超聲滾壓工藝對6061鋁合金平面件表面粗糙度的影響

譚 輝，靳 剛，閻 兵，肖福源

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

隨著科學技術的不斷發展，各行各業生產都離不開機械裝置，鋁合金憑借其抗腐蝕性能好、易加工、成本低等優點被廣泛應用，這無疑也對機械裝置中關鍵零部件的使用壽命提出了更高的要求。一般而言，產品零部件失效形式往往從材料表面開始，因此對材料表面的完整性進行研究具有重要意義[1-3]。超聲滾壓技術是在傳統滾壓技術基礎上，引入超聲振動所產生的新型加工技術，該技術符合國家“碳中和”戰略需求，其憑借綠色、易控制、表面質量提升明顯以及加工效率高的特點成為國內外學者研究的熱點[4-6]。王世杰等[7]通過超聲滾壓技術對45鋼表面形貌進行研究，發現加工參數對表面形貌的峰谷高度具有較大影響。張繼旺等[8]通過超聲滾壓技術對EA4T車軸鋼進行滾壓處理，研究表明，超聲滾壓技術可以有效降低材料表面粗糙度，去除表面犁溝形貌，并通過BP神經網絡建立了不同參數下的疲勞壽命預測模型。尚方方等[9]使用多珠滾壓加工刀具對7075鋁合金表面進行平面滾壓，通過對表面摩擦磨損性能的研究發現，超聲滾壓加工改變了工件表面微觀結構，磨損機制的改變使表面抗磨性、試樣壽命均得到提高。王婷等[10]通過對40Cr材料進行旋轉超聲滾壓實驗，得出超聲滾壓技術可以明顯降低車削的加工痕跡，表面粗糙度降低至0.2 μm以下的結論。蔣書祥等[11]通過對7050鋁合金的二維超聲滾壓發現，經過超聲滾壓處理后，材料表面形貌得到明顯改善，表面粗糙度最大降幅達到73%。李占杰等[12]采用超聲滾壓技術對6061鋁合金設計三因素三水平的正交實驗，分析得出主軸轉速對材料表面粗糙度的影響最大，其次是滾壓次數與進給速度，但未考慮到靜壓力對粗糙度的影響。Xu等[13]采用超聲滾壓技術對7B85-T6合金進行加工，實驗得出，原始樣品表面形貌存在許多一致性的劃痕損傷，經過超聲滾壓加工后，表面劃痕逐漸消失，樣品表面在宏觀上表現出越來越光滑的趨勢。Ye等[14]對AZ31B合金進行超聲滾壓處理后發現，樣品表面發生了嚴重的塑性變形，且滾壓后的初始表面粗糙度比初始值降低了91.8%，從表面形貌圖看出，該技術對表面微槽有極好的平滑效果，可以獲得更好的表面性能。宋錦春等[15]對45鋼進行旋轉超聲滾壓實驗發現，經過超聲滾壓處理后的材料表面粗糙度可以減小至0.02 μm以下，材料表面質量得到顯著提高。肖福源等[16]對6061鋁合金進行旋轉超聲滾壓研究發現，材料表面粗糙度降低45%～94%，由于采用的是旋轉超聲滾壓，相較于平面超聲滾壓的滾壓刀具、加工參數均有較大差別。

現有的超聲滾壓研究一般針對柱面展開，平面超聲滾壓研究較少，而對6061鋁合金平面件的超聲滾壓表面粗糙度和表面形貌探究更少?；诖?，本文針對6061鋁合金平面件開展超聲滾壓表面粗糙度影響規律研究，分析滾壓次數、靜壓力、主軸轉速和進給速度四因素對材料表面粗糙度及表面形貌的影響。

1 6061鋁合金超聲滾壓實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為6061鋁合金，尺寸為60 mm×60 mm×20 mm，材料主要合金元素有Mg和Si，還含有Cu、Mn、Zn、Ti、Cr等其他微量元素，其化學成分如表1所示。

表1 6061鋁合金主要化學成分

1.2 實驗裝置

圖1為6061鋁合金超聲滾壓加工實驗圖。

圖1 超聲滾壓加工實驗圖

平臺以牧野機床有限公司生產的S56立式加工中心為基礎，添加超聲輔助加工系統，如圖1（a）所示，超聲輔助加工系統包括：超聲電源、超聲波發生器和超聲刀柄。其中，超聲波發生器型號為Takemasa公司生產的UBT40-33B，其超聲方向為軸向，超聲頻率為1.9 kHz，振幅為3 μm，工件底部裝有9527B測力儀，用來監測滾壓過程中壓力的變化，同時確保在滾壓前施加需要的靜壓力。滾壓頭的結構如圖1（b）所示，其主要是通過緊固螺栓和墊圈將滾壓刀盤、滾子和彈性材料組合起來。滾壓頭作為超聲滾壓環節重要的零部件組成，其工作穩定性是決定實驗成敗的關鍵，在滾壓過程中需時刻保持冷卻液噴射以保證其潤滑性和冷卻性，而定期清理超聲滾壓所產生的鋁合金粉末，以免粘連滾子或待滾壓表面造成的表面二次劃傷也是實驗需要重點考慮的問題。

在滾壓過程中，滾子由滾壓刀盤設計的開口處露出，通過與超聲刀柄連接的彈性材料傳遞振動，憑借滾子對材料表面高頻率的振動，材料表面發生塑性變形，達到“填谷削峰”的效果，從宏觀層面表現為滾壓后材料出現鏡面效果，其滾壓原理如圖1（c）所示。

2 正交實驗設計與極差分析

2.1 正交實驗設計

預研實驗表明，主軸轉速ω、進給速度Vc、靜壓力F和滾壓次數n是影響6061鋁合金滾壓表面粗糙度的重要因素。為了研究這4個加工因素在超聲和非超聲情況下對表面粗糙度和表面形貌的影響規律并找出最佳工藝路線，設計了16組正交實驗，6061鋁合金材料正交實驗數據如表2所示。

表2 6061鋁合金材料正交實驗數據表

工件表面粗糙度采用布魯克公司生產的Contour GT-X三維光學顯微鏡觸式表面粗糙度儀測量，工件表面形貌采用基恩士公司生產的VHX-1000C超景深顯微鏡測量。經測，6061鋁合金平面件的初始表面粗糙度Sa為0.936 μm。

2.2 極差分析

根據表2數據求出6061鋁合金在超聲滾壓實驗因素的優水平和優組合，并得到相應的極差分析表，如表3所示。

表3 超聲滾壓加工實驗影響工件表面粗糙度的極差分析

由表3可知，在超聲滾壓過程中，主軸轉速對6061鋁合金表面粗糙度影響最大，其次是進給速度和滾壓次數，靜壓力的影響最小。通過對實驗數據的分析，可以得到表面粗糙度的最優因素組合為A1D2B1C2，即在主軸轉速1 000 r/min、進給速度40 mm/min、靜壓力600 N、滾壓2次的滾壓工況下，材料可以獲得最優的滾壓表面質量。

3 實驗結果分析

3.1 不同加工參數對表面粗糙度的影響

表面粗糙度是評定材料表面質量的重要指標，圖2為依據表2實驗參數所得的不同主軸轉速、靜壓力、滾壓次數和進給速度對6061鋁合金表面粗糙度的影響曲線。圖中，紅色線段為未滾壓粗糙度曲線，藍色線段為超聲滾壓后粗糙度曲線。

從圖2（a）可以看出，材料表面粗糙度隨主軸轉速的增加，整體呈現出先增大再減小的趨勢，當ω為1 500 r/min時，粗糙度達到最大，為0.374 μm，相較未滾壓粗糙度0.936 μm降低了60%；在ω為1 000 r/min時，粗糙度值最小，為0.186 μm，對比未滾壓粗糙度有80%的降幅。由此表明，較低的轉速在高頻的超聲振動下，滾子與材料表面相同部位的接觸時間增加，即有效滾壓時間增加；較高的轉速，在相同進給速度的條件下，同樣可以達到增加有效滾壓時間，使材料表面滾壓更為充分，從而降低了材料表面粗糙度。

從圖2（b）可以看出，材料表面粗糙度隨靜壓力的增加，變化幅度在0.1 μm范圍內，較為穩定。當靜壓力為600 N時，粗糙度達到最小值0.245 μm，相較于未滾壓加工粗糙度降低了73%。增大靜壓力可以有效降低表面粗糙度，但過大的靜壓力易在材料表面產生擠壓、凹坑、劃痕等問題。

從圖2（c）可以看出，隨著滾壓次數的增加，材料表面粗糙度先減小后增大，在滾壓進行到第2次時，粗糙度達到最小值0.187 μm，對比未滾壓加工粗糙度降低了80%。多次滾壓加工可以彌補上次加工過程中未改善的缺陷，降低工件的表面粗糙度，但滾壓次數過多會對材料表面產生過分沖擊，造成材料表面因過分形變產生組織脫離、表面微裂紋等現象，使得材料表面粗糙度增加。

從圖2（d）可以得出，材料表面粗糙度隨進給速度的增加呈現出先增加再減小的趨勢，當進給速度為60 mm/min時，粗糙度達到最大值0.357 μm，與未滾壓加工粗糙度相比依然有61%的降幅。在超聲滾壓過程中，較慢的進給速度可以保證滾壓頭和工件表面充分接觸，增加有效接觸時間；過高的進給速度雖然也呈現出降低粗糙度的趨勢，但從表面形貌的觀測結果上看，其表面完整性并不理想。

總之，從圖2可知，超聲滾壓的高頻沖擊具有對金屬表面微觀構造中的高峰低谷進行“削峰填谷”的作用，在實驗所選的每種工況下，通過超聲滾壓，材料表面質量均得到提高，這說明通過超聲滾壓改善6061鋁合金的表面質量是行之有效的。

圖2 不同加工因素對粗糙度的影響曲線

3.2 不同加工參數對表面形貌的影響

為探究超聲滾壓過程加工參數對材料表面形貌的影響，設計了以主軸轉速和進給速度為變量的單因素實驗，其表面形貌分別如圖3和圖4所示。

固定加工參數為F=600 N、n=2，圖3（a）—（d）對應加工變量參數ω分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min，圖4（a）—（d）對應加工變量參數Vc分別為40 mm/min、60 mm/min、80 mm/min、100 mm/min。顯然，6061鋁合金超聲滾壓過程的表面缺陷主要以材料缺陷、刀具劃痕、組織脫落、表面坑點等形式出現，而工藝參數對表面缺陷的形成具有一定的影響。

從圖3可知，主軸轉速對材料表面形貌的影響較大，在較低主軸轉速的圖3（a）中，除了少量的材料表面缺陷，并未產生其他損傷，隨著主軸轉速的增加，可以看到圖3（a）、（b）中出現由滾壓頭產生的刀具劃痕數量增多、深度增加。從圖3（d）可知，ω=2 500 r/min的表面形貌中，出現了范圍較大的組織脫落現象，此時的材料表面粗糙度值也為同組最大，0.286 μm。由此可以看出，材料表面的損傷在一定程度上可以表現在粗糙度數值的增加上。

圖3 不同主軸轉速材料表面形貌圖

對比圖4（a）和圖4（b）可以看出，過慢的進給速度，使得材料表面滾壓過度，表面出現大量小組織剝落和較深的刀具劃痕現象。對比圖4（c）和圖4（d），二者雖然表面形貌損傷程度相當，但從粗糙度數值來看，卻有較大差異。因此，在對材料表面質量進行檢測評估時，除考慮表面粗糙度數值外，表面形貌也具有重要參考價值。

圖4 不同進給速度材料表面形貌圖

4 結語

本文系統研究了主軸轉速、進給速度、靜壓力和滾壓次數對6061鋁合金表面粗糙度的影響，設計了四因素四水平的正交實驗，得出如下結論：

（1）在超聲滾壓過程中，主軸轉速對6061鋁合金表面粗糙度影響最大，其次是進給速度和滾壓次數，靜壓力的影響最小。通過對實驗數據的分析可以得到表面粗糙度的最優因素組合為A1D2B1C2，即主軸轉速為1 000 r/min，進給速度40 mm/min，靜壓力600 N，滾壓2次。

（2）超聲滾壓對降低材料表面粗糙度效果顯著，最低可以達到0.186 μm。在所選定主軸轉速、靜壓力、滾壓次數和靜壓力區間內對比未滾壓工件表面粗糙度，下降幅度分別為60%～82%、64%～73%、64%～80%和62%～76%。加工參數對材料表面粗糙度的影響為：表面粗糙度隨主軸轉速的增加，先增大再減??；隨靜壓力的增加，變化較為穩定；隨滾壓次數的增加，先減小后增大；隨進給速度的增加，先增大再減小。

（3）主軸轉速對材料表面形貌的影響較大，高轉速會使材料表面出現刀具劃痕、組織脫落等損傷；過快或者過慢的進給速度會對材料表面造成坑點、刀具劃痕等損傷。本次實驗發現，形貌情況相近的表面，在粗糙度數值上卻有較大差異。因此，為保證表面質量評估的準確性，還應綜合考慮表面粗糙度和表面形貌。