超声波辅助滚压加工中颤振的产生与抑制

张 明，张 翼，孙圣军

（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061）

超声波辅助滚压加工中颤振的产生与抑制

张 明，张 翼，孙圣军

（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061）

对超声波辅助滚压加工中颤振的产生规律进行了探索，尝试通过理论对所得实验结果进行解释。分析不同工艺参数下工件表面振纹的分布情况，提出抑制超声波辅助滚压加工颤振的工艺措施，为超声波辅助滚压系统的工艺水平优化提供可靠指导。

超声波辅助滚压；再生型颤振；表面质量；工艺参数

超声波辅助滚压技术是利用超声频的机械振动作用于滚压工具头，从而对工件进行滚压加工。与普通滚压技术相比，具有加工表面质量高、滚压工具使用寿命长等优点。在超声波辅助滚压加工过程中，不时会发现工艺系统自身产生高频振动，伴随着巨大的噪声，并在工件表面造成密布均匀的振纹。该现象不仅影响了机床的加工精度，造成工件表面粗糙度值增大和滚压工具磨损，甚至可能会导致工件报废和加工工具损坏，而且严重影响了操作人员的健康。

根据被加工工件表面振纹是否出现，可直观地判断超声辅助滚压系统的工作状态，以便在状态异常的情况下及时做出调整，避免加工受到影响，从而降低可能的经济损失。

1 超声波辅助滚压系统工作原理

完整的超声波辅助滚压系统由超声波辅助滚压装置和机床组成。超声波辅助滚压装置由超声波发生器、换能器、变幅杆、压力传感器及滚压工具头等部件组成（图1）。超声波发生器用来产生超声频电振荡，换能器接受后将其转换为相同频率的机械振动，变幅杆将机械振动的位移量和运动速度放大，压力传感器用于检测滚压工具头与工件表面的滚压预紧力，通过滚压工具头将振动压力施加到机床上处于旋转状态的工件表面进行加工。

2 超声波辅助滚压中的颤振问题

由于整套超声波辅助滚压系统是由滚压装置和机床互相配合工作的，所以加工的最终工艺效果由多种工艺参数共同决定。在滚压装置各项参数一定的情况下，机床的各项参数对最终的加工效果有着至关重要的影响。而在某些加工条件下，滚压加工系统自身会产生剧烈振动，加工过程中伴随着高频噪声并在工件表面产生均匀分布的振纹（图2）。

滚压系统的振动大致分为二种：一种是因机床自身稳定性较差或工件偏心较严重，在滚压加工过程中导致的强迫振动，该情况下振纹主要出现在工件的偏心一侧，或者一侧清晰、一侧模糊，但这种振动在实际加工中较少出现，且主要原因是工件自身工艺存在问题；另一种是由于机床的某些工艺参数设定不当，导致加工中滚压重叠严重，诱发自激振动，也称颤振。由于颤振的振动频率与振动系统的固有频率相接近，而振动频率可通过表面振纹和机床工作参数大致估算。

3 实验及其结果分析

3.1 实验方法

实验在C6136机床上进行，工件选用轴类常用的45钢，并将其加工成直径30 mm、长300 mm表面较光滑、无车刀加工纹理的实心轴，测得其表面粗糙度值约为Ra2.3 μm，硬度值为240 HV。将实心轴一端夹紧在机床卡盘上，另一端用顶尖顶紧，调整机床径向进给，使滚压工具头与工件紧密接触。滚压工具头选用直径6 mm的GCr15钢珠，加工过程中用32号液压油作为冷却润滑液。

3.2 机床进给量对颤振的影响

研究机床进给量对颤振的影响，选用的振幅为8 μm，机床转速为1140 r/min，滚压预紧力为15 kg。机床进给量对工件表面振纹的影响见图3。当进给量为0.06 mm/r时，可发现工件表面质量差，且振纹清晰，变形剧烈，严重影响加工效果（图3a）；当上调进给量至0.12 mm/r时，工件表面仍可见清晰的振纹，但与之前相比振纹较浅，工件表面变形较均匀，表面质量有所改观（图3b）；当进给量为0.24 mm/r时，工件表面光滑无振纹，表面质量极好，加工较成功（图3c）；当进给量上调至0.48 mm/r时，工件表面同样无振纹，但在显微仪器下观察可发现，工件表面并非每处都受到滚压工具头细密无间的滚压加工，工件表面未被滚压处有间隔凸起，表面质量差于图3c所示工件。

根据加工过程中工件每一周的振纹数量k、机床进给量f及转速n，可大致估算出滚压过程中发生的振动频率ω：

[4]卢卡奇：《小说理论》，《卢卡奇早期文选》，张亮、吴勇立译，南京：南京大学出版社，2004年，第32-65页。

收集多组实验数据后，根据式（1）计算出发生振动的频率大致保持在500～600 Hz之间。根据颤振的特性：颤振频率大致等于振动系统自身固有频率，进而可判定造成振纹产生、影响工件表面质量的原因是颤振。

机床进给量决定了工件轴向被加工的连续程度。在振幅、转速和预紧力一定的情况下，进给量设定过小（图3a、图3b）会导致工件每一周的滚压与上一周滚压的压痕产生重叠。如果在上一转因外界干扰而发生了一段振动并在工件上留下了一段振纹，在下一转时滚压工具头因滚压重叠的存在，必然会在振纹上继续滚压加工。由于滚压厚度的变化，高速旋转的工件会被诱发振动，进而带动整个滚压加工系统的振动，且振动不会自行停止，此为再生型颤振被诱发。该再生型颤振会在工件表面不停地留下新的振纹。由于工件的周长不能整除每次振动发生的间隔长度，所以造成下一转必然存在一个向后的相位差，导致轴向振纹倾斜，这种再生型振纹使工件表面粗糙度恶化。但由于存在滚压重叠现象，确保了工件表面充分加工，形成了冷却硬化层，提高了工件硬度。当进给量过大时（图3d），没有振纹产生，但因为滚压重叠现象几近消失，工件表面并不是每一处都经过了滚压加工，中间有些空隙没有被滚压到，且滚压处的塑性变形不够充分，表面形成的冷却硬化层较浅，该情况为加工不充分。

3.3 滚压预紧力对颤振的影响

研究滚压预紧力对颤振的影响时，进行了二组实验。第一组选用的振幅为8 μm，机床转速为1140 r/min，机床进给量为0.12 mm/r。由图4可看出，三次加工效果都不够理想，工件表面质量较差，存在很清晰的振纹。经过式（1）的测算，三次加工过程中的振动频率依然在500～600 Hz之间，可认定表面振纹的产生原因仍为颤振。这是由于机床进给量较低导致滚压重叠，从而诱发了颤振现象。由图4还可看出，工件表面质量随着预紧力的增加而变差，振纹越发明显，在加工过程中有剧烈噪音产生。当预紧力为25 kg时，工件表面发生最剧烈的塑性变形，表面甚至有起皮脱落的现象。

第二组实验选用的振幅为8 μm，机床转速为1140 r/min，机床进给量为0.24 mm/r。在预紧力分别为15、25 kg条件下进行加工，工件表面均未发现振纹，加工基本完成，但工件表面质量有明显差别：预紧力较小时，工件表面质量较好；预紧力较大时，工件表面粗糙不平，且布满滚压工具头与工件紧密接触造成的塑性变形坑洞痕迹。在该进给量条件下，滚压工具头对工件表面的滚压重叠作用较小，可忽略，自然不会发生颤振。在未发生颤振的加工情况下，预紧力越大，工件表面越粗糙，硬度也越大。

通过二组实验可见，滚压预紧力并不是产生颤振的决定性因素；但当颤振发生时，预紧力的大小对于颤振的剧烈程度有着重要影响。

滚压预紧力是保证超声波辅助滚压装置正常工作的重要工艺参数。在每次滚压加工前必须确保工件与滚压工具头之间存在一个合适的预紧力。当预紧力过小时，会因工件与滚压工具头不能紧密接触而使滚压加工效果大打折扣；当预紧力较大时，如果恰好进给量过小，则易诱发颤振，且在发生颤振的加工过程中，预紧力越大，对工件表面质量造成的影响越大，如图4c所示工件表面，由于预紧力过大，颤振发生时滚压工具头对工件表面造成了剧烈的塑性变形，引起位错密度增加和晶粒的破碎，出现了表面起皮脱落的现象；如果进给量适当，滚压重叠不再发生，产生颤振的基本条件被打破，滚压工具头利用超声振动不断冲击工件表面以产生加工硬化及残余压应力，工件表面硬度伴随表面粗糙度值会共同增长。

3.4 机床转速对颤振的影响

研究机床转速对颤振的影响时，选用的加工参数为振幅8 μm、机床进给量0.12 mm/r、滚压预紧力15 kg。由图6可见，二种转速下加工的工件表面都有明显的倾斜振纹产生，表面质量均较差，且加工过程中都伴随着噪声。经过式（1）的测算，二次振动频率均在500～600 Hz之间，这与3.3节所述的第一组实验相似，同样是因为机床进给量较低，导致滚压重叠诱发了整个滚压加工系统的颤振，从而造成了工件表面的振纹。同时，由机床转速较高的一组实验可看出，每一转中的振纹数量即振动次数较少，振纹倾斜度更大、更细密。根据式（1）可知，由于颤振频率不变，当转速上升时，每一转的振动次数必然下降；高转速时，第二转的相位差自然更加向后，因此，高转速加工的工件（图6b）比低转速加工的工件（图6a）轴向振纹更倾斜。

总体而言，机床转速对颤振的发生与否没有实质影响。如果进给量较小，无论转速快慢，都会发生颤振并导致工件表面发生较严重的塑性变形，影响加工效果，但高转速下的颤振相对于低转速下的颤振对工件表面质量的影响较轻；而当进给量调至0.24～0.48 mm/r范围时，因为避免了滚压重叠，打破了颤振的发生条件，此时更高的转速可使工件表面受到更细密的滚压，加工效果会更佳。

3.5 振幅对颤振的影响

研究振幅对颤振的影响时，选用的加工参数为机床进给量0.24 mm/r、机床转速1140 r/min、滚压预紧力15 kg。由前文可知，加工参数均设置在最佳的进给量、预紧力和转速条件下。由图7可看出，二种振幅下加工的工件表面都没有形成振动纹理，由此可判定在其他加工参数配合良好的情况下，单独修改超声滚压装置的振幅这一参数，不会造成颤振的发生进而导致工件表面产生振纹。经表面粗糙度仪测量可得，振幅的改变仅仅对工件表面粗糙度造成0.1 μm级别的影响，影响效果较小。

当其他加工参数配合较差（如：进给量过小、预紧力过大）时，将造成颤振的发生，而在不同振幅条件下，工件表面的振纹差异也相似。综上所述，滚压加工过程中发生颤振现象并造成工件表面出现振纹，一般可排除超声滚压装置振幅的影响，且振幅对工件表面质量的影响较小。

4 结束语

在超声波辅助滚压工艺中，颤振发生的决定性原因在于机床进给量过小而导致的滚压工具头对工件表面造成的滚压重叠。滚压装置预紧力和机床转速虽然不能对颤振现象的发生起决定性影响，但与颤振发生后对工件表面的作用效果有直接影响。另外，在使用超声辅助滚压这一新兴加工技术时，由于多种加工参数配合的复杂性，时常导致工件的最终加工效果不理想，但通过工件表面的加工现象可快速分析加工过程中的问题所在并加以调整。通过多组实验效果及状况的具体分析，可得出选用较大的进给量 （0.18～0.30 mm/r）配合适当的预紧力（15～20 kg）和较高的机床转速（1140 r/min以上），能获得较好的加工效果。

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Generation and Restraint of Self-excited Vibration in Ultrasonic Auxiliary Rolling Process

ZHANG Ming，ZHANG Yi，SUN Shengjun
（College of Electromechanical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266061，China）

The phenomenon of regular self-excited vibration during the actual operation of ultrasonic auxiliary rolling process is explored，and try to explain the results of experiment with theory. By analyzing regular texture distributed on the artifacts during the actual operation of ultrasonic auxiliary rolling process with different processing parameters to propose new restraint methods of selfexcited vibration，to optimize technological level of the whole ultrasonic auxiliary rolling process system.

ultrasonic auxiliary rolling process；regenerative self-excited vibration；surface quality；processing parameters

TG663

A

1009－279X（2017）01－0065-04

2016-09-06

张明，男，1960年生，教授。