CN114182076A - 一种通过预制表面加工纹理的超声滚压表面残余应力调控方法 - Google Patents

一种通过预制表面加工纹理的超声滚压表面残余应力调控方法 Download PDF

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胡雨童
栾晓圣
冯博雅
谭浩
李泽坤
杜宇超
王西彬
周天丰
沈文华
仇天阳
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Abstract

本发明公开一种通过预制表面纹理后进行超声滚压的金属材料表面残余应力调控方法，属于金属材料表面强化技术领域。基于预制纹理的不同和超声滚压参数的不同，可以获得不同的残余应力的幅值和影响层深度，从而实现对金属材料表面残余压应力幅值和影响层深度的调控。

Description

一种通过预制表面加工纹理的超声滚压表面残余应力调控 方法
技术领域
本发明属于金属材料表面强化技术领域，特别涉及一种金属材料表面预制纹理后进行超声滚压的表面残余应力调控方法。
背景技术
金属工件的使用寿命大多取决于其表面特性，为了延长工件的使用寿命，增加经济效益，人们提出了多种加工工艺，例如超声喷丸加工、超声冲击处理、激光冲击处理和超声滚压加工等。超声滚压是一种动态滚压，是利用超声冲击能量和静载滚压相结合，对金属零部件表面进行高速撞击处理，使零件表层材料产生较大的塑性变形，卸载后形成有益的残余压应力，从而强化被加工表面。超声滚压技术具有操作简单、低成本以及加工效率高等特点。超声滚压加工将超声冲击和滚压加工结合，对工件的表面进行高频冲击处理，使金属工件表面产生塑性变形，从而改善金属表面状态，提高工件的表面性能。
在金属工件加工过程中，特别是磨削加工，通常会产生残余拉应力，残余拉应力的存在一定程度上缩短了零件的使用寿命。为了提高金属工件的使用寿命，通常需要引入一定程度的残余压应力。传统的强化方法虽然在一定程度上能够改变材料的表面应力状态，但是由于工艺处理不合理，会造成金属工件表面粗糙度增大和应力集中。随着超声加工技术的发展，超声振动加工已成为材料强化工艺发展的新方向。在保持预加工的精度下，超声滚压加工可以大幅度提高工件表面光洁度，形成一定的残余压应力层，表面微观形貌得到进一步的改善，使工件表层金属组织纤维化和纳米化，从而提高材料的使用寿命。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种基于表面加工纹理的超声滚压表面残余应力调控方法。通过设定加工参数并结合金属工件的材料性质，在金属工件表面预制拥有不同几何特征的表面纹理。通过预制表面纹理，实现金属材料表面残余压应力幅值和影响层深度的调控。
一种基于表面加工纹理的超声滚压表面残余应力调控方法，包括：
对金属工件进行车削、磨削加工获得表面较为光滑的初始工件；对所述初始工件的表面进行进一步的加工制作出表面纹理从而获得预加工工件；对所述预加工工件进行超声滚压加工以使其表面残余压应力分布均匀并改善表面粗糙度。
不同的表面加工工艺可以获得不同的表面纹理，例如分别通过粗车、精车和磨削制作出三种带有不同表面纹理的预加工工件；带有不同表面纹理的预加工工件经过相同参数的超声滚压加工后可以获得不同的残余应力纵深分布，如此即可实现对工件表面残余应力的调控。
附图说明
图1为不同预制纹理在超声滚压前后工件表面粗糙度变化示意图；
图2为不同预制纹理在超声滚压前后工件表面残余应力变化示意图；
图3为不同预制纹理在超声滚压后工件表面残余应力表面纵深分布。
其中，(a)粗车；(a-1)粗车+超声滚压；(b)精车；(b-1)精车+超声滚压；(c)磨削；(c-1)磨削+超声滚压；Ra(μm)为粗糙度；σr(MPa)为残余应力；d(mm)为距离表面的深度。
具体实施例
本实施例为超高强度钢(45CrNiMoVA)，获得其在预制不同表面纹理下进行超声滚压的表层残余应力调控方案，具体步骤及参数如下：
(1)初始工件使用材料：超高强度钢，其热处理状态为高温淬火(870℃)+低温回火(210℃)，材料组织为回火马氏体为主，是一种冷塑性变形能力较差的超高强度钢。利用机械加工手段对初始工件进行加工，在实现一定加工精度的同时产生表层强化效果，并使其具有较为光滑的表面。
(2)利用车床加工初始工件，材料以进给速度0.4mm/r进行加工，得到预制纹理1，得到其表面粗糙度2.0μm<Ra<2.1μm；利用车床加工初始工件，材料以进给速度0.1mm/r进行加工时，得到预制纹理2，得到其表面粗糙度1.2μm<Ra<1.3μm；利用磨床对初始工件进行磨削加工，材料以进给速度0.1mm/r，得到预制纹理3，其表面粗糙度0.8μm<Ra<1.0μm。
(3)利用超声滚压的方式对带有表面纹理的工件表面进行强化冲击，选取同一滚压参数：预紧力1300N，超声振幅为8μm；带有预制纹理1的工件进给速率为0.4mm/r；带有预制纹理2的工件进给速率为0.1mm/r；带有预制纹理3的工件进给进料速率为0.1mm/r；
(4)通过激光扫描显微镜测量表面形态和表面粗糙度Ra，每个点拍摄5次取平均值，得到超声滚压前后45CrNiMoVA低合金结构钢表面粗糙度变化示意图，如图1所示。
(5)通过X射线衍射仪在以下测试条件下测量残余应力：倾斜固定ψ方法，互相关法定峰值，辐射Cr-kα，ν角为0°，45°，衍射晶体表面(211)，管电压20kV，管电流为5mA，扫描范围为145°至168°，步长0.2°，得到超声滚压前后工件表面残余应力变化示意图，如图2所示；通过层通过电抛光层测量剩余应力的深度方向，得到超声滚压前后工件表面残余应力表面纵深分布，如图3所示。
(6)带有预制纹理1的工件在超声加工后，残余压应力最大值发生在近表面0.1mm处，约-920MPa；带有预制纹理2的工件在超声加工后，残余压应力最大值发生在近表面约0.05mm处，其值大小为-1150MPa；带有预制纹理3的工件在超声加工后，残余压应力最大值发生在近表面约0.1mm处，其值大小为-1080MPa；实验结果表明，在不同预制表面加工纹理下进行超声滚压得到的表面层残余应力特点为：表面纹理2下超声滚压后得到的表面残余压应力幅值最大；表面纹理1下超声滚压后得到的亚表层残余压应力幅值最大；表面纹理2下超声滚压后得到的残余压应力影响层深度最大。

Claims (4)

1.一种超声滚压表面残余应力调控方法，其特征在于，在超声滚压前对工件表面进行机加工获得表面纹理，选择不同的机加工类型和不同的机加工工艺参数可以获得不同的表面纹理从而在超声滚压后获得不同的残余压应力幅值和影响层深度。
2.根据权利要求1所述的一种超声滚压表面残余应力调控方法，其特征在于，机加工类型为粗车、精车或者磨削加工。
3.根据权利要求1所述的一种超声滚压表面残余应力调控方法，其特征在于，所述的表面纹理的不同为表面粗糙度范围的不同。
4.根据权利要求1所述的一种超声滚压表面残余应力调控方法，其特征在于，对于相同表面纹理的工件还可以通过改变超声滚压的预紧力、振幅和输出频率，进一步改变工件表层残余压应力的幅值及其影响层深度分布，实现工件表面残余压应力幅值和影响层深度的调控。
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