（材料加工工程专业论文）超声金属表面纳米化及摩擦磨损性能研究.pdf

中文摘要 材料的组织结构直接影响着材料的使用性能，为了满足工作环境对材料的特 殊需求，人们提出了多种表面改性技术。与传统的表面改性处理工艺措施相比， 超声表面加工处理是一种方便、高效、低成本的方法，它能在金属机械零部件的 表面大规模获得纳米结构表层的同时，还获得表面几何形态纳米化，从而提高金 属的表面性能。 本文采用天津大学焊接教研室研制的t u m s n t - i 型超声表面纳米加工处 理装置对4 5 钢、4 0 c r 钢和铸铝棒材进行加工处理。利用透射电子显微镜对加工 后的样品表面进行微观结构分析，用高精度电感式粗糙度仪对加工后的样品表面 粗糙度进行测定，用显微硬度计分析加工后样品的硬度随厚度方向的变化关系， 用扫描电子显微镜对摩擦磨损试验后，加工前后样品表面磨损程度进行分析。 分析结果如下： ( 1 ) 经超声表面加工处理后，在4 5 钢、4 0 c r 钢和铸铝的表层形成了等轴 纳米晶结构表层，晶粒取向呈随机分布，同时形成了高密度的位错缠结，与原始 晶粒尺寸相比，晶粒得到了很大程度的细化。 ( 2 ) 经超声表面加工处理后，4 5 钢和4 0 c r 钢的表面粗糙度显著降低，并 形成光洁的表面，表面质量明显提高。 ( 3 ) 经超声表面加工处理后，4 5 钢和4 0 c r 钢的表面硬度与心部相比显著 提高，且硬度值随着距表面距离的增大而减小。 ( 4 ) 经超声表面加工处理后，4 0 c r 钢的表面磨擦系数比原始样品的低， 且磨损重量有所降低，表面耐磨性得到了提高。 关键词： 超声表面加工纳米化表面粗糙度耐磨性 a bs t r a c t t h es t r u c t u r eo fm a t e r i a lh a sd i r e c t e f f e c to ni t su s a g e s p e o p l ep u tf o r w a r d m a n ym e t h o d so fs u r f a c ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tt om e e tt h ed e m a n d so fw o r k i n g c o n d i t i o n s c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a ls u r f a c ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tt e c h n i c ， u l t r a s o n i cs u r f a c ep r o c e s s i n gi sac o n v e n i e n t ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s tt e c h n o l o g y n a n o s t r u c t u r e dl a y e r sw e r ef a b r i c a t e do nt h em e t a lm a c h i n e sa n dp a r t sb yu l t r a s o n i c p r o c e s s i n g ，a sw e l la sg e o m e t r i c a lm o d a l i t yn a n o c r y s t a u i z a t i o nw a sf o r m e d ，s ot h e s u r f a c ep e r f o r m a n c ew a sa d v a n c e d i nt h i sp a p e r , t h es a m p l e so f4 5s t e e l ，4 0 c rs t e e la n da l u m i n u ma l l o yw e r e p r o c e s s e db yt j u - u m s n t - iu l t r a s o n i cs u r f a c en a n o c r y s t a l l i z a t i o nd e v i c e ，w h i c hi s m a d ei nw e l d i n gi n s t i t u t ei nt i a n j i nu n i v e r s i t y o b s e r v em i c r o s t r u c t u r eo nt h et r e a t e d s a m p l eb yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，d e t e r m i n et h er o u g h n e s so nt h et r e a t e d s a m p l eb yh i g hp r e c i s i o ni n d u c t a n c et y p er o u g h o m e t e r , a n a l y z et h er e l a t i o nb e t w e e n t h eh a r d n e s sa n dd i s t a n c ef r o ms u r f a c eo nt h et r e a t e ds a m p l eb ym i c r o s c l e r o m e t e r a n da n a l y z ea b r a s i o nd e g r e eo nt h es a m p l e st r e a t e db e f o r ea n da f t e rb ys c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e r e s u l t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) e q u i a x e dc r y s t a ln a n o s t r u c t u r e ds u r f a c el a y e r sw e r ef a b r i c a t e do n4 5s t e e l ，4 0 c r s t e e la n da l u m i n u ma l l o yb yu l t r a s o n i cp r o c e s s i n g t h eg r a i no r i e n t a t i o nt a k e so n r a n d o md i s t r i b u t i o n ，a tt h es a m et i m e ，h i g h d e n s i t yd i s l o c a t i o nt a n g l ei sf o r m e d a n dt h eg r a i ni sh i g h l yr e f i n e d ( 2 ) t h es u r f a c er o u g h n e s si ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e do f4 5s t e e la n d4 0 c rs t e e la f t e r u l t r a s o n i cp r o c e s s i n g ，s m o o t hs u r f a c ec o m e si n t ob e i n ga n dt h es u r f a c eq u a l i t yi s o b v i o u s l yi m p r o v e d ( 3 ) t h es u r f a c eh a r d n e s so f4 5s t e e la n d4 0 c rs t e e lh i g h l yi n c r e a s e da f t e ru l t r a s o n i c s u r f a c ep r o c e s s i n g ，c o m p a r i n gw i t ht h ec e n t e ro ft h es a m p l e s h a r d n e s sf a l l sa s t h ed i s t a n c et ot h es u r f a c ei n c r e a s e s ( 4 ) a f t e ru l t r a s o n i cp r o c e s s i n g ，f r i c t i o nf a c t o ri ss m a l l e rt h a no r i g i n a ls a m p l eo f4 0 c r , w e a r i n gc a p a c i t yi sr e d u c e da n ds u r f a c er e s i s t a n c et oa b r a s i o ni se n h a n c e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cs u r f a c ep r o c e s s i n g ， n a n o c r y s t a l l i z a t i o n ， s u r f a c er o u g h n e s s ， r e s i s t a n c et oa b r a s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得本鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吱崎霞签字日期：刃玎 年2 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：寨亍银导师签名：互 签字日期：词年) 月7 日 哮仍 i 签字醐：加7 年堋 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。一般来说，正常人听觉的频率上 限在1 6 - - 2 0 k h z 之间，随年龄、健康状况等有所不同。值得注意的是，人们习 惯上常把以工程应用为目的，而不是以听觉为目的的某些可听声的应用亦列入超 声技术的研究范围。因此，在实际应用中，有些超声技术使用的频率可能在 1 6 k h z 以下。超声波是声波的一部分，因此它遵循声波传播的基本规律。但超声 波也有与可听声不同的一些突出特点。 1 1 1 超声加工技术发展状况 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨 料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件 沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加 工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、 工艺装置等构成。超声波发生器的作用是将2 2 0 v - 3 8 0 v 的交流电转换成超声频 电振荡信号：换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅 杆的作用是将换能器的振动振幅放大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工 具，使工具以一定的能量与工件作用，进行n i l 2 j 。 我国超声加工技术的研究始于2 0 世纪5 0 年代末，6 0 年代开始了超声振动 车削的研究，1 9 7 3 年上海超声波电子仪器厂研制成功c n m 一2 型超声研磨机。1 9 8 7 年，北京市电加工研究所在国际上首次提出了超声频调制电火花与超声波复合的 研磨、抛光加工技术。2 0 世纪末到本世纪初的几十年问，我国的超声加工技术 发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复 合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、陶瓷、淬火钢、模具钢和大理 石等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。 1 1 2 超声加工技术发展趋势 超声加工技术已经涉及到许多领域，在各行各业发挥了突出的作用，但在国 内、外有关这方面的工艺与设备的相关技术还不够成熟，因此在这方面的研究和 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 开发有待于进一步提高完善。 现有的超声加工技术主要分为以下几个方面： ( 1 ) 超声振动切削技术 随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛， 振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面： 1 、研制和采用新的刀具材料。在现代产品中，随着使用环境的变化，难加 工材料所占的比例越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地 发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多 的注意力转为对刀具材料的开发与使用上，其中以天然金刚石、人造金刚石和超 细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向p 】。 2 、对振动切削机理深入研究。当前和今后一个时期对振动切削机理的研究 将主要集中在对振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析和振动切削机理的 微观研究及数学描述两个方面。 3 、超声椭圆振动切削的研究与推广。超声椭圆振动切削已受到国际学术界 和企业界的重视。美国、英国、德国和新加坡等国的大学以及国内的北京航空航 天大学和上海交通大学也已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和 t o w a 公司等已开始这方面的实用化研究工作。但是，超声椭圆振动切削在理论 和应用方面还有许多工作要做，尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部 位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。 4 、超声铣削加工技术。基于分层去除技术思想的超声铣削加工技术正在被 更多的学者所关注。大连理工大学研制了超声数控铣削机床，提出了一种新的利 用超声铣削加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣 削数控加工技术解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补偿的难题，使 加工带有尖角和锐边的复杂型面三维工程陶瓷零件成为可能，为工程陶瓷和其他 超硬材料的广泛应用提供了有力的技术支荆4 1 。 ( 2 ) 超声复合加工技术 目前，超声电火花机械三元复合加工技术已经得到较快的发展。哈尔滨工业 大学利用超声电火花磨料三元复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小 孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具有较好的应用前景。 针对现代模具手动光整加工的弊端，华南理工大学采用超声电解磨粒复合加 工技术对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用b p 人工神经网络对 加工表面粗糙度进行了预测，取得了良好的效果。超声电解磨粒复合加工技术是 一项新的复合加工技术，能较好地用于形状复杂的模具型腔光整加工。但包括材 料去除机理的许多方面的内容还有待进一步研究。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，日本东京农工大学对气体介质中的电火花脉冲放电加工技术进行了 开创性的研究，为电火花脉冲放电加工技术开辟了一条新的途径。但该技术在加 工过程中短路频繁，山东大学的研究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并 对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3 倍。但该工艺的加工机理 还有待于进一步研究。 在微小三维型面的加工中，利用简单形状电极、基于分层制造原理的微细电 火花铣削技术正在受到重视，哈尔滨工业大学研究了超声辅助分层去除微细电火 花加工技术，对电极轴向施加的小幅超声振动对活化极间状态、拉大极间间隙、 增加排屑能力、提高有效脉冲利用率和放电稳定性等方面起到了重要的作用，但 是该工艺尚有待于进一步完善以达到实用化。 由于新材料( 尤其是难加工材料) 的涌现和对产品质量与生产效益的要求不 断提高，新的加工方法也不断出现。可以预见，超声复合加工将日益显现出其独 特的魅力，并将拓展其更加广阔的应用领域。 ( 3 ) 微细超声加工技术 随着以微机械为代表的工业制品的日益小型化及微细化，特别是随着晶体 硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，硬脆材料的高精度 三维微细加工技术已成为世界各国制造业的一个重要研究课题【5 】。目前可适用于 硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种 加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖 于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形 状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得 天独厚的优势。东京大学生产技术研究所对微细工具的成功制作及微细工具装 夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料 上加工出了直径最小为5 m 的微孔，从而使超声加工方法作为微细加工技术成 为可能。 同其他特种加工技术一样，超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、 微细化发展，微细超声加工技术有望成为微电子机械系统( m e m s ) 技术的有力补 充。 此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前超 声加工技术主要用于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超 声电解复合加工，塑料件的焊接，以及对具有小孔窄缝而清洁度要求较高的零件 的清洗【5 1 。可以预测，超声加工技术在世界工业中将发挥越来越重要的作用。 综上所述，超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面，材 料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的发展又为材料的加工提供了一种强有力的加工手段，而促进了材料加工的发 展。材料加工中的许多课题需要我们共同去探讨。展望未来，超声加工技术的发 展前景是美好的。 1 2 超声加工的特点和用途 1 2 1 超声加工的特点 1 适合加工各种硬脆材料，不受材料是否导电的限制。既可加工玻璃、陶 瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨、金刚石、大理石等不导电的非金属材料，又可 加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、高强钢、铁合金、铝合金、钛合金等硬质或耐 热导电的金属材料。 2 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏 观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较 低，可达心o 6 3 o 0 8 i _ t m ，尺寸精度可达o 0 3 m m ，也适于加工薄壁、窄缝、低 刚度零件【引。 3 工具可用较软的材料做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复 杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面【7 】。一般地，超声加工机床的结 构比较简单，操作、维修也比较方便，适合于广泛推广应用。 4 可以与其他多种加工方法结合应用，如超声电火花加工和超声电解加工 等。 5 利用超声焊接技术可以实现同种或异种材料的焊接，不需要焊剂和外加 热，不因受热而变形，没有残余应力，对焊件表面的焊接处理要求不高。 6 超声加工和其他工具配合，加工效率明显提高。例如与车床配合使用， 比普通车床加工速度高3 - - 5 倍。 1 2 2 超声加工的用途 超声加工与其他加工方法相结合，逐渐形成了多种多样的超声加工方法和方 式，在生产中获得了广泛的应用。超声加工的应用范围列于表1 1 。随着超声 加工研究的不断深入，它的应用范围还将继续扩大。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 超声加工的应用范围 超声切削，超声钻削，超声镗削，超声插齿，超声 超声切削加工剃齿，超声滚齿，超声攻丝，超声锯料，超声铣削， 超声刨削，超声振动铰孔 超声材料去除加工 超声修整砂轮，超声清洗砂轮，超声磨削，超声磨 超声磨削加工 齿 超声冲击加工超声打孔，超声切割，超声套料，超声雕刻 超声表面光整加工超声抛光，超声珩磨，超声砂带抛光，超声压光，超声珩齿 超声焊接，超声电镀，超声清洗，超声处理 超声焊和其他应用超声拉丝，超声拉管，超声冲裁，超声轧制。超声 超声塑性加工 弯管，超声挤压，超声铆墩 超声复合加工超声电火花复合加工，超声电解复合加工 1 3 超声加工在表面纳米化技术方面的应用 1 3 1 纳米晶体材料及其制备 在过去的2 0 年，纳米材料和纳米技术的研究异常活跃，这主要是由于纳米材 料具有独特的结构和优异的性能，对纳米材料的研究不但进一步深化了人们对固 体材料本质结构特征的认识，也为新一代高性能材料的设计、开发提供了材料和 技术基础。 纳米晶体材料的晶粒尺寸非常小，界面占有较大的体积分数，例如当原始晶 粒尺寸为1 0 0 r i m 时，界面所占的体积分数约为3 ；而当晶粒尺寸减少到5 n m 时， 界面所占的体积分数高达5 0 【8 】。在纳米晶体材料中，界面对于材料的性能起决 定性作用。纳米晶体材料奇特的结构使其具有许多优于传统多晶材料的性能，如： 高的强度、良好的塑性变形能力 1 2 , 1 3 1 、高的热膨胀系数；还为传统陶瓷和金 属间化合物的脆性改善提供了有效的途径。正因为纳米材料具有如此独特的性 能，所以世界各国科学家竞相开展对这种新材料的研发。 现阶段国内外主要采用堆焊、喷涂、喷熔方式或表面淬火、渗碳、电镀、渗 氮热处理等常规表面处理工艺来提高机械零部件抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀能力。 而堆焊和熔敷方式易于表面冷裂；喷涂方式因结合强度过低而容易导致耐磨材料 脱落；表面淬火、渗碳、渗氮等因效率、设备、成本和能耗的限制，影响了其在 机械结构和零部件中的应用前景。因此，在国内外新兴表面加工处理技术不断出 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 现，如金属蒸发冷凝一原位冷压成型法【1 4 1 、非晶晶化法【15 1 、机械研磨法【16 1 、强 烈塑性变形法【17 1 、各种沉积法【1 8 1 ( 如p v d 、c v d 、电解沉积法等) 和离子辐射法 等等。但是，由于制备工艺复杂、生产成本高和材料外形、尺寸有限，内部存在 界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制备技术至今尚未能在金属材料 上取得实际应用。 1 3 2 超声加工表面纳米化 众所周知，大多数材料的失稳始于其表面，因此只要在材料的表面制备出一 定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就能够通过表面组织和性能的优化 提高材料的整体力学性能和环境服役行为。与其它纳米材料制备方法不同的是， 超声表面纳米化采用常规表面处理技术或对表面处理技术进行改进即可实现。此 外，表面纳米化材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，这些技术在工业上应用并不 存在明显的障碍，在使用过程中不会发生剥层和分离。因此，这种新材料有着开 发应用的潜力。 作为一种表面改性新方法，金属表面纳米化处理技术概念提出的目的就是利 用纳米金属材料的优异性能，在传统工程金属材料表面制备出一层有纳米晶体结 构的表面层，进而提高材料的综合力学性能【l9 1 。目前，相对有所应用的超音速微 粒轰击金属表面与超声喷丸等技术已在纯铁2 0 1 、奥氏体不锈钢【2 1 1 、1 6 m n r 钢【2 2 1 、 低碳钢【2 3 1 和铝合金f 2 4 】等金属表面获得了纳米层，但是处理过程效率低下，对被 加工工件尺寸、形状等有一定限制，更主要的是加工处理后表面质量很差( 粗糙) ， 因而还不具备实用条件。 超声表面加工方法利用大功率超声波作为推动力，作用在金属表面而使其表 层发生极为严重的塑性变形，导致晶粒被打碎，从而在表面获得纳米结构层；同 时由于超声工作头对金属表面的挤压作用，在行进机构所控制的平稳移动过程中 将机械零部件表面的凸起部分被均匀添到凹陷区域，因此可以达到很高的表面粗 糙度水平，即表面几何形态纳米化。 研究超声加工技术在金属表面纳米化过程中所必需的各种参数优化组合，探 讨表面结构和表面几何形态纳米化的机制，为方便、快速、低成本地在金属机械 零部件表面大规模获得纳米结构层和表面几何形态纳米化技术提供实验和理论 依据。同时研究典型金属的表面纳米结构层的某些特性( 如渗透性) ，为应用超 声表面纳米加工技术开拓新途径。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 传统表面加工的方法及其局限性 表面形变强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，强化效果显著。常 用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，尤以喷丸强化应 用最为广泛。 ( 1 ) 滚压 图1 1 a 为表面滚压强化示意图。目前，液压强化用的滚轮、液 压力大小等尚无标准。对于圆角、沟槽等可通过滚压获得表层形变强化，并能在 表面产生约5 m m 深的残余压应力，其分布如图1 1 b 所示。 a ) 图1 - 1 表面滚压强化示意图 ( 2 ) 内挤压内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明 显。美国已发表专利。 ( 3 ) 喷丸喷丸是国内外广泛应用的一种在再结晶温度以下的表面强化方 法，即利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并产生残余压应 力。喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，并显 著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀( 孔蚀) 能力【2 5 】。 通过几十年的研究，人们发现传统表面加工工艺存在加工速度慢、表面强化 层薄以及强化程度不均匀等缺点。因此什么才是更理想的表面加工工艺仍需进一 步研究。 1 5 本文的研究目的和内容 机械零部件的表面状态严重影响其使用性能，许多机械零件的报废往往起源 于它表面缺陷，因此表面质量日益引起人们的高度重视。所谓表面加工质量，即 表面完整性，包括两方面内容：一是表面几何学方面，它指的是机械零部件最外 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 层表面的几何形状的情况；二是机械零部件经过加工处理后其表面层材质的变化 方面。这是由于机械零部件经过加工处理后，在其一定深度的表面层内一般会出 现变质层，在变质层内的晶粒组织发生严重畸变，金属的物理化学和机械性能均 发生变化如塑性变形、硬度变化、微观裂纹、残余应力、晶粒度变化、热损伤、 化学性能及电特性变化等。因此，金属机械零部件表面纳米化的含义包括表面结 构纳米化和表面几何形态纳米化两个方面。 表面粗糙度是表征表面几何形态的主要参数指标，表面粗糙度越大则机械零 件之间的实际接触面积就越小，使用时实际接触压力就越大，导致其耐磨性变差， 容易磨损而过早报废。对于液压油缸等机械零部件，如果表面粗糙度变大，则它 的密封性会受到严重的负面影响。由于表面粗糙度大的机械零部件后，其结合面 的接触刚度变低，会导致运动平稳定性变差，影响整个机器设备的工作精度。在 粗糙度大的机械零部件表面凹谷和缝隙处，腐蚀性物质是很容易吸附和积聚的， 使得机械零件易于被腐蚀，大大影响其使用寿命和工作状态。此外表面粗糙度大 的表面越易于产生应力集中，因而是机械零部件的疲劳性能变差，如果这类机械 零部件工作在振动环境下或本身承受交变荷载，那么较粗糙的表面质量可能引起 致命的问题。由此可见，具有良好的表面几何形态是金属机械部零件长寿命、高 质量运行的必须保证 本文对超声波在工业领域中的应用进行了扩展，也即是对超声表面改性加工 技术进行了理论和实际的研究。主要内容包括：对原有超声表面加工实验装置进 行改进；然后利用此设备，针对不同的金属材料进行了表面加工；最后分析了金 属表面性能的改善。 本文第二章，介绍了超声加工的基本原理以及试验装置总体结构。 第三章，介绍了超声金属表面纳米化加工处理的实施过程、参数的选择、冲 击工作头类型、尺寸及材质选择的原则。本文中采用的实验材料为4 5 钢、4 0 c r 以及铸铝，介绍了金属原始材料的化学成分及尺寸。从微观结构、表面粗糙度、 表面硬度及表面磨损这四个方面来分析超声加工前后的样品表面变化所需的仪 器设备，分别为透射电子显微镜、高精度电感式粗糙度测定仪、显微硬度计和扫 描电镜。 第四章，对超声加工前后的4 5 钢、4 0 c r 以及铸铝进行微观结构观察、表面 粗糙度、表面硬度及摩擦磨损性能测试的结果进行分析。说明超声加工对金属表 面性能的改善有很大影响。在金属表面加工强化的原理的基础之上，详尽分析了 超声表面加工后的金属各方面性能与加工参数的关系；并且利用高科技的仪器对 其改善的原因进行了分析。 第五章，总结全文，得出结论。 天津大学硕士学位论文 第二章实验原理及装置 第二章实验原理及装置 超声加工处理方法提高金属表面性能的研究工作在国内、外已经初步展开。 为了开展对该方法应用性的研究探讨，首先必须研制出合于使用的超声表面加工 实验装置。我们利用初步设计的超声表面加工发生试验装置对一些常用金属进行 了处理试验，结果显示，该新型处理方法具有显著的积极效果。 本章首先介绍了超声表面加工的原理以及其实验装置的工作原理，然后详细 介绍了超声振动的发生结构，最后简单介绍了超声挤压装置对实验控制部分的要 求。 2 1 超声金属表面加工原理 2 1 1 表面变形强化原理 表面变形强化是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一【2 6 】。基本原理是 通过机械手段( 滚压、内挤压、喷丸和超声挤压加工等) 在金属表面产生压缩变 形，使金属表面形成形变硬化层，此形变硬化层的深度可达到0 5 1 5 r a m 。在 此形变硬化层中会产生两种主要的变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化， 位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了较高的宏观残余应力。奥赫弗尔特 以喷丸为例，对于残余压应力的产生提出了两个方面的机1 1 1 一方面由于大量喷 丸压入产生的切应力造成了表面塑性延伸；另一方面，由于喷丸的冲击产生的表 面法向力引起了赫芝压应力与压表面应力的结合。根据赫芝理论，这种压应力在 一定深度内造成了最大的切应力，并在表面产生了残余压应力，其分布如图2 - l 所示。表面压应力可以防止裂纹在受压的表层萌生和扩展，在大多数材料中这两 种机制并存。在软质材料情况下第一种机制占优势；而在硬质材料情况下第二种 机制起主导作用。经表面变形强化后，金属表面产生的残余应力的大小，不但与 强化方法、工艺参数有关，还和材料的晶体类型、强度水平以及材料在单纯拉伸 时的硬化率有关。具有高强化率的面心立方晶体的镍基或铁基奥氏体热强合金， 表面产生的压应力高，可达材料自身屈服点的2 - - 4 倍。材料的硬化率越高，产 生的残余应力就越大。 此外，一些表面变形强化手段还可以使表面粗糙度有所提高，还可以使切削 加工的尖锐刀痕圆滑，因此可以减轻或者是基本上解决由切削加工留下的尖锐刀 天津大学硕士学位论文第二章实验原理及装置 痕的不利影响。 + o jl 厂 o o 1 图2 - 1 喷丸形成的残余应力示意图 2 1 2 超声表面加工的基本原理 超声金属表面加工处理是一种冲击式压力光整加工方法，其实质上是通过引 入功率超声频机械振动而对传统表面压光工艺所进行巧妙而又合理的改良。其工 作原理如下：通过超声表面纳米化加工处理工作头沿表面法线方向向工件施加一 定幅度的超声频机械振动，并在一定静压力和进给速度条件下，工作头将压力和 超声冲击振动传递给处于旋转状态被加工处理的机械零部件表面，利用金属在常 温状态下的冷缩性特点，使材料产生弹、塑性变形。当冲击头通过工件以后，工 图2 2 超声表面加工处理的原理示意图 件表面产生一定的弹性恢复。冲击头挤压所产生塑性流动将工件表面原有的微观 天津大学硕士学位论文 第二章实验原理及装置 波峰压平，使其填充到波谷位置，提高了金属表面的综合性能指标。超声表面加 工处理的原理示意图如图2 2 所示。 显然，被加工处理机械零部件表面金属塑性流动在其表面上所产生“波谷” 被“波峰”填满的效应，能够大大降低表面粗糙度r 。值。如果加工处理工艺参数 设置适当，则工件表面粗糙度r a 甚至能够降低到纳米水平( u p 4 , 于l o o n m ) 。与 此同时，在超声波冲击和静压力挤压联合作用下使金属表面所产生剧烈而均匀的 塑性变形必然引起机械零部件表面和次表面造成大量位错、空穴，导致其一定深 度表层的原始状态晶粒被严重地打碎细化，从而获得相应纳米结构层。 当然，由于工件表面被均匀压缩，因此伴随着产生高数值的残余压缩表面应 力，这对提高机械零部件的抗疲劳和磨损性能是非常有利的。 2 2 超声加工设备 2 2 1 超声加工设备的一般结构 虽然超声加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同。一般包括超 声波发生器、超声振动系统、机床和润滑冷却系统。 ( 1 ) 超声波发生器 超声波发生器( 又叫做超声电源) 的作用是将工频交流电转换为超声频振荡， 以供给工作端面往复振动和去除工作材料的能量。当某种原因引起超声波振动系 统共振频率的变化时，通过“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变 化，保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态1 2 7 】。 ( 2 ) 超声振动系统 超声振动系统主要包括超声换能器【2 8 。2 9 1 、超声变幅杆【3 0 1 和工具。超声换 能器的作用是将高频电振荡信号转换成机械振动，根据其转换原理可分为磁滞伸 缩式和压电式两种。本试验装置采用的是压电式换能器。超声变幅杆( 又称超声 变速杆或超声聚能器) 的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超声 加工的需要。常用的变幅杆有阶梯形、圆锥形、指数形、悬链形等几种。变幅杆 沿长度上的截面变化是不同的，但杆上每一截面的振动能量是不变的。截面越小， 能量密度越大，振动的幅值也就越大，所以各种变幅杆的放大倍数都不相同。超 声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使其以一定的能量挤压回转类金属零 件，并加工出一定尺寸和形状。 ( 3 ) 机床 超声加工机床一般比较简单，就是普通的机床或数控机床，包括振动系统得 机架及工作台面，使工件具有一定压力作用在工件上的进给机构、床身等部分。 天津大学硕士学位论文 第二章实验原理及装置 2 2 2 本试验所用超声加工装置 在h j i i 型超声表面加工装置基础t ，天津大学白行研制成功了 t j u u m s n t i 型超声金属表面纳米化加工处理装置。它主要由数字超声波发生器 和超声表面纳米加工处理执行机构两部分组成。其执行机构由压电陶瓷换能器、 变幅杆和工作冲击头等几部分组成。1 1 u u m s n t - i 型超声表面纳米加工处理装 置实物图如图2 - 3 所示，与一般结构相比，主要区别在于变幅杆的形式不同。 常用变幅杆的形式一般如图2 - 4 所示，这样的变幅杆有设计方便、容易计算节点 位置和前端方便安装振动头等特点。但是它的一个最主要的缺点就是，前端面不 够光滑郎便足够光情也会m 现和加工金属表面相互切削的过程。这就使得金属 表面不但没有被改性加工还导致了金属表面的严重破坏。 圈2 0t j u u m s n t - i 型超声表面纳米加工处理装置实物固 、 1 0 1 ，一 圈2 4 变幅杆一般形式 丰试验装置的变幅杆如图2 - 5 所示，它的最前端设计成半球形，或者是向外 突起的圆弧过渡的曲面。这就基本解决了它与加工金属表面相互切削的问题。并 月能在一定范围内提商超声表面加工的加工速度还在一定程度上提高了加工金 属表面的性能。但是这种变幅杆也存在一定的问题，变幅杆的壤前端磨损速度太 天津大学硕士学位论文 第二章实验原理及装置 快。这就要求这种变幅杆晟前端的表面粗糙度要相当高，也为加工变幅杆增加了 不少的困难。 图2 5 超声表面加工所使用的变帽轩 由于变幅杆圆头的硬度和耐磨性差等缺点又设计了新的变幅杆。这种新的 变幅杆如图2 - 6 所示，连接后组成超声冲击枪如图2 7 。它是在原有变幅杆的基 础e 安装了一个硬质合金球，把原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小工作头的摩 擦力，改善工作头的耐磨性。 i ，一 圉2 西硬质舍金球为工作头的变幅轩 田2 - 7 超声冲击枪 天津大学硕士学位论文 第二章实验原理及装置 2 3 小结 1 ) 超声表面加工实验装置主要由超声波发生器和执行机构两大部分组成。 执行机构由换能器、变幅杆与工作头组成。加工的实际情况要求超声加工电源配 有频率跟踪与加工质量控制与处理等功能。 2 ) 该超声加工装置具有执行机构轻巧、噪音小、效率高、成本低且节能以 及表面加工效果好等诸多优势。 天津大学硕士学位论文 第三章超声加工试验及性能测试方法 第三章超声加工试验及性能测试方法 3 1 超声金属表面纳米化加工处理实施过程 超声金属表面纳米化加工处理实施过程如图3 - l 所示主要由以下几个步骤 构成： ( 1 ) 根据待加工材料选择合适的工艺参数。如主轴转速、进给量、工作压力、工 作头输出振幅、工作头圆弧半径、加工处理次数等。 ( 2 ) 在数控机床e 安装车刀对毛坯件进行租加工，然后将超声金属表面纳米化加 工处理装置的执行机构( 超声冲击枪) 安装到车床的刀架上。 ( 3 ) 接通电源，开启超声波发生器控制开关，再打开执行机构控制开关，然后通 过超声波发生器调整冲击工作头输出振幅，并在机床上设定所需的如主轴转速、 进给量等加工处理参数。 ( 4 ) 加工处理之前需要在待处理机械零部件上浇t 合适的润滑液。 ( 5 ) 启动机床，使_ | ； j 冲击工作头代替车刀对工件进行加工处理。 ( 6 ) 处理完毕后根据处理结果和预想效果对比，主要是看表面粗糙度是否满足 要求，从而采取进一步的加工处理措施。 圈3 - 1t j l j 叫h s n t - i 型超声表面纳米加工处理装置实施过程围 天津大学硕士学位论文 第三章超声加工试验及性能测试方法 3 2 超声金属表面纳米化处理参数选择方法 使用超声金属表面纳米化方法应根据被加工材料的材质来选择相对应的合 适工艺参数和工作头类型及相应尺寸。此外为了经过表面纳米化加工处理后能够 获得具有足够尺寸精度的机械零部件，还需要考虑在前一道工序粗车时应预留挤 压余量的大小。根据被加工材质选择的工艺参数主要有： l 机床主轴转速，一般设在2 0 0 6 0 0 r m i n 左右的范围内； 2 ) 冲击工作头进给量，一般设在0 0 2 - 0 1 m m r 左右的范围内； 3 ) 加工速度，一般设在直线速度2 0 l o o m m m i n 之间； 4 ) 加工往返次数，一般为2 - - 6 次； 5 ) 超声表面加工处理工作头输出端振幅，一般为5 2 5 微米的范围内； 6 ) 根据加工材料的不同选择对应的润滑液，减少工作头与被加工处理工件之间 的摩擦。 在超声表面纳米化加工处理过程中，静压力对工件表面质量、硬度、耐磨性 有着重要影响。一般来说，在一定范围内，静压力越大，硬度和耐磨性越高，表 面粗糙度越低，几何形态纳米化和表面结构纳米化越容易。但静压力过大时，几 乎无法几何形态纳米化，而表面结构纳米化却可以获得更好的效果。 超声表面纳米化加工处理装置执行机构所配冲击工作头的输出端振幅也是 影响其金属表面纳米化处理质量的重要因素。对于几何形态纳米化存在一个最佳 振幅范围，而对于表面结构纳米化，高振幅的处理效果更好。 冲击工作头进给量对表面纳米化质量和效率也影响较大。一般来说，进给 量越小，表面粗糙度磁值也越小，表面结构纳米化程度也越高，然而加工处理 效率则受到影响。因此，要根据金属表面所要求达到的粗糙度值和表面结构纳米 化程度与效率综合确定该参数。 3 3 冲击工作头类型、尺寸及材质选择原则 工作头类型及相应材质与尺寸选择原则如下： 1 ) 对于钢材或钛合金以及铸铁、镍基高温合金等较硬金属材料制造机械零部件 的超声金属表面纳米化加工处理过程，主要应选用工作端为球形( 也可以是椭球 形状) 的工作头类型，见图3 2 ( a ) 。工作头输出端球面直径一般在2 3 0 m m 的 范围内，工作头输出端球面直径的选择原则是根据被加工材料的硬度进行的。如 果被加工材料硬度较高，则应选择输出端球面直径相对较小的工作头；如果被加 工材料硬度较低，则应选择输出端球面直径相对较大的工作头；如果被加工材料 天津大学硕士学位论文第三章超声加工试验及性能测试方法 硬度过低，应选用线接触类型的超声工作头。对于超声金属表面纳米化加工处理 钢材或钛合金以及铸铁机械零部件时的工作头材料，般应为硬质合金，如果希 望获得更好的效果可以使用硬度更高的材料，如各种陶瓷( 包括金属化陶瓷) 、 金钢石、非晶态合金等，总之工作头硬度高则纳米化加工处理过程更容易实施。 2 ) 对于铝、铜合金、镁合金等较软金属材料制造的机械零部件，在超声金属表 面纳米化加工处理过程主要应选用工作端为圆( 包括椭圆) 柱状的工作头类型， 见图3 - 2 ( b ) 。i 作头输出端圆弧面直径一般在2 3 0m m 的范围内，长度则在 2 - 2 0n l l t l 的范围内。工作头输出端圆弧面直径和长度的选择原则也是根据被加工 材料的硬度来进行。如果被加工材料硬度较高，则应选择输出端圆弧面直径和长 度相对较小的工作头；如果被加工材料硬度较低，则应选择输出端圆弧面直径和 长度相对较大的工作头。对于超声金属表面纳米化加工处理铝或镁合金等较软金 属材料机械零部件时的工作头材料，一般应为工具钢或硬质合金。当然对于超硬 铝合金也可以选择工作端为球型( 也可以是椭球形状) 的工作头类型。 a ) 球面输出端工作头 3 4 试验材料及试验参数 图3 - 2 工作头类型 b ) 圆柱状输出端工作头 3 4 14 5 钢 3 4 1 1 化学成分及试样尺寸 选用供应状态的4 5 钢，其化学成分见表3 - 1 ，原始组织为铁素体和珠光体， 工件的尺寸与几何形状见图3 3 。 天津大学硬士学位论文 第三章超声加工试验及性能铡试方法 3 4 12 工艺参数 超声金属表面纳米化处理工艺在数控机床上进行。冲击头的材料为硬质合 金，冲击头部形状为球形表面粗糙度为髓0 0 1 0 0 8s t m 。由于在金属表面超声 加工处理过程中工具振幅、进给量和冲击头圆弧半径等选取对工件表面粗糙度和 图3 - 34 5 钢试样的尺寸及形状 表面结构纳米化水平、表面硬化程度等性能指标均有重要影响，因此在试验中要 恰当的选取试验参数以达到最佳试验效果。 根据试验材料硬度情况，本次实验超声加工处理工艺参数确定如下： ”冲击工作头工作端为球状类型，其输出端圆弧半径r 为5 m r a ； 2 ) 主轴转速为2 5 5 6 1 5 r m i n ，进给量为00 7 05 6 m m n 3 ) 对圆柱体工件表面进行加工处理往复三次： 4 ) 选用机油加煤油作为