超声加工对球墨铸铁表面粗糙度的影响及其机理

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(1.武汉材料保护研究所，特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室，武汉 430030；2.中车株洲电机有限公司，株洲 412000)

0 引 言

超声加工(Ultrasonic Machining，USM)是一种高频脉冲光整加工技术，也是一种表面强化工艺[1];与挤压、喷丸和滚压等工艺类似，超声加工通过位错运动使材料表层组织细化[2]。超声加工工艺利用金属的冷塑性特点，采用刀具固结金刚石工具头对工件表层进行高频撞击，增加工件表层的自由能，使其产生强烈塑性变形，将工件表面“削峰填谷”，从而提高工件表面的质量并细化工件表层的组织[3-7]。超声加工工艺提高工件表面质量的效果远超传统的磨削和抛光等工艺，在军事、航空航天、汽车工业、生物医疗等领域都有广泛的应用[8-9]。目前，国内外有关超声加工工艺的研究主要集中在材料去除机理、工艺参数对工件表面质量的影响[10-13]及有限元仿真[14-15]等方面，而有关超声加工工艺对表面粗糙度影响的研究较少。

电动机端盖轴承室的材料通常为QT400-18L球墨铸铁，其较大表面粗糙度所造成的磨损使得电动机发生严重的机械振动，导致转子与定子摩擦扫膛，从而烧毁电机定子绕组[16]。为了降低轴承室表面粗糙度，作者利用超声加工工艺对QT400-18L球墨铸铁表面进行处理，采用白光共焦三维显微镜对其表面形貌、表面粗糙度等进行了表征，并结合扫描电子显微镜、光学显微镜、维氏硬度计等研究了超声加工对球磨铸铁表层组织和硬度的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验所用QT400-18L球墨铸铁端盖轴承室由株洲中车电机提供，热处理状态为中低温退火；该球墨铸铁的抗拉强度为430 MPa，屈服强度为134 MPa，伸长率为20.14%，硬度为180～200 HV。从端盖轴承室中取出轴件和圆盘，尺寸如图1和图2所示。

图1 轴件的形状与尺寸Fig.1 Shape and dimension of shaft

图2 圆盘的形状与尺寸Fig.2 Shape and dimension of disc

将超声加工设备安装在CA6150型卧式车床上，然后对轴件和圆盘进行超声加工试验，超声加工过程如图3所示，图中n为车床主轴转速，v为刀具进给速度。试样由三角卡盘固定在车床上，车床主轴带动试样转动，超声加工刀具在竖直方向对试样进行高频撞击且沿水平方向进给，刀具的工具头为金刚石球，直径为14 mm。轴件加工预压力为0.20 MPa，采用液压随动加压，刀具进给速度为0.1 mm·r-1，车床主轴转速为71 r·min-1，超声工具头的工作频率为27 kHz；圆盘加工预压力为0.35 MPa，采用液压随动加压，刀具进给速度为0.2 mm·r-1，车床主轴转速为110 r·min-1，超声工具头的工作频率为27 kHz。试验环境为大气环境，温度为25 ℃，相对湿度为63%。在加工过程中采用循环流动的切削液，防止黏附现象的出现。

1.2 试验方法

利用高精度千分尺测试样加工区与未加工区的尺寸，分析超声加工的尺寸控制能力。采用MICROMEASURE2型白光共焦三维显微镜观察试样表面的三维形貌，测其表面粗糙度，轴件试样的分析区域如图4所示，白光扫描平面尺寸为10 mm×1 mm，步长为4 μm×7 μm，比率为300，光笔景深为300 μm。采用MVD-1000JMT2型显微硬度计测圆盘和轴件的表面硬度和截面硬度分布，轴件表面硬度的测试区域如图5所示，其中区域1,3位于加工区，区域2位于未加工区，载荷为9.8 N，保载时间为10～15 s,各测3点取平均值。

图3 超声加工过程示意Fig.3 Schematic of USM process

图4 轴件试样的三维形貌分析区域示意Fig.4 Schematic of analyzed area of three-dimensional morphology of the shaft sample

图5 轴件试样的硬度测试区域示意Fig.5 Schematic of hardness measuring area of the shaft sample

图6 轴件试样SEM取样位置示意Fig.6 Schematic of SEM sampling position of the shaft sample

在图6所示的轴件试样的6个位置上截取金相试样，其中头部为未加工区，位置0为弧面加工区，位置1为加工区与未加工区的过渡区域，位置2为未加工区，位置3为未加工区与加工区的过渡区域，位置4为加工区，金相试样经磨制、抛光和用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在JSM-6510LV型扫描电子显微镜(SEM)上观察轴件试样表面加工区和未加工区的微观形貌。在轴件试样超声加工区平行于径向方向截取金相试样，经磨制、抛光和用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在DMI8-C型光学显微镜上观察其旋转截面显微组织；分别在轴件试样超声加工区垂直于径向方向和圆盘试样沿直径方向截取金相试样，经相同处理后观察其刀具进给截面显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 对尺寸的影响

由图7可以看出，超声加工区与未加工区有明显区别，分界线如图中箭头所指，未加工区表面明显比加工区的粗糙。超声加工后，轴件试样中加工区和未加工区的直径分别为9.992，10.008 mm，二者仅相差0.016 mm。圆盘试样在超声加工前后的厚度分别为14.712，14.702 mm，厚度减小0.010 mm。由此可见，超声加工对试样尺寸的影响很小，对轴承室的刚度影响不大。

图7 超声加工后轴件试样的宏观形貌Fig.7 Macroscopic morphology of the shaft sample after USM

图8 轴件试样分析区域的三维形貌和中心轮廓线Fig.8 Three-dimensional morphology (a) and contour of center (b) of analysis area of the shaft sample

2.2 对表面形貌的影响

由图8(a)可以看出，加工区与未加工区的交界处有明显的蝶形凸起。由图8(b)可知，蝶形凸起的高度约30 μm，宽度约1.20 mm。由表1可以看出，超声加工后，轮廓算术平均偏差Ra由加工前的1.465 μm减小到0.948 μm，降低了35.29%，因此超声加工能显著降低轴件试样的表面粗糙度。

表1 轴件试样加工区和未加工区的表面粗糙度Tab.1 Surface roughness of machining area andnon-machining area of the shaft sample μm

由图8(b)中,A，E两点的高度分别为35.19,37.78 μm，可知加工区的轮廓高度比未加工区的低约1.6 μm。在超声加工过程中，刀具的高频撞击导致试样出现裂纹，发生破碎，从而将其表面的材料去除。鉴于在常规的抛光过程中经常出现的类似切削过程中的“积削瘤”现象，将分析区域蝶形凸起左侧加工区分成6段，每段长0.8 mm，测试各段的表面粗糙度，从而分析试样在超声加工过程中能否实现连续抛光。由测试结果可知，随距蝶形凸起距离的缩短,各段的粗糙度依次为0.632,0.557,0.656,0.577,0.542,0.841 μm,除了最后一段因靠近凸起部分而导致其粗糙度明显增大外，其他5段的表面粗糙度相近，这说明超声加工可实现连续抛光。这是因为超声加工过程中的高频振动使刀具和试样有规律的分离，即使出现凸起也会被后面的撞击压平，从而使得试样在超声加工过程中不会堆积凸起[17]。三维形貌轮廓仪测得的蝶形凸起是在最后退刀阶段，产生的凸起因无后续刀具的撞击而形成的；该蝶形凸起可能会造成应力集中和材料脱落，因此在实际工程应用中需进行进一步的处理。

2.3 对显微组织的影响

2.3.1 表层显微组织

由图9可以看出：头部、位置2均存在明显的凹坑、切削划痕等，表面粗糙且有微孔；位置0和位置4表面平整，机加工痕迹不明显，局部存在塑性变形；位置1和位置3较未加工区更光滑。由图10可以看出，位置1中未加工区与加工区存在明显的分界线，且未加工区有明显的机加工痕迹。由此可知，超声加工可使球墨铸铁获得平滑的表面。

经金刚石工具头高频撞击后，轴件试样中产生了大量脆性微裂纹，导致石墨脱落、晶粒位错线堆积，从而造成表面材料的剥离、去除[18]，在高应力的作用下，试样表面最终达到镜面效果。

图9 图6所示不同位置的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of different positions shown in Fig.6: (a) head; (b) position 0; (c) position 1; (d) position 2;(e) position 3 and (f) position 4

图10 图6中位置1中SEM低倍形貌Fig.10 SEM morphology at low magnification of position 1 shown in Fig.6

2.3.2 旋转截面显微组织

由图11可知：轴件试样旋转截面的显微组织是由铁素体+石墨组成的等轴晶组织，石墨大部分呈球状、团状、团絮状，少量呈蠕虫状，还有一些石墨被铁素体包围，呈“牛眼”状；试样表层的塑性变形最剧烈，塑性变形的影响深度约为100 μm，表层的平均晶粒尺寸明显小于心部的，在刀具的高频撞击下，表层晶粒明显细化，同时试样的旋转使其塑性变形具有一定的方向性。

2.3.3 刀具进给截面显微组织

由图12可以看出：圆盘试样表层的石墨沿刀具进给方向发生变形，可见超声加工的刀具进给使试样组织的变形具有一定的方向性；轴件试样的刀具沿进给方向的塑性变形不明显，这可能是因为其加工参数和加工面形状不同。

在超声加工过程中，材料表层原子及微观组织被激活，产生局部塑性变形，轴件的旋转、刀具的进给都会使塑性变形具有一定的方向性，如图13(a)所示。对于无磨粒超声加工而言，脆性微裂纹的形成是材料去除的主要机理，刀具的直接撞击导致试样表面材料的去除和晶粒细化[18-19]，使试样表面质量提高并出现塑性变形层。塑性变形过程中的位错滑移、交滑移等导致晶粒细化，晶粒细化的程度取决于变形程度和方向；当晶粒细化到一定程度后，位错的产生与由结构回复导致的位错湮灭相平衡，从而使晶粒尺寸趋于稳定[20]。晶粒吸收外界能量后，晶核提前形成，刀具撞击导致枝晶破碎，从而造成晶核数量增多、晶粒细化并使应力得以释放。QT400-18L球墨铸铁的组织为体心立方结构的铁素体，该球墨铸铁属于48组滑移系的高层错能金属，形变过程中易发生滑移而形成流线形组织。超声加工过程中刀具的高频撞击所产生的应力使材料发生局部塑性变形，晶粒中的位错密度随着变形程度的增大而增大，从而造成晶粒细化。晶粒细化机制主要包括：(1)大晶粒通过倾斜或扭曲形成亚晶界，亚晶粒经旋转而形成大角度晶界，如图13(b)所示；(2)由应变引起的位错塞成在旧晶界附近，构成了累积位错区，最终形成了新的大角度晶界，如图13(c)[21]所示。

图11 轴件试样旋转截面的显微组织Fig.11 Microstructure of rotational section of the shaft sample: (a) at low magnification and (b) at high magnification

图12 轴件试样和圆盘试样刀具进给截面显微组织Fig.12 Microstructures of feeding section of the shaft sample (a) and disc sample (b-c): (a-b) machining area and (c) non-machining area

图13 晶粒细化机制示意Fig.13 Schematic of mechanisms of grain refinement: (a) directionality of plastic deformation; (b) low angle grain boundaries rotation to high angle grain boundaries and (c) dislocation accumlated in the vicinity of old grain boundaries

2.4 对硬度的影响

由测试结果可知：轴件试样加工区(区域1和区域3)和未加工区(区域2)的平均硬度分别为233.4，187.0 HV，超声加工区的表面硬度比未加工区的提高了24.8%；圆盘试样加工区和未加工区的平均硬度分别为223.8,186.8 HV，超声加工后的表面硬度比未加工的提高了19.8%。综上可知，超声加工后试样的表面硬度提高了约20%，同时表层晶粒明显细化，符合Hall-Petch关系，因此晶粒细化对球墨铸铁的表面强化起到了重要作用；同时，球墨铸铁在塑性变形时，其晶粒发生滑移，滑移面和其他晶格发生扭曲，导致晶粒伸长和残余应力的产生，阻碍其进一步变形，产生加工硬化效应。因此，晶粒细化和加工硬化的共同作用使球墨铸铁表面的硬度提高。

由图14可以看出：圆盘试样和轴件试样的硬度随距表面距离的增加均整体呈先升后降的趋势，最大硬度均出现在距表面约0.1 mm的次表面处；超声加工对试样硬度的影响深度均约为0.6 mm。在超声加工过程中，试样表面产生较大的应变，导致表面损伤，从而使表面硬度略低于次表面的[22]；且与次表面相比，表面只受到同一平面晶粒的阻碍，超声加工后表面有较大程度的弹性回复，使得晶粒之间的致密程度下降，从而导致最大硬度出现在超声加工试样的次表面[23]。

图14 圆盘试样和轴件试样加工区的硬度随距表面距离的分布曲线Fig.14 Distribution curves of hardness vs the distance from the surface of machining areas of the disc sample and shaft sample

3 结 论

(1) 超声加工对试样的尺寸影响很小，可实现连续抛光；加工区与未加工区的交界处有明显的蝶形凸起，凸起高度约30 μm，宽度约1.2 mm；超声加工能显著降低试样的表面粗糙度，轮廓算术平均偏差由加工前的1.465 μm减小到0.948 μm，降低了35.29%。

(2) 超声加工后，试样表面产生具有一定方向性的塑性变形层，塑性变形的影响深度约100 μm。超声加工后，试样表层晶粒明显细化。

(3) 球墨铸铁试样超声加工区的表面硬度比未加工区的提高了约20%，在该试验条件下，超声加工对球墨铸铁试样硬度的影响深度为0.6 mm左右。

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