1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:张 彪,王晓强,田英健,等.超声振动表层强化技术研究现状及展望 J.塑性工程学报,2023,30(2):16-25.ZHANG Bi-ao,WANG Xiaoqiang,TIAN Yingjian,et al.Research status and prospect of ultrasonic vibration surface strengthening technology J.Journal of Plastic-ity
2、 Engineering,2023,30(2):16-25.基金项目:国家自然科学基金资助项目(U1804145);国家重点研发计划(2018YFB2000405)通信作者:王晓强,男,1972 年生,博士,教授,主要从事超声振动表面强化研究,E-mail:wang_xq2002 第一作者:张 彪,男,1997 年生,硕士研究生,主要从事超声振动表面强化研究,E-mail:zhang_b2020 收稿日期:2022-04-04;修订日期:2022-11-03超声振动表层强化技术研究现状及展望张 彪,王晓强,田英健,王浩杰,付浩然,曹丽茹(河南科技大学 机电工程学院,河南 洛阳 471003)摘
3、 要:阐述了超声振动滚压技术对工件的表层强化原理,对超声振动滚压技术表面强化的研究现状进行了总结,指出了现阶段超声振动滚压技术表面强化研究的发展方向。依据超声振动滚压技术的研究思路,对超声振动喷丸技术进行了论述。介绍了超声振动表面强化与其他技术的复合强化原理及研究现状。对超声振动表层强化技术的发展方向进行了展望,包括向绿色可持续方向发展、超声强化与其他技术复合和创建工艺参数与强化效果之间的数据库。总结了当前超声振动强化技术及超声振动复合强化技术的研究。关键词:表面强化;超声滚压;超声喷丸;超声振动复合强化技术中图分类号:TG115 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-
4、0016-10doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.002Research status and prospect of ultrasonic vibration surface strengthening technologyZHANG Biao,WANG Xiao-qiang,TIAN Ying-jian,WANG Hao-jie,FU Hao-ran,CAO Li-ru(School of Mechanical Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,C
5、hina)Abstract:The principle of workpiece surface strengthening by ultrasonic vibration rolling technology was described,the research statas of surface strengthening by ultrasonic vibration rolling technology was simmarized,and the development direction of surface strengthening re-search by ultrasoni
6、c vibration rolling technology at the present stage was indicated.According to the research idea for the ultrasonic vibra-tion rolling technology,the ultrasonic vibration shot peening technology was discussed.The strengthening principle and researches status of composite process of ultrasonic vibrat
7、ion surface strengthening and other technologies were introduced.The development direction of ultra-sonic vibration surface strengthening technology was prospected,including green and sustainable development,the combination of ultrasonic strengthening with other technologies,and the establishment of
8、 database between process parameters and strengthening effect.The current re-searches on ultrasonic vibration strengthening technology and ultrasonic vibration composite strengthening technology were summarized.Key words:surface strengthening;ultrasonic rolling;ultrasonic shot peening;ultrasonic vib
9、ration composite strengthening technology 引言材料的表层性能主要包含以下两个方面:一是材料的缺陷,主要指材料的表面粗糙度和裂纹及凹痕等;二是材料的显微组织、表层硬度和残余应力等。随着技术的发展,工件的使用朝着更高精度、更长使用寿命和更高疲劳强度的方向发展,但传统的机械表层强化工艺(如滚压1和喷丸2)会对工件产生一定强化效果,但存在局限性,如达不到表面粗糙度和硬度要求,甚至可能存在严重表层应力变形3,从而达不到工件工作的表层性能要求。超声振动表层强化技术将超声振动引入传统表层强化技术,使传统表层强化技术获得规律的振动冲击,工件表层获得一定塑性变形以达到强
10、化工件表层性能的目的。超声振动表层强化技术具有改变工件表层硬度和残余应力、降低表层粗糙度、减小工作装置与工件的摩擦、延长工件的使用寿命以及大幅提升常规装置的潜力等优点4-6。超声振动表层强化技术因其优越的加工性能而在机械工业中得到广泛应用,主要包括超声滚压、超声喷丸,并且将超声振动表层强化技术与其他特种加工技术相结合,逐渐发展出超声滚压-激光脉冲、超声滚压-电火花沉积等多复合加工技术。在提升工件的表层性能方面解决了许多关键问题,取得了良好的效果,超声振动表面强化技术的发展如图 1 所示。本文首先针对超声振动滚压技术和超声振动喷丸技术技术的原理展开论述,在此基础上对不同超声强化表层工艺的研究现状
11、进行总结,论述复合技术对工件表层的强化机理;针对超声振动表层强化工艺与非传统工艺相结合的复合工艺展开论述;最后对超声表面强化技术的发展进行展望。图 1 超声振动表面强化技术的发展Fig.1 Development of ultrasonic vibration surface strengthening technology1 超声振动强化技术研究现状1.1 超声振动滚压技术超声振动滚压技术是一种将传统滚压与超声振动技术相结合的复合加工工艺,在工件表面强化中得到了广泛使用。其原理是在常温下通过超声发生装置给予滚压头一定的超声振动,同时滚压头给予工件表面一定的静压力,使得工件表层发生冷作硬化。由
12、于超声振动的存在,滚压头会对工件表层进行连续冲击,使工件表层产生一定的塑性变形,从而提升工件的表层性能。超声振动滚压加工原理如图 2 所示14,图中 n 为工件转速,F 为静压力,vf为超声振动滚压头进给速度,A 为振幅。超声振动滚压技术对工件表层性能影响的研究主要通过实验和软件仿真。两种研究方法均是针对工艺参数与工件表层强化效果之间的关系。众多学者研究并证明了超声振动滚压技术处理后工件表层性能远远优于传统滚压技术。许全军等7使用超声振动滚压技术对45 钢加工后,发现工件的屈服强度提高了 83.3%,加工硬化指数降低了68.3%。柳阳等8在合金表层添加一层 Al2O3粉末,经过超声滚压后,试样
13、的表层形成一层厚度约为图 2 超声振动滚压加工原理示意图14Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic vibration rolling processing principle147 m 的薄膜,使得基体粗糙度降低 50%,硬度提高 98%。进给量大小会影响工件的表层硬度。王晓强等9使用 Defrom-2D 软件建立了轴承套圈的仿真模型,针对进给量对工件表层性能进行了研究,如图3 所示,发现进给量越大,硬化层深度越薄,从而降低了工件表层硬度。进给速度也会对工件的表层粗糙度产生影响。SATTARI S 等10使用超声振动滚压对 Al-3vol%SiC71 第
14、2 期张 彪 等:超声振动表层强化技术研究现状及展望图 3 超声振动滚压加工进给量对表层硬度的影响9Fig.3 Influence of ultrasonic vibration rolling processing feeding amount on surface hardness9材料进行表面强化时发现,降低进给量可提高工件的表层粗糙度和提升表层硬度。王晓强等11使用Deform 有限元软件对 42CrMo 材料进行了超声振动滚压研究,发现表面粗糙度随着进给量增大而提高,如图 4 所示。图 4 超声振动滚压加工进给量对粗糙度的影响11Fig.4 Effect of ultrasonic
15、vibration rolling processing feeding amount on roughness11进给量影响硬化层厚度,硬化层厚度又对表层残余应力存在影响。WU D 等12使用超声振动滚压对航空发动机叶片的表层性能进行了研究,发现超声振动滚压后工件的表层残余应力随着硬化层厚度的增加而减小。进给量大,工件表面受到的冲击和挤压不均匀,甚至出现加工跳跃,致使工件表层材料变形不均匀、不充分,加工硬化部分材料出现硬度和粗糙度的增加。静压力大小也会影响工件侧表层残余应力。BOZDANA A T 等13对 Ti-6Al-4V 薄壁工件实施了多种表面强化技术,发现相对于传统滚压技术,超声滚压
16、技术采取低静压力即可对工件表层完成塑性变形。焦锋等14使用 ANSYS 软件对 12Cr2Ni4A 齿轮钢外圆建立了有限元模型,发现随着超声振动滚压加工静压力的增大,工件表层的残余压应力也呈正比增大,如图 5 所示。ZHANG Y L 等15通过调整静压力的大小对工件进行超声振动滚压实验,发现随着超声振动滚压静压力的增大,工件表层的粗糙度逐步降低,如图 6 所示。静压力的增加会增大工件表层的塑性应变能、塑性变形长度、晶粒细化程度以及位错密度,使得工件表层形成致密的残余应力层。图 5 超声振动滚压加工静压力对残余应力的影响14Fig.5 Effect of static pressure of ultrasonic vibration rolling processing on residual stress14部分学者进行了超声振动滚压技术对工件疲劳性能和使用寿命的影响研究。马梦阳等16使用超声滚压技术对 C53 钢材料的接触疲劳性能进行了研究,发现经过超声滚压加工,C53 钢的表层各方面性能均得到一定程度的提升,表层硬度提升了77.7 HV,表层残余压应力提升-1109.8 MPa;