cr12mov材料超声滚压表面强化的研究
发布时间:2020-03-09 17:28 文章来源:未知 点击数:145
工件所使用的cr12mov材料因其特殊的工作环境,常受到磨损、腐蚀和疲劳损伤,导致零件失效。由于材料表层的组织结构对失效敏感,因此失效多产生于零件表面。提高金属材料表面性能有效增强其使用性能,而表面强化是一种通过改善金属材料的表层组织结构和残余应力分布来提高其表层特性的常用方法。
与其他表面处理技术相比,超声滚压表面强化处理后的试样表面光洁度和外观都得到了很好的保证,具有工艺简单、节能环保和效率高等优点,可以代替传统的滚压、喷丸等加工工艺,在汽车工业、齿轮制造业和航空航天等领域得到了广泛应用。
1 超声滚压技术加工原理
超声滚压技术是电子技术与传统滚压工艺的结合,属于无切削光整加工范畴。
超声波发生器将交流电转换成高频电振动信号后,在换能器的作用下转变为同频率的机械振动,并由变幅杆将该机械振动的振幅放大并传递给工具头。工具头被设计成可旋转的球形,通常由碳化钨、钴等硬质合金材料制成,通过将滑动摩擦改为滚动摩擦,提供了良好的稳定性,延长了超声滚压工具头的寿命。
在超声滚压加工过程中,工具头沿材料表面法线方向施加一定的静压力和超声振动,在静态挤压和动态冲击的作用下,使材料发生弹、塑性变形,并在工件表面产生具有一定深度、均匀且变形严重的塑性变形层。超声滚压表面强化技术通过往复加工使工件表面受力均匀,加深塑性变形层,减小晶粒尺寸。同时,加工过程中所产生的塑性流动将材料表层的波峰填入波谷,降低表面粗糙度,提高了显微硬度,并在工件表层引入了有益的残余压应力,对于提高材料的疲劳强度、耐磨性及耐腐蚀性具有积极的作用。
2 超声滚压的研究进展
超声滚压技术是一种新兴的表面处理技术,可显著降低cr12mov 材料表面粗糙度和提高显微硬度,引入残余压应力并广泛应用于改善各种金属材料的表面性能。目前,国内外学者主要通过试验、微观组织机理和有限元仿真三个方面对超声滚压表面强化技术进行研究。
(1)滚压试验
①工艺参数
超声滚压加工中,滚压速度、进给量、静压力和滚压次数等工艺参数对超声滚压处理后材料的表面粗糙度、显微硬度、残余压应力及疲劳强度等性能的影响程度不同。其中,Bozdana A.T.等以cr12mov为例,研究了滚压速度对材料表面形貌和近表面特性的影响,发现在较低滚压速度下获得的表面光洁度较好,当滚压速度逐渐增大时材料表面粗糙度更大,其主要原因是:较低的滚压速度使得材料表面被多次均匀处理,有效降低了表面粗糙度,而在较高滚压速度下却难以保证。Liu Y.等分析了滚压次数对材料表面所引入的残余压应力的影响,结果表明,残余压应力值随滚压次数的增加而增大,当滚压次数为12次时,表层残余压应力可达970MPa,与基体相比提高了近两倍。Zhang Yalong等发现超声滚压可以在较低的静压力下获得与传统滚压处理相同的表面粗糙度,为超声深冷滚压工艺应用于对硬质薄壁零件的加工提供了理论基础。
为提高材料的表面综合性能,优化加工过程中的工艺参数尤为重要。宋锦春等采用单因素试验探求超声滚压的工艺参数,总结了不同参数对工件表面粗糙度和硬度的影响规律,并根据使用要求给出了各参数的合理范围。姚成霖等选用正交试验法优化超声滚压工艺参数,利用正交试验结果进行直观分析,得出了各参数对超声滚压加工后工件表面粗糙度的影响规律和影响程度,分析了在影响表面粗糙度的各因素中,进给量对粗糙度的影响最大,且择优选出的工艺参数投入生产后,取得了良好的加工效果。
由此说明,超声滚压表面强化技术可改善传统加工所引起的表面粗糙和沟槽等缺陷,选择合适的工艺参数,可显著提高材料的表面性能。
②表面性能
与传统加工工艺相比,超声滚压表面强化处理可使材料具有更高的表面硬度、更低的表面粗糙度值、更大的残余压应力及塑性变形,表面机械性能明显提高,因此得到越来越广泛的关注。
工件失效中80%以上属于疲劳破坏,提高材料的疲劳强度对于增强工件的使用性能意义重大。Zhu Y.L.等通过旋转弯曲疲劳试验来探究超声滚压表面强化技术对cr12mov疲劳特性的影响,超声滚压处理后试样的疲劳强度达到了612MPa,相比基体试样提高了65%。此外,材料的表面粗糙度显著降低,有效地抑制了疲劳裂纹的产生和扩展,提高了材料的疲劳性能,表层硬化是疲劳强度提高的主要原因。
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