超聲表面強化技術的研究進展*

鄭建新 羅傲梅 劉傳紹

（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454003）

磨損、腐蝕和疲勞是機械零件失效的主要形式。各類機械裝備中承受動載荷的重要承力件因磨損、腐蝕和疲勞而造成設備壽命短、能耗高，由此每年給我國帶來上千億元的經(jīng)濟損失［1］。采用表面強化技術，可使零件表層產(chǎn)生殘余壓應力、冷作硬化并減小表面粗糙度值，進而提高零件的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強度，已在航空、汽車工業(yè)和礦山機械等諸多領域得到廣泛應用。

表面強化技術是采用機械加工、化學熱處理和表面涂覆等工藝對零部件表面進行處理，使零部件表面獲得與基體材料不同的組織結構和性能。按強化原理主要分為化學熱處理、表面涂覆處理和表面形變強化等幾大類。在各類里面又可以根據(jù)工藝特點、物理現(xiàn)象等的不同分為很多具體的工藝技術形式，如表面形變強化又可分為噴丸、滾壓和內孔擠壓等［2］。

隨著超聲加工技術的發(fā)展，將超聲頻振動引入到表面強化工藝中，即進行超聲表面強化，已成為表面強化技術發(fā)展的新方向。超聲表面強化技術是在傳統(tǒng)的表面強化工藝基礎上施加超聲頻振動，實現(xiàn)超聲加工技術和傳統(tǒng)表面強化技術的優(yōu)勢互補，達到優(yōu)良的強化效果，并提高了效率。超聲表面強化技術較好地解決了部分機器零部件的磨損、腐蝕和疲勞難題，特別是在低剛度零件如薄壁/薄板零件和細長軸的表面強化方面，取得了很好的應用效果。

超聲表面強化技術種類多、應用廣，本文簡要介紹幾種比較成熟的超聲表面強化工藝的研究進展，包括超聲噴丸、超聲擠壓、超聲滾壓和超聲振動輔助電火花脈沖放電等。

1 超聲噴丸

超聲噴丸（Ultrasonic Shot Penning）是利用超聲波的高頻沖擊載荷對金屬表面進行高速重復沖擊，在金屬表面產(chǎn)生較深的殘余壓應力層和硬化層，進而明顯提高金屬零件的強度、耐腐蝕性和疲勞壽命。

噴丸可追溯到1927年Herbert發(fā)表的《鋼的表面強化》，我國于上世紀50年代引入噴丸技術。噴丸撞擊動能有限，產(chǎn)生殘余壓應力層的深度較淺，且噴丸通常會增大零件的表面粗糙度值，超聲噴丸則克服了這些缺陷。超聲噴丸技術可以產(chǎn)生更大、更深的殘余壓應力層，且操作方便，無污染，主要應用于航空航天、國防工業(yè)、汽車制造業(yè)和核電廠等，特別適合于對蒙皮較厚的焊接機身整體壁板的噴丸校形，如空客公司采用超聲噴丸對焊接機身壁板實現(xiàn)了噴丸校形［3］。

張新華等人［4］對7075－T651鋁合金進行超聲噴丸處理，發(fā)現(xiàn)處理后材料表面粗糙度值僅為普通噴丸后的35.5%，而最大殘余壓應力增大了31.9%，表明超聲振動對表面粗糙度和殘余壓應力影響顯著。劉海英等人［5］用有限元分析方法對超聲噴丸過程進行數(shù)值仿真，結果表明殘余應力層深度和殘余應力大小隨丸粒直徑和密度的增大而增大。

因超聲噴丸強化過程中涉及的參數(shù)主要有處理時間、丸粒量、工具頭振幅、工件移動或轉動速度等，受控因素少且可精確控制，噴丸后金屬材料表面易實現(xiàn)納米化，目前已在銅、不銹鋼、純鈦、鐵和低碳鋼等表面制備納米尺寸晶體。超聲噴丸技術使金屬材料表面納米化已成為研究熱點［6－8］。馮淦等人在普通20鋼表面成功制備出約10 μm厚度的納米結構層，且表層晶粒尺寸約為10 nm;N.R.Tao等人在純工業(yè)鐵板表層也獲得約10 nm的超細晶粒;Bohdan等人在不銹鋼和鈦合金表層均制備出厚度達10～15 μm的納米晶體層，且α－鈦合金表層晶粒尺寸最精細，不到10 nm。超聲噴丸處理使試件表面產(chǎn)生細致均勻的納米晶體結構，殘余壓應力和加工硬化也相對增大，這些因素都促使試件疲勞強度的提高。

超聲噴丸強化系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、振動工具頭和噴丸室等部分組成，其中變幅桿的設計較為關鍵。王翠英等人［9］用解析法設計了級聯(lián)式變幅桿，并借助ANSYS軟件研究了其動力學特性，得到級聯(lián)式變幅桿比單一變幅桿具有更大的振幅放大比，為新型變幅桿的設計、校核和分析提供了新的途徑。法國SONATS公司于1996年開始超聲噴丸技術研究，1999年在第7屆國際噴丸會議上首次展示了超聲波噴丸強化設備，并于同年在航空航天工業(yè)得到應用［10］。該公司開發(fā)的便攜式超聲噴丸強化設備在薄壁零部件的成形和校形以及大型零部件強化處理方面發(fā)揮了重要作用，如現(xiàn)場進行焊接機身整體壁板的校形、對核設施等一些難于拆卸的大型零部件強化等，這些功能通常是傳統(tǒng)的噴丸強化設備無法實現(xiàn)的。南京航空航天大學也自主研制成功了超聲噴丸裝置［11］。

超聲噴丸強化技術已經(jīng)發(fā)展了一段時間，積累了一定數(shù)量的研究成果，但超聲噴丸機理以及一些關鍵技術如超聲噴丸強化過程中的力學模型構建、噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化等的研究仍是當前研究重點和熱點。

2 超聲振動擠壓

超聲振動擠壓（Ultrasonic Extrusion）是工具頭在預壓力和高頻縱向沖擊力的作用下撞擊工件表面，使工件表面的微觀峰谷被壓平，同時表層金屬產(chǎn)生塑性變形強化，形成壓應力，進而提高零件表面耐疲勞強度。有研究者提出的為超聲波輔助拋光或無磨粒超聲拋光其加工機理與超聲振動擠壓基本相同［12－14］。超聲振動擠壓可獲得普通擠壓加工和超聲噴丸的綜合效果，擠壓過程平穩(wěn)、作用力小、工件受力均勻，且改善了工具頭與工件間的摩擦狀況，在車輛、船舶制造業(yè)、航空航天、建筑和精密電子等行業(yè)獲得廣泛應用，尤其適合于常規(guī)擠壓難達到要求的薄壁、細長類工件的強化加工。

超聲振動擠壓強化效果受擠壓力、擠壓速度、進給量、擠壓次數(shù)、工具頭球面半徑、振動頻率與振幅等工藝參數(shù)的影響。王義等人做了較系統(tǒng)的研究，其研究成果表明［15］:擠壓力影響作用最顯著，擠壓速度和進給量對強化效果影響較小，工具頭振幅大約在5～8 μm之間時，超聲振動擠壓強化效果較好。Mousavi等人［16］引入有限元分析方法來研究超聲擠壓過程，發(fā)現(xiàn)超聲振動擠壓可降低擠壓力和材料屈服應力，但對材料塑性應變影響不大;相對于振幅，振動頻率對擠壓力的影響不大;工具與工件之間的摩擦對縱向振動影響很大。鄭建新等人［13－14］采用正交試驗法對45鋼軸件進行無磨粒超聲拋光工藝試驗，結果表明進給量增大，表面粗糙度值增大;工具頭半徑、預壓力和超聲波發(fā)生器的輸出功率對表面粗糙度的影響曲線為駝峰曲線。

在超聲振動擠壓裝置研究方面，最初的振動擠壓裝置采用整體式或焊接式結構的工具頭，變幅桿常是單一結構;而新型的超聲振動擠滾壓裝置的工具頭則設計成可轉動的滾柱結構，改滑動擠壓摩擦為擠滾壓式滾動摩擦，其實質已類似于超聲滾壓，而變幅桿采用兩段或多段組合的復合變幅桿，工具頭與變幅桿之間常用螺紋連接［17］。

超聲振動擠壓技術發(fā)展較快，研究成果豐富，但尚有些問題需要進一步探索研究，如基于擠壓工具頭的超聲振動擠壓聲學系統(tǒng)設計、擠壓過程中超聲振動聲學系統(tǒng)的頻率和振幅的變化規(guī)律及對擠壓強化質量的影響等，仍是該技術領域中的重要研究課題。

3 超聲滾壓

目前國內外研究者提出的超聲表面滾壓（Ultrasonic Surface Rolling）、超聲深冷滾壓（Ultrasonic Deep Cold Rolling）和超聲深滾（Ultrasonic Deep Rolling）都是一種動態(tài)滾壓，在加工機理上是完全一樣的，均是利用超聲沖擊能量和靜載滾壓相結合，對金屬零部件表面進行高速撞擊處理，使零件表層材料產(chǎn)生較大的塑性變形，卸載后形成有益的殘余壓應力，從而強化被加工表面。

超聲滾壓加工過程中，超聲振動作用使工具相對工件移動時的摩擦阻力減小，材料的塑性變形發(fā)生明顯變化，工件表面粗糙度值大幅度減小，表面顯微硬度和殘余壓應力得到提高，表面金相組織也得到細化，從而提高零件的接觸面積、承載能力、耐磨性、耐蝕性、耐疲勞強度和配合穩(wěn)定性等性能。超聲滾壓是一種無屑拋光強化過程，材料的塑性流動實現(xiàn)了工件表面的“削峰填谷”，且不同程度地克服了噴丸、滾壓等傳統(tǒng)工藝的缺陷，因而其應用不僅覆蓋了噴丸、滾壓等工藝的應用范圍，還在壓力容器、海洋工程、電力等領域得到擴展，尤其是對航天航空工業(yè)廣泛應用的鈦合金的強化效果顯著。

國內外眾多研究者認為，超聲滾壓加工表面納米化成因是形變誘導晶粒細化，而金屬表面結構納米化是促使表面強化的關鍵原因之一［18］。超聲滾壓表面納米化和強化效果與工藝參數(shù)如主軸轉速、軸向進給、加工次數(shù)、靜壓力和振幅等密切相關。

王婷等人［18－19］的研究表明，40Cr試樣經(jīng)過超聲表面滾壓處理后，其表面產(chǎn)生了較均勻的納米層，納米晶粒尺寸細化至3～7 nm，在表層附近區(qū)域還形成了厚度約為200 μm的流變組織，且晶粒尺寸沿厚度方向呈梯度分布;主軸轉速和軸向進給越大，表面粗糙度值越大;加工次數(shù)、靜壓力和振幅對表面粗糙度的影響趨勢相似，在適當范圍內增大，可有效改善表面質量。Liu等人［20］通過建立超聲表面滾壓加工過程的三維有限元模型，來預測導致試樣表面納米化的加工條件，并將表面變形和應力應變的模擬結果用來研究評估納米結構層的性能。Bozdana等人［21］和 Tsuji等人［22］對 Ti－6Al－4V試樣進行了超聲深冷滾壓處理，結果表明超聲深冷滾壓需要更小的靜壓力就可以獲得較大的表面塑性變形，同時在表面產(chǎn)生了高幅值、大深度的殘余壓應力，表面層得到硬化，工件抗疲勞強度和抑制裂紋擴張的能力提高。呂光義等人［23］在TC4表面制備線形和圓形的模擬缺口，定量研究超聲深滾處理減小TC4表面粗糙度值和修復表面損傷的作用，研究結果表明，超聲深滾加工能顯著消除加工痕跡、表面微損傷等表面缺陷，對提高和恢復老舊零件疲勞性能的作用重大，同時大幅度減小零件表面粗糙度值，可以使磨削態(tài)的鈦合金表面粗糙度由Ra2.32 μm減小到Ra0.11 μm。Ding等人［24］利用摩擦學相關原理分析了表面形變大小與工藝參數(shù)之間的關系，為工藝參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。

超聲滾壓設備同超聲擠壓加工設備一樣，可以直接安裝在傳統(tǒng)的車床、銑床、加工中心或機械手上實現(xiàn)表面強化處理。

超聲滾壓作為一種新型的表面強化技術，其工藝在近幾年內獲得飛速發(fā)展，但超聲滾壓機理方面的研究特別是理論性研究相對滯后。研究者們對超聲滾壓加工的研究主要集中在工藝實驗上，對加工過程中表面創(chuàng)成機理、組織強化機理、材料疲勞性能強化機理等理論分析還比較薄弱，甚至尚未見公開文獻報道。

4 超聲振動輔助電火花脈沖放電加工

超聲振動輔助電火花脈沖放電加工（Ultrasonic Vibration Pulse Electro－discharge Machining）是在工具電極上輔助超聲頻振動，依靠脈沖放電產(chǎn)生的瞬時高溫使工具電極表面材料局部熔化、汽化，涂覆或者擴滲到工件材料表面，形成合金化的表面層，達到強化表面的目的。

超聲振動改善了放電加工條件，可解決電火花脈沖放電加工中表層涂覆層分布不均勻等缺陷。同時，加工間隙放大，使放電過程趨于穩(wěn)定，且空載和拉弧現(xiàn)象的發(fā)生機會減少，放電能量利用率提高。此外，超聲振動的空化作用，不但起到細化和均勻電蝕產(chǎn)物的作用，還會加速工具電極熔化速度，使更多的電極材料細化后與工件表面發(fā)生冶金反應融合在一起，不斷導致表面強化層硬度提高，工件表面粗糙度值也相應減小。鑒于這些特點，超聲振動輔助電火花脈沖放電主要應用于機械制造、電器、交通和紡織等行業(yè)的各類工具、模具和零部件的表面強化上，特別是對已磨損的的磨具、量具、刀具刃口等的強化和微量修補。

近年來，國內外研究者對零部件表面強化效果和效率的影響因素做了大量研究。Sundaram等人［25］探討了基于田口方法的超聲振動輔助電火花脈沖放電的加工參數(shù)選擇問題，選擇合理的振幅和頻率，該強化工藝可提高材料去除率，減小表面粗糙度值，獲得優(yōu)于無超聲輔助強化時的強化層性能。董春杰等人［26］以65Mn鋼為實驗對象進行強化試驗，結果表明工具電極輔助超聲振動對表面強化層的表面質量有顯著影響，選擇合適的振幅和頻率，可以改善強化層的表面粗糙度和表面形貌，使強化層厚度分布更為均勻致密，并增加強化相的數(shù)量。Chaiya等人［27］實驗研究了有超聲振動和無超聲振動輔助時電火花脈沖放電加工硬質合金的效果，結果表明在電火花脈沖放電加工過程中附加超聲頻振動，可有效改善加工后硬質合金表面粗糙度，同時材料去除率也明顯提高，促進了加工效率。

超聲振動輔助電火花脈沖放電加工不僅在材料表面強化方面有一定的應用，同時在加工微小孔方面也發(fā)揮著有利作用。Jia等人與胡建華等人著重研究了超聲振動輔助電火花微小孔加工中超聲參數(shù)對加工效率的影響，發(fā)現(xiàn)超聲能顯著改善極間工作液的循環(huán)，占空比為1/2時加工效率最高且材料去除率高，排屑條件改善［28－29］。

超聲振動輔助電火花脈沖放電加工系統(tǒng)包括超聲振動裝置和電火花表面強化機2個模塊。超聲振動裝置由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿等組成，與常規(guī)超聲加工技術中的超聲系統(tǒng)沒有區(qū)別。最早的電火花表面強化機是1950年前蘇聯(lián)中央電氣科學研究所研制的yHp系列強化機;蘇州電加工機床研究所在1977年研制出了系列強化機［30］。近幾十年來，強化機在研制上又取得了新的進展，相繼出現(xiàn)了可用于多種強化工藝的大電流調節(jié)范圍的強化機、脈沖發(fā)電電火花表面強化修復機等［30］。

目前超聲振動輔助電火花脈沖放電加工技術在實際工程制造中的應用并不普遍。在限制該項工藝獲得普及的眾多原因之中，超聲振動輔助電火花脈沖放電強化設備研發(fā)滯后無疑是最主要的。當前使用的表面強化設備大多數(shù)仍是小功率強化機，效率低且強化效果不佳，新型設備的研制應是當前的重點研究工作。

5 結語

隨著產(chǎn)品性能的不斷提高，重要零部件的工作環(huán)境越來越嚴苛，對機械零部件的表面性能和使用壽命要求越來越高，表面質量問題變得更加突出和復雜。應運而生的超聲表面強化技術實現(xiàn)了超聲加工技術和傳統(tǒng)表面強化技術的優(yōu)勢互補，其強化質量和效率均優(yōu)于傳統(tǒng)的表面強化技術。超聲表面強化技術的研究雖已取得豐富的成果，但在基礎理論、工藝技術以及加工裝置或機床方面，仍需開展深入的研究工作。

（1）在基礎理論方面，需繼續(xù)深入研究強化機理、表面創(chuàng)成機理以及超聲振動與表面強化耦合機理等理論;需充分利用迅速發(fā)展的有限元方法及計算機技術，進行表面強化數(shù)值模擬研究，預測加工后表面特性，為超聲表面強化技術的工程應用提供指導。

（2）在工藝技術方面，需結合基礎理論探討最優(yōu)工藝參數(shù)，實現(xiàn)強化質量和效率并重，降低加工成本;需積極吸收超聲加工新技術，開創(chuàng)新的超聲表面強化工藝，如二維振動超聲表面強化技術等，以進一步促進超聲表面強化技術的工程應用。

（3）在加工裝置以及機床方面，需進一步加強超聲振動聲學系統(tǒng)的研發(fā)，并引入數(shù)控加工技術，以適應復雜型面的表面強化需求，進一步拓展超聲表面強化技術的應用領域。

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