超声波滚压光整加工技术机理研究_于泽旭
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活塞杆生产工艺流程多为： 加热—锻造（3t 型锻锤）—正火—粗加工（粗车）—热处理— 精加工（精车和精磨）—除锈（酸洗）—除油（碱洗）—烘干—待焊。 超声滚压这一道工序在一定程度上可以替代精车和精磨这 两道工序，这不但节约了工时，也大大降低了加工成本，也是未来 零件表面处理方式的发展方向。更为重要的是超声表面滚压光整
Abstract：It first introduces the surface self -nanocrystalization processing methods and the development of ultrasonic machining，and secondly finishes the analysis of key parts of ultrasonic machining system. At the same time，focuses on theoretically analyzing and designing of the structure of ultrasonic amplitude transformer，analyzing the modal and harmonic response of the amplitude transformer by using finite element analysis software ANSYS，verifying the rationality of theoretical design. Then，it discusses the mechanical constitutive model of the finite element model，and determines the constitutive model of ultrasonic rolling processing. It analyzes the impact of ultrasonic rolling processing by using the ABAQUS finite element analysis software，obtaining the deformation effect and its kinetic energy and internal energy curves. Key Words：Ultrasonic；Rolling Processing；Piston Rod；Self-Nanocrystallization；Surface Roughness；Modelling
2.2 超声变幅杆的设计与有限元分析
和 Subspace（子空间法）一样精确，但是它的分析速度更快。Block
根据换能器中夹心压电片的面积和刀具头的大小，来确定变 幅杆两端的直径分别为大端、小端 D2=20mm。超声滚压加工的工作 频率为 f=30kHz。变幅杆所选用的材料为 45 钢，则可得到纵波声
Simulation Research of Ultrasonic Rolling and Finishing Processing Technology
YU Ze-xu，SONG Jin-chun，WANG Yan，NI Ke
（School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Liaoning Shenyang 110004，China）
位移节点 x0：位移节点在变幅杆中心，则 x0=0；
具体的设计尺寸，如图 2 所示。
a
b
NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB=1 FREQ=29851.9 USUM （AVG） RSYS=0 DMX=2.64987 SMN=.159826 SMX=2.64987
Y ZX
准32 准20
x
86 图 2 阶梯形变幅杆设计尺寸 Fig.2 The Design Size of the Sstep Amplitude Transformer
在考虑设计制造变幅杆时，应使变幅杆的长度等于超声波 的半波长或其整数，为了缩短变幅杆的整体长度，则将变幅杆设 计为半波长圆截面阶梯型变幅杆。
表 １ 阶梯形变幅杆模态值 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ Ｍｏｄｅ Ｖａｌｕｅｓ ｏｆ Ｓｔｅｐ
Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
根据上述对变幅杆的条件及要求，可得如下理论设计参数。
采用的是旋转生成模型的方式在 ANASYS 软件中直接建 模。有限元单元分析类型选用的是 SOLID10node187 单元，即为 10 节点四面体单元，SOLID187 是高阶三维 10 节点实体单元，该 单元具有二次位移，适于生成不规则网格模型[3]。模型建立成功 后，定义相关材料属性。几何模型建立好后，采用智能划分网格功 能，将网格智能划分精度定义为 5 级精度，对几何模型进行网格 划分，划分后的结果，如图 3 所示。
ELEMENTS
Y
超声发生器
超声振动系统
机床
磨料悬浮液循环系统 和换能器冷却系统
ZX
超 声变工 换幅具 能杆头 器
加工 压作 机台 构及 及其 工位 作置 进调 给整 机系 构统
磨 料 悬 浮 循 环 系 统
换 能 器 冷 却 系 统
lamplitude transformer
图 3 智能划分网格后阶梯形变幅杆有限元模型 Fig.3 The Finite Element Model of Step Amplitude
NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB=5 FREQ=30000 REAL ONLY SEQV （AVG） DMX=.253E-04 SMN=31734.9 SMX=.277E+09
பைடு நூலகம்
Y ZX
31734.9
.615E+08
.123E+09
.184E+09
.246E+09
.308E+08
.922E+08
来稿日期：2014-06-20 作者简介：于泽旭，（1970-），男，辽宁辽阳人，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：机械自动化；
宋锦春，（1957-），男，辽宁沈阳人，博士，教授，主要研究方向：机电一体化
94
于泽旭等：超声波滚压光整加工技术机理研究
第 12 期
下所产生的应力就含有切向分量，恰恰此类切向分量在去除材料 的加工过程起到关键作用。另外，超声加工过程中，磨料悬浮液中 所产生的气泡有着空化效应，这种空化效应在超声加工中也产生 了不可替代的效果。
No.12
Ｄｅｃ．２０１４
机械设计与制造
95
由表 1 可知，最接近我们希望值 30kHz 的阶梯形变幅杆的 模态值是第一阶模态下的 29852Hz，其误差约为 0.5％，完全满足 工程的误差范围和需要。因此我们将第一阶模态下的形变云图提 取出来，如图 4 所示。
提取阶梯形变幅杆在固有频率 30303Hz 附近的频率，得到 其应力应变云图，如图 5、图 6 所示。
1 引言
超声表面滚压光整加工技术是一种新兴超声辅助表面改性 方法。这种方法能够促使表面层晶粒纳米化，纳米晶体材料因其 晶粒的尺寸小（通常情况下小于 100nm）、界面密度高、体积分数 大而表现出优于传统粗晶粒材料的独特力学特性。如果在传统的 粗晶粒材料表面能够制备出来一定厚度，并且性能优异的纳米结 构晶层，这样就可以通过表面组织性能的优化来大大的提升材料 的综合力学性能，不仅仅能更好地利用传统工程材料，同时也极 大程度上地节约了生产成本[1]。对于液压杆和液压缸体表面的加 工，此方法具有磨削所不具备优势。
加工能够使表面晶粒纳米化的同时显著降低材料的表面粗糙度 值，以改善表面应力分布，增强其耐磨、耐腐蚀性。
2 超声加工系统及变幅杆的优化设计
2.1 超声加工基本原理及系统装置组成
超声加工技术多以磨料冲击加工为主。因此，这里我们主要 通过磨料冲击加工为例，来简述超声加工的基本原理。首先由超 声电源产生超声频率的电流信号，该超声频率的振荡电流进入超 声换能器。然后由换能器中的压电陶瓷产生超声频率的机械振 动，再通过换能器中的变幅杆对其位移振幅进行放大，将放大后 的振幅传输给刀具头，使得刀具头垂直工件表面做纵向振动。当 刀具头做纵向振动时，冲击磨料颗粒，磨料颗粒又冲击加工表面， 超声加工主要是利用磨料颗粒的“连续冲击”作用。在无数磨料颗 粒连续不断的冲击下，可使加工工件的表面破碎和去除。如果不 使用磨料，而直接通过加工头去撞击材料表面，这样不但无法起 到去除材料的作用，反而只能损伤材料表面。只有通过切变应力 才可实现工件表面材料的去除，而磨料在超声刀具头的不断冲击
阶数
模态值/Hz
面积系数：N=D1/D2=32/20=1.6；
放大系数：MP=N2=2.56；
6
变幅杆共振长度：λ=c/f=
5.17×10 30000
=172；
阶梯形变幅杆长度：l=a+b=λ/2=86mm；
1
29852
2
30303
3
30305
4
37911
两段长度 a、b 别为：a=b=λ/4=43mm；
尽管不同的超声加工方式所对应结构及功率不同，但是其 相关的组成部分基本一致。超声加工系统一般包括以下几个部 分：超声发生器、超声振动系统、机床和磨料悬浮液循环系统及换 能器冷却系统。
其相关主要部分，如图 1 所示。
超声加工设备
选用变幅杆材质最常用的 45 钢作为变幅杆有限元分析材 料，密度为 7850kg/m3，弹性模量为 210GPa，声速为 5170m/s，泊松 比为 0.3，抗拉强度为 600MPa。
Transformer After Smart Meshing
图 1 超声系统装置组成 Fig.1 The Composition of Ultrasound System Devices
阶梯形变幅杆网格智能划分完毕后，便可进入变幅杆的模 态分析设定。采用的是 Block Lanczos 法特征值求解器，此种方法
.154E+09
.215E+09
.277E+09
lamplitude transformer
图 5 阶梯变幅杆应力云图 Fig.5 The Stress Contour of Step Amplitude Transformer
NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB=5 FREQ=30000 REAL ONLY EPTOEQV （AVG） DMX=.253E-04 SMN=.189E-06 SMX=001285
.159826
.935391
1.71096
2.48652
.547609
1.32317
2.09874
2.8743
lamplitude transformer
3.26209 3.64987
图 4 阶梯形变幅杆第一阶模态频率 Fig.4 The First-Order Mode Frequency
of Step Amplitude Transformer
第 12 期
机械设计与制造
2014 年 12 月
Machinery Design ＆ Manufacture
93
超声波滚压光整加工技术机理研究
于泽旭，宋锦春，王 琰，倪 克
（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004）
摘 要：超声表面滚压光整加工是一种新兴超声辅助表面改性技术，能够促使表面层晶粒纳米化，可显著降低材料的表 面粗糙度值，改善表面应力分布，增强其耐磨、耐腐蚀性。研究了超声滚压加工机理及并建立力学模型。对超声加工系统 各关键组成部分进行剖析，重点对超声变幅杆的结构进行了理论上的分析及设计，利用 ANSYS 有限元分析软件对变幅 杆进行了模态与谐响应分析，验证了理论设计的合理性。确定了满足超声波滚压加工模式的本构模型，利用 ABAQUS 对 超声滚压冲击过程做有限元模拟分析。 关键词：超声波；滚压加工；活塞杆；自纳米化；表面粗糙度；建模 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2014）12-0093-04
Lanczos 法采用的是稀疏矩阵方程求解器。一般在计算某系统特 征质谱所包含固有频率范围时，多采用此方法[4-5]。为了尽可能的 减少运算时间，将搜索阶梯形变幅杆模态的固有频率范围设定在
速（在细棒中）c=5.17×106mm/s[2]。
（20~40）kHz 之间。阶梯形变幅杆的模态分析结果，如表 1 所示。
Abstract：It first introduces the surface self -nanocrystalization processing methods and the development of ultrasonic machining，and secondly finishes the analysis of key parts of ultrasonic machining system. At the same time，focuses on theoretically analyzing and designing of the structure of ultrasonic amplitude transformer，analyzing the modal and harmonic response of the amplitude transformer by using finite element analysis software ANSYS，verifying the rationality of theoretical design. Then，it discusses the mechanical constitutive model of the finite element model，and determines the constitutive model of ultrasonic rolling processing. It analyzes the impact of ultrasonic rolling processing by using the ABAQUS finite element analysis software，obtaining the deformation effect and its kinetic energy and internal energy curves. Key Words：Ultrasonic；Rolling Processing；Piston Rod；Self-Nanocrystallization；Surface Roughness；Modelling
2.2 超声变幅杆的设计与有限元分析
和 Subspace（子空间法）一样精确，但是它的分析速度更快。Block
根据换能器中夹心压电片的面积和刀具头的大小，来确定变 幅杆两端的直径分别为大端、小端 D2=20mm。超声滚压加工的工作 频率为 f=30kHz。变幅杆所选用的材料为 45 钢，则可得到纵波声
Simulation Research of Ultrasonic Rolling and Finishing Processing Technology
YU Ze-xu，SONG Jin-chun，WANG Yan，NI Ke
（School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Liaoning Shenyang 110004，China）
位移节点 x0：位移节点在变幅杆中心，则 x0=0；
具体的设计尺寸，如图 2 所示。
a
b
NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB=1 FREQ=29851.9 USUM （AVG） RSYS=0 DMX=2.64987 SMN=.159826 SMX=2.64987
Y ZX
准32 准20
x
86 图 2 阶梯形变幅杆设计尺寸 Fig.2 The Design Size of the Sstep Amplitude Transformer
在考虑设计制造变幅杆时，应使变幅杆的长度等于超声波 的半波长或其整数，为了缩短变幅杆的整体长度，则将变幅杆设 计为半波长圆截面阶梯型变幅杆。
表 １ 阶梯形变幅杆模态值 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ Ｍｏｄｅ Ｖａｌｕｅｓ ｏｆ Ｓｔｅｐ
Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
根据上述对变幅杆的条件及要求，可得如下理论设计参数。
采用的是旋转生成模型的方式在 ANASYS 软件中直接建 模。有限元单元分析类型选用的是 SOLID10node187 单元，即为 10 节点四面体单元，SOLID187 是高阶三维 10 节点实体单元，该 单元具有二次位移，适于生成不规则网格模型[3]。模型建立成功 后，定义相关材料属性。几何模型建立好后，采用智能划分网格功 能，将网格智能划分精度定义为 5 级精度，对几何模型进行网格 划分，划分后的结果，如图 3 所示。
ELEMENTS
Y
超声发生器
超声振动系统
机床
磨料悬浮液循环系统 和换能器冷却系统
ZX
超 声变工 换幅具 能杆头 器
加工 压作 机台 构及 及其 工位 作置 进调 给整 机系 构统
磨 料 悬 浮 循 环 系 统
换 能 器 冷 却 系 统
lamplitude transformer
图 3 智能划分网格后阶梯形变幅杆有限元模型 Fig.3 The Finite Element Model of Step Amplitude
NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB=5 FREQ=30000 REAL ONLY SEQV （AVG） DMX=.253E-04 SMN=31734.9 SMX=.277E+09
பைடு நூலகம்
Y ZX
31734.9
.615E+08
.123E+09
.184E+09
.246E+09
.308E+08
.922E+08
来稿日期：2014-06-20 作者简介：于泽旭，（1970-），男，辽宁辽阳人，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：机械自动化；
宋锦春，（1957-），男，辽宁沈阳人，博士，教授，主要研究方向：机电一体化
94
于泽旭等：超声波滚压光整加工技术机理研究
第 12 期
下所产生的应力就含有切向分量，恰恰此类切向分量在去除材料 的加工过程起到关键作用。另外，超声加工过程中，磨料悬浮液中 所产生的气泡有着空化效应，这种空化效应在超声加工中也产生 了不可替代的效果。
No.12
Ｄｅｃ．２０１４
机械设计与制造
95
由表 1 可知，最接近我们希望值 30kHz 的阶梯形变幅杆的 模态值是第一阶模态下的 29852Hz，其误差约为 0.5％，完全满足 工程的误差范围和需要。因此我们将第一阶模态下的形变云图提 取出来，如图 4 所示。
提取阶梯形变幅杆在固有频率 30303Hz 附近的频率，得到 其应力应变云图，如图 5、图 6 所示。
1 引言
超声表面滚压光整加工技术是一种新兴超声辅助表面改性 方法。这种方法能够促使表面层晶粒纳米化，纳米晶体材料因其 晶粒的尺寸小（通常情况下小于 100nm）、界面密度高、体积分数 大而表现出优于传统粗晶粒材料的独特力学特性。如果在传统的 粗晶粒材料表面能够制备出来一定厚度，并且性能优异的纳米结 构晶层，这样就可以通过表面组织性能的优化来大大的提升材料 的综合力学性能，不仅仅能更好地利用传统工程材料，同时也极 大程度上地节约了生产成本[1]。对于液压杆和液压缸体表面的加 工，此方法具有磨削所不具备优势。
加工能够使表面晶粒纳米化的同时显著降低材料的表面粗糙度 值，以改善表面应力分布，增强其耐磨、耐腐蚀性。
2 超声加工系统及变幅杆的优化设计
2.1 超声加工基本原理及系统装置组成
超声加工技术多以磨料冲击加工为主。因此，这里我们主要 通过磨料冲击加工为例，来简述超声加工的基本原理。首先由超 声电源产生超声频率的电流信号，该超声频率的振荡电流进入超 声换能器。然后由换能器中的压电陶瓷产生超声频率的机械振 动，再通过换能器中的变幅杆对其位移振幅进行放大，将放大后 的振幅传输给刀具头，使得刀具头垂直工件表面做纵向振动。当 刀具头做纵向振动时，冲击磨料颗粒，磨料颗粒又冲击加工表面， 超声加工主要是利用磨料颗粒的“连续冲击”作用。在无数磨料颗 粒连续不断的冲击下，可使加工工件的表面破碎和去除。如果不 使用磨料，而直接通过加工头去撞击材料表面，这样不但无法起 到去除材料的作用，反而只能损伤材料表面。只有通过切变应力 才可实现工件表面材料的去除，而磨料在超声刀具头的不断冲击
阶数
模态值/Hz
面积系数：N=D1/D2=32/20=1.6；
放大系数：MP=N2=2.56；
6
变幅杆共振长度：λ=c/f=
5.17×10 30000
=172；
阶梯形变幅杆长度：l=a+b=λ/2=86mm；
1
29852
2
30303
3
30305
4
37911
两段长度 a、b 别为：a=b=λ/4=43mm；
尽管不同的超声加工方式所对应结构及功率不同，但是其 相关的组成部分基本一致。超声加工系统一般包括以下几个部 分：超声发生器、超声振动系统、机床和磨料悬浮液循环系统及换 能器冷却系统。
其相关主要部分，如图 1 所示。
超声加工设备
选用变幅杆材质最常用的 45 钢作为变幅杆有限元分析材 料，密度为 7850kg/m3，弹性模量为 210GPa，声速为 5170m/s，泊松 比为 0.3，抗拉强度为 600MPa。
Transformer After Smart Meshing
图 1 超声系统装置组成 Fig.1 The Composition of Ultrasound System Devices
阶梯形变幅杆网格智能划分完毕后，便可进入变幅杆的模 态分析设定。采用的是 Block Lanczos 法特征值求解器，此种方法
.154E+09
.215E+09
.277E+09
lamplitude transformer
图 5 阶梯变幅杆应力云图 Fig.5 The Stress Contour of Step Amplitude Transformer
NODAL SOLUTION
STEP=1 SUB=5 FREQ=30000 REAL ONLY EPTOEQV （AVG） DMX=.253E-04 SMN=.189E-06 SMX=001285
.159826
.935391
1.71096
2.48652
.547609
1.32317
2.09874
2.8743
lamplitude transformer
3.26209 3.64987
图 4 阶梯形变幅杆第一阶模态频率 Fig.4 The First-Order Mode Frequency
of Step Amplitude Transformer
第 12 期
机械设计与制造
2014 年 12 月
Machinery Design ＆ Manufacture
93
超声波滚压光整加工技术机理研究
于泽旭，宋锦春，王 琰，倪 克
（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004）
摘 要：超声表面滚压光整加工是一种新兴超声辅助表面改性技术，能够促使表面层晶粒纳米化，可显著降低材料的表 面粗糙度值，改善表面应力分布，增强其耐磨、耐腐蚀性。研究了超声滚压加工机理及并建立力学模型。对超声加工系统 各关键组成部分进行剖析，重点对超声变幅杆的结构进行了理论上的分析及设计，利用 ANSYS 有限元分析软件对变幅 杆进行了模态与谐响应分析，验证了理论设计的合理性。确定了满足超声波滚压加工模式的本构模型，利用 ABAQUS 对 超声滚压冲击过程做有限元模拟分析。 关键词：超声波；滚压加工；活塞杆；自纳米化；表面粗糙度；建模 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2014）12-0093-04
Lanczos 法采用的是稀疏矩阵方程求解器。一般在计算某系统特 征质谱所包含固有频率范围时，多采用此方法[4-5]。为了尽可能的 减少运算时间，将搜索阶梯形变幅杆模态的固有频率范围设定在
速（在细棒中）c=5.17×106mm/s[2]。
（20~40）kHz 之间。阶梯形变幅杆的模态分析结果，如表 1 所示。