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。當施加的靜壓力較低時，表面微裂紋的影響弱于表面硬度的改善，疲勞強度升高，而增大靜壓力后材料表面產(chǎn)生了較多微裂紋，抵消了硬度的提高，降低疲勞強度。 

摩擦引起磨損，廣泛存在于生產(chǎn)加工過程，是零部件失效的又一基本類型。提高材料的耐磨性有利于延長零部件的使用壽命，節(jié)約資源。Li G.等在研究Ti-6Al-4V合金的微動磨損性能時發(fā)現(xiàn)，超聲滾壓的處理提高了顯微硬度，改善了表層組織結(jié)構(gòu)并引入了殘余壓應(yīng)力，材料的耐磨性提高。Zhang Q.等通過對比試驗分析了17-4PH不銹鋼的磨損性能，超聲滾壓試樣的表層被引入了約800MPa的殘余壓應(yīng)力(見圖2)，顯微硬度相比車削試樣提高了約20%，摩擦系數(shù)和磨損率分別降低至10%~14%和25%，顯微硬度的提高及殘余壓應(yīng)力的引入是不銹鋼耐磨性提高的主要原因。摩擦系數(shù)是影響合金磨損性能的重要因素之一，摩擦系數(shù)隨沖擊速度的增加而減小，超聲滾壓的處理增加了沖擊接觸力，提高了沖擊速度，降低了合金的摩擦系數(shù)和磨損量，強化了Inconel 690合金的沖擊滑動磨損性能。 

試驗研究作為超聲滾壓表面強化技術(shù)研究的重點方向之一，通過對工藝參數(shù)及表面機械性能的研究，為實際生產(chǎn)加工提供了可靠的理論依據(jù)。

（2）微觀組織機理

超聲滾壓處理對金屬材料的強化作用主要體現(xiàn)在降低表面粗糙度、提高顯微硬度、引入殘余壓應(yīng)力和改善表層組織結(jié)構(gòu)等方面。微觀組織結(jié)構(gòu)對材料的機械性能影響較大，細晶粒比粗晶粒更能分散塑性變形，使塑性變形更均勻，材料的塑性、疲勞性能和摩擦學(xué)性能均提高。

超聲滾壓表面強化技術(shù)能夠改善材料表層的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高工件的機械性能。其中，Wang H.等通過透射電鏡觀察了經(jīng)電脈沖輔助超聲滾壓處理后的AISI304不銹鋼試樣表層微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)電脈沖與超聲滾壓的耦合作用將增加晶體的層錯能和位錯遷移率，產(chǎn)生超細化晶粒及強化層，改變了塑性變形機理，從而改善材料表面的機械性能。Shuai Ren等則利用X射線衍射技術(shù)對Cr12MoV模具鋼的表層特性進行了系統(tǒng)研究，分析了超聲深冷處理后的試樣的塑性變形機理，闡明了殘余奧氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變、小二次碳化物的彌散強化和碳化物的均勻分布均可以增強模具鋼的表面性能。

超聲滾壓表面強化技術(shù)能夠改善材料表層的微觀組織結(jié)構(gòu)，有效提高工件的機械性能。梯度納米結(jié)構(gòu)組織具有顯著的塑性應(yīng)變幅值，可減小應(yīng)變局部化，抑制裂紋萌生，對于提高材料的疲勞性能具有積極的作用。Huang H.W.等發(fā)現(xiàn)超聲滾壓表面強化處理使材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量的位錯和形變孿晶，并發(fā)生了顯著的馬氏體相變，梯度納米結(jié)構(gòu)組織在其共同作用下形成，提高了不銹鋼試樣的疲勞強度。Amanov A.等也對納米結(jié)構(gòu)組織做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲滾壓處理后，材料表面產(chǎn)生約180μm厚的納米結(jié)構(gòu)層，引入的強烈塑性變形使試樣表層晶粒被細化至30~35nm，消除了孔隙，提高了材料的表面機械性能。由于納米結(jié)構(gòu)表面層的存在，材料的表面粗糙度降低，表層硬度提高，改善了摩擦學(xué)性能和微劃痕性。

晶粒的細化對于提高材料的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能具有積極作用。Minglong C.等分析了納米晶粒對高強度鋼疲勞性能的影響，指出晶粒尺寸的減小會引起材料表層裂紋擴展路徑變化，在一定程度上降低裂紋的擴展速度。隨著晶粒的進一步細化，裂紋的路徑方向變化也越來越多，降低了沿各個方向的裂紋長度，進而提高了疲勞強度。

有關(guān)表面納米化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，Liu D.等通過觀察17-4PH不銹鋼微觀特征發(fā)現(xiàn)，材料表層首先形成細長的超細晶粒，隨后在位錯滑移、位錯纏結(jié)、位錯帶及位錯壁的共同作用下晶粒被細化至納米尺寸（見圖3）；同時，形變孿晶與位錯的相互作用對表面納米晶粒的形成也產(chǎn)生了積極的影響。Ni Ao等則研究了粗晶粒向等軸納米晶粒轉(zhuǎn)化的過渡過程，比較了晶粒在不同深度的微觀結(jié)構(gòu)，闡明了超聲滾壓處理后材料的納米結(jié)晶機理。

超聲滾壓表面強化技術(shù)以其良好的光整特性可部分替代傳統(tǒng)滾壓和噴丸等，同時作為一種綠色制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對被處理材料表面的改性，顯著提高其表面性能，有廣闊的發(fā)展前景。但與超聲滾壓技術(shù)的發(fā)展相比，其機理研究仍處于初級階段，組織強化機理的理論分析較欠缺，未來需重點探討研究。

（3）有限元仿真

超聲滾壓表面強化技術(shù)具有良好的特性，但對超聲滾壓所涉及的工藝參數(shù)及機理進行試驗研究是一項耗時且繁瑣的工作。目前關(guān)于超聲滾壓詳細的參數(shù)化研究相對較少，而有限元仿真技術(shù)較為成熟，并且可作為一種有效的表征方法來輔助試驗研究，因此通過有限元仿真研究超聲滾壓處理后零件的表層特性，為工藝優(yōu)化和應(yīng)用尋求方法和依據(jù)非常必要。

Liu Y.等采用ABAQUS軟件建立三維動態(tài)有限元模型，對超聲滾壓處理后的參數(shù)進行評估，明確了只有當?shù)刃苄詰?yīng)變≥8時才能形成納米結(jié)構(gòu)層，總結(jié)了制備納米結(jié)構(gòu)表層所需的參數(shù)，提出了等效塑性應(yīng)變是預(yù)測納米晶粒生成的可靠手段。另外，數(shù)值分析結(jié)果和試驗測量值的吻合較好，說明利用有限元仿真技術(shù)可以對超聲滾壓產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)表層特性進行有效的預(yù)測。Wu B.等采用等效載荷法建立了簡化物理模型，并在此基礎(chǔ)上利用LS_DYNA軟件創(chuàng)建了三維有限元線性加工模型，研究了工藝參數(shù)對殘余壓應(yīng)力、塑性變形和加工硬化的影響。

殘余壓應(yīng)力是影響構(gòu)件疲勞壽命的重要因素，對超聲滾壓處理后材料表面附近的應(yīng)力大小、分布和深度進行預(yù)測是科研工作者長期關(guān)注的課題。Liu Y.等建立有限元模型預(yù)測了表層殘余壓應(yīng)力的分布，并通過模擬值與試驗值的比較對模型進行校正，證實了增加振動參數(shù)可顯著提高殘余壓應(yīng)力的大小和深度。同時，提出了等效塑性應(yīng)變理論也用于預(yù)測加工硬化層的特性及工程構(gòu)件的疲勞性能。Khan M.K.等對工程合金中的殘余應(yīng)力演化機理做出分析，模擬了不同合金的變形、應(yīng)變和應(yīng)變場，并與試驗數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)屈服強度較高的材料產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力較大，彈性模量和應(yīng)變硬化指數(shù)較高的材料殘余應(yīng)力場分布較深。

有限元仿真已經(jīng)成為分析研究超聲滾壓表面強化技術(shù)的一種重要手段，可以降低試驗的次數(shù)和節(jié)約資源。通過數(shù)值模擬對超聲滾壓處理后材料表層性能的分析成為國內(nèi)外學(xué)者的研究方向之一。

3  超聲滾壓的應(yīng)用

超聲滾壓表面強化技術(shù)較傳統(tǒng)滾壓除了具有所需滾壓力小、可引入高幅值大深度的殘余壓應(yīng)力和極大提高表面質(zhì)量等優(yōu)勢外，還可以用于高強度鋼、細長軸、薄壁類零構(gòu)件的表面強化處理，實用性較強。Fuqiang Lai等將超聲滾壓表面強化技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機排氣閥的設(shè)計中，氣門部件經(jīng)超聲滾壓處理后疲勞強度明顯提高，為內(nèi)燃機排氣閥的抗疲勞制造提供了一種新的精密高效加工方法。任學(xué)沖等針對鐵路車軸的表面損傷問題，提出了超聲滾壓技術(shù)應(yīng)用于提高鐵路車軸疲勞性能的可行性，通過對EA4T型車軸鋼試樣表面超聲滾壓處理，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以有效改善材料的表面狀態(tài)，提高車軸的疲勞壽命，對我國高性能車軸制造理論的完善與工藝技術(shù)的進步具有重要意義。

隨著超聲滾壓表面強化技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也在逐步擴大，從傳統(tǒng)的金屬材料擴展到了復(fù)合材料、表面涂層，從工業(yè)領(lǐng)域擴展到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。黃元林等利用超聲深滾技術(shù)對鋼基體電弧噴涂涂層進行表面復(fù)合強化后，發(fā)現(xiàn)涂層表面失效現(xiàn)象明顯減輕，摩擦學(xué)性能得到了明顯提高，強化效果顯著。介紹了超聲滾壓技術(shù)對鈦合金表面變形鏈球菌黏附的影響，為提高臨床口腔鈦合金修復(fù)體表面改性方法提供依據(jù)，表面被賦予獨特的結(jié)構(gòu)和良好性能，也在工業(yè)及醫(yī)學(xué)上具備了更多的應(yīng)用潛力。

現(xiàn)階段，超聲滾壓表面強化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、齒輪制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，并且正在從工業(yè)領(lǐng)域向其他領(lǐng)域擴展。作為精密工具，模具對表面粗糙度、表面硬度以及疲勞強度等都有較高要求，模具加工水平也已經(jīng)成為衡量一個國家制造水平的重要因素。因此，將超聲滾壓表面強化技術(shù)應(yīng)用于提高模具等工程部件的使用性能，是該技術(shù)的重點研究方向，具有重要的實用價值。

小結(jié)

超聲滾壓作為一種既滿足綠色加工要求，又可提高工件表面性能的制造技術(shù)，具有無切屑、高效率和低能耗等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前已經(jīng)有許多學(xué)者在超聲滾壓加工方向作出了相關(guān)研究，但研究成果還不夠成熟，從研究趨勢上看，超聲滾壓表面強化技術(shù)仍有以下問題需要進一步探索：

（1）組織強化機理可以為超聲滾壓表面強化技術(shù)的實用性及工藝的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。研究不同材料變形層晶粒尺寸、微觀形變及其變化規(guī)律，探討晶粒位錯的產(chǎn)生及滑移規(guī)律，確立微觀組織結(jié)構(gòu)與表面粗糙度、殘余壓應(yīng)力和表面顯微硬度之間的對應(yīng)關(guān)系是該技術(shù)領(lǐng)域的重點問題。

（2）開展對難加工金屬材料和非金屬材料的超聲滾壓工藝優(yōu)化的研究，根據(jù)被處理材料的物理特性來設(shè)計合理的加工方式，并對工藝參數(shù)進行優(yōu)選，實現(xiàn)工藝的優(yōu)化，從而獲得良好的表面質(zhì)量。

（3）拓展超聲滾壓表面強化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，加快該技術(shù)應(yīng)用于模具部件的表面強化與修復(fù)情況的后續(xù)研究。

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