超声滚压18CrNiMo7-6齿轮钢表面变质层性能分析

2020-06-16刘治华张天增杨孟俭戴骐隆张银霞

郑州大学学报（工学版） 2020年2期

关键词：表层粗糙度硬度

刘治华，张天增，杨孟俭，戴骐隆，张银霞

(郑州大学机械与动力工程学院，河南郑州 450001)

0 引言

材料的表面质量是决定其使用寿命的重要因素[1]。基于材料塑性流动的无屑塑性变形问题正日益受到人们的关注，提高表面的完整性逐渐成为研究的热点[2-3]。

机械表面强化技术，如喷丸强化、激光冲击强化、球抛光、深冷轧等，在零件表面引起了塑性变形，形成残余压应力、加工硬化和表面形貌变化[4]。超声振动辅助加工可降低滚压力，延长工具寿命。超声滚压在加工难加工金属合金方面有很大的优势[5-7]。

杨健坤等[8]对超声滚压过程中的颤振对表面质量的影响进行了研究，发现超声滚压可以提高被加工件的硬度、降低表面粗糙度。王婷等[9]通过对40Cr材料进行研究，发现经过超声滚压过后的40Cr在表面形成了纳米层，产生了残余压应力层，降低了表面粗糙度。任学冲等[10]对车轴材料进行了超声滚压加工，研究发现滚压后材料的疲劳性能提高，表面质量得到了显著提高。Wu等[11]对中碳钢S45C进行了超声滚压加工，研究发现加工后的试样表面形成了纳米层，其对表面性能有重要影响。Ye等[12]对304中碳不锈钢进行超声滚压加工，研究发现加工后试样的综合性能得到了提高、组织结构发生了变化。在现代机械工业中，18CrNiMo7-6齿轮钢因其良好的机械性能和力学特性，在齿轮及齿轮轴等重载工件中被大量使用，目前对18CrNiMo7-6齿轮钢进行表面强化主要以表层渗碳热处理为主，笔者对经过锻压后的材料进行超声滚压初步研究。

超声滚压加工主要有主轴转速r、进给量f、静压力Ps、滚压次数n、振幅A等工艺参数，不同的工艺参数会产生不同的加工效果，它们相互影响，相互制约[13]。因此采用合理的工艺参数提高其表面质量显得至关重要[14]。笔者采用超声滚压技术对18CrNiMo7-6齿轮钢表面进行超声滚压加工处理，并分析不同工艺参数下工件的表面质量，以得到合理的工艺参数，为实际生产应用提供依据。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

试验装置安装在CAK4085数控机床上，其中超声滚压加工工具被夹持固定在车床刀架上，超声滚压装置如图1所示。

1-车床卡盘、2-工件、3-滚压头、4-变幅杆、5-换能器、6-刀架、7-超声波发生器图1 超声波滚压装置示意图Figure 1 Diagrammatic sketch of ultrasonic rolling device

1.2 试验材料

本试验采用18CrNiMo7-6优质齿轮钢棒料，材料预处理为锻压但不进行热处理，经车削后，棒料端面的原始表面性能如下：Ra为3.003 μm，Rt为12 μm，硬度为360.9 HV。

1.3 试验方法

超声滚压试验之前，采用相同的加工参数对材料的端面进行精车加工，超声滚压完成后采用DK7732型线切割机将试样切割为5 mm厚。

采用NPFLEX型三维表面形貌测量系统测量表面粗糙度。在显微硬度计上测量滚压前后试样的显微硬度[15-16]。残余应力则采用Proto高速大功率X射线残余应力分析仪测量。在VHX-2000超景深显微镜上观察表面二维形貌，放大倍数为500倍。

2 结果与分析

2.1 工艺参数对表面粗糙度的影响

2.1.1 表面粗糙度解析模型

由文献[17]得到表面粗糙度的解析公式为：

Rt=Rti-δ+h，δ

(1)

Rt=h，δ≥h，

(2)

(3)

式中：Rt为工件的表面粗糙度；Rti为超声滚压前试样的表面粗糙度；δ为压入深度。

(4)

Pt为总作用力，可用下式得出：

Pt=Ps+Pd，

(5)

式中：Ps为静压力;Pd为动态力，其值可以表示为：

(6)

式中：A为振幅；f′为冲击频率；t为时间；ρ为滚压球的密度。

R*为相对曲率半径，可用下式得出：

(7)

式中：R1为滚压球的相对主曲率半径；R2为工件的相对主曲率半径。在滚压端面的情况下，R2为无穷大。

E*为等效弹性模量，可用下式得出：

(8)

对超声滚压后试样表面进行测量发现Rt与Ra值呈一定的关系：

(9)

式(8)中：滚压头、工件的泊松比v1、v2分别为0.21、0.35，弹性模量E1、E2分别为710 000 MPa、200 000 MPa。

2.1.2 表面粗糙度值受主轴转速和进给量的影响

选择工艺参数Ps=100 N,A=6 μm,n=3,r=200、320、500 r/min,f=0.07、0.15、0.22 mm/r时，分析主轴转速r以及进给量f对表面粗糙度的影响，如图2所示。

图2 表面粗糙度受主轴转速和进给量的影响曲线Figure 2 Effect curves of spindle speed and feed on surface roughness

由图2可以得到，当其他加工参数不变，得到较低粗糙度值的转速和进给量分别是：r=200 r/min，f=0.07 mm/r；理论计算表面粗糙度数值随进给量变化趋势和试验相一致，由于理论计算没有考虑转速的影响，因此表面粗糙度理论计算数值曲线只与转速r=500 r/min时相一致。当进给量较小或r值较小时，被加工面单位时间内受到动态冲击次数增多，相应粗糙度值较低。

2.1.3 表面粗糙度值受静压力的影响

选择工艺参数r=320 r/min，f=0.15 mm/r，n=3，A=6 μm，Ps=30、40、50、150、200、250、300、350、450 N，考察表面粗糙度受Ps的影响，试验结果如图3所示。

由图3可以得到，随着静压力从30 N到450 N变化，表面粗糙度值先减小后增大。在该种加工条件下，表面粗糙度值较小的最佳静态滚压力为200 N。这是由于超声滚压振动能够对表面产生加工硬化的效果，然而当静压力过大时，过度的塑性变形出现在试样表面，影响试样的表面质量;另一方面，过大的静压力会增加整个装置的负载，加工过程的稳定性变差，进而影响整体的加工效果。

2.1.4 表面粗糙度受滚压次数的影响

选择工艺参数r=320 r/min,f=0.15 mm/r,Ps=100 N，A=6 μm，n=2、4、6、8、10次时，分析滚压次数对表面粗糙度的影响，如图4所示。

图4 表面粗糙度受滚压次数影响的曲线Figure 4 Effect curves of rolling times on surface roughness

图4中表明：在r、f、Ps以及A都保持不变时，随着滚压次数的增加，表面粗糙度值先降低后增大。当滚压次数在2～10加工时，表面粗糙度值较小的最佳滚压次数n=4次。因为在n≤4时，适当的增加滚压的次数，在试样表面会发生进一步的加工硬化，试样表面的缺陷因此变少，但是在n>4后滚压会破坏已加工好的表面。

2.1.5 表面粗糙度受振幅的影响

选择工艺参数r=320 r/min,f=0.15 mm/r,Ps=100 N,n=3，振幅分别为4、6、10 μm时，振幅对表面粗糙度的影响如图5所示。

图5 表面粗糙度受振幅影响Figure 5 Effects of vibration amplitude on surface roughness

由图5能够看出，在主轴转速、进给量、静压力以及滚压次数都保持不变时，当振幅A=4 μm时，表面粗糙度有了较大程度改善；当振幅A=6 μm时，滚压加工后试样表面的粗糙度值达到了最小值，滚压效果最好；当振幅A=10 μm时，表面粗糙度值不降反升。因此可以得出结论：振幅A的适当增加可以使表面粗糙度值有效下降，但是振幅过大时，滚压试样的表面受到的冲击过大，对试样表面构成损伤，反而会增加试样表面的粗糙度值。

2.2 工艺参数对表面硬度的影响

2.2.1 表面硬度受主轴转速和进给量的影响

选择工艺参数Ps=100 N,A=6 μm,n=3，考察r和f对表面硬度的影响，试验结果如图6所示。

图6 表面硬度受主轴转速和进给量的影响Figure 6 Effect curves of spindle speed and feed on surface hardness

由图6可知，在Ps、n以及A都保持不变，当r相同时，随着f的增加，试样表面硬度单调减小；当f相同时，随着r的增加，试样表面硬度单调递增。在其他条件不变，r=500 r/min、f=0.07 mm/r时，滚压后18CrNiMo7-6钢将会达最大的表面硬度，其值为442.9 HV。这是因为在超声滚压加工的过程中，当f变大或r减小时，会降低试样表面超声滚压加工的覆盖率，从而降低表层金属的塑性变形程度，进而造成表面硬度下降。

2.2.2 表面硬度受静压力的影响

选择工艺参数r=320 r/min，f=0.15 mm/r，n=3，A=6 μm，Ps=50、150、200、250、300、350、450 N，Ps对表面硬度的影响试验结果如图7所示。

图7 表面硬度受静压力的影响曲线Figure 7 Effect curves of static pressure on surface hardness

由图7可知，在Ps数值增大后，滚压加工后的18CrNiMo7-6齿轮钢表面硬度也随之提高。这是由于加工过程中静压力的增大，引起加工硬化程度加剧，进而使得工件表面硬度值有所提高。

2.2.3 表面硬度受滚压次数的影响

选择工艺参数r=320 r/min，f=0.15 mm/r，Ps=100 N，A=6 μm，n=2、4、6、8、10时，n对表面硬度的影响如图8所示。

图8 表面硬度受滚压次数的影响曲线Figure 8 Effect curves of rolling times on surface hardness

由图8可知，当滚压次数n增加时，表面硬度单调递增。这是因为滚压次数增加时，加工硬化的效果也在累加，虽然增加滚压次数可以增加其硬度，但是试样的整体质量会有所下降。

2.2.4 表面硬度受振幅的影响

选择工艺参数r=320 r/min,f=0.15 mm/r,Ps=100 N,n=3，振幅为4、6、10 μm时，振幅对表面硬度的影响如图9所示。

图9 表面硬度受振幅的影响Figure 9 Effects of amplitude on surface hardness

由图9可知，随着A增加，试样的表面硬度单调递增。其原因是当选用较小振幅，试样表面滚压区域受到的冲击较小，冲击效果较差。随着A的增大，试样受到的冲击开始增大，冲击效果改善，在金属试样的表层和近表层发生更多塑性变形，形成更加致密的组织，达到细化晶粒、提高表面硬度的效果。

2.3 表层显微硬度

2.3.1 表层显微硬度受静压力的影响

选择工艺参数r=320 r/min，f=0.15 mm/r，n=3，A=6 μm。图10为表层显微硬度受静压力变化影响的曲线。

图10 表层显微硬度受静压力的影响曲线Figure 10 Effect curves of static pressure on surface microhardness

由图10能够得出，未经超声滚压的试样表面层硬度大约是360.6 HV，加工后，表层硬度在一定程度上获得了提高，并且试样表面硬度最高，当Ps=300 N时，表面硬度的最大值约为419.9 HV，随着深度的增加，硬度值逐渐下降并最终稳定下来。当静压力采用50、200、300 N时高硬度层分别为60、140、300 μm，在深度大于这些数值后硬化效应不再显著。表明超声滚压处理，会在工件表面形成变质层，增加Ps能显著提高工件表面变质层深度。这是因为在进行超声滚压加工时，Ps的提升会导致试样表层金属发生塑性变形的区域增大，进而导致位错密度的增加，晶粒更加细化，表面变质层深度增加。

2.3.2 表层显微硬度受滚压次数的影响

选择加工工艺参数r=320 r/min，f=0.15 mm/r，Ps=100 N，A=6 μm。图11为n对表层显微硬度的影响曲线。

图11 表层显微硬度受滚压次数的影响曲线Figure 11 Effect curves of rolling times on surface microhardness

从图11中可以看出，经超声滚压加工的试样表层硬度有了较大程度提高，并且试样表面硬度最高，当n=6次时，表面的硬度值为最大值，约为430.4 HV，随着深度的增加，硬度值下降并在一定深度处稳定下来。随着n从2次增至4次再增至6次，硬度趋于稳定的深度也从100 μm增至200 μm最终增至300 μm。综合上述，n对加工效果有较大影响，随着n的增加，表面硬度和变质层的深度也随之增加。这是由于随着n增加，表层晶粒更加细化。

2.4 残余应力

2.4.1 残余应力受静压力的影响

选择的加工工艺参数r=320 r/min，f=0.15 mm/r，n=3，A=6 μm。图12为Ps对表层残余应力的影响曲线。

图12 表层残余应力受静压力的影响曲线Figure 12 Effect curves of static pressure on surface residual stress

从图12中可以看出，原始试样表面的残余应力约为-3.10 MPa，在160 μm深度处，试样的残余应力值大于0。随着Ps从50 N变为200 N再变为300 N，残余应力最大值从-512.40 MPa增大到-606.76 MPa，最终增至-672.04 MPa，残余应力的层深也从700 μm最终深至800 μm。残余压应力值由负变正。从以上可以得出，最大残余压应力随着Ps的增加，峰值与深度也在增加。

2.4.2 残余应力受滚压次数的影响

图13 表层残余应力受滚压次数的影响曲线Figure 13 Effect curves of rolling times on surface residual stress

选择工艺参数r=320 r/min，f=0.15 mm/r，Ps=100 N，A=6 μm。图13为n对表层残余应力的影响曲线。从图13可以看出，随着滚压次数从2次增加到4次再增加到6次，残余应力最大值从-584.56 MPa增大至-753.16 MPa，最终增至790.97 MPa，残余应力的层深也从500 μm加深至700 μm，最终加深至800 μm。