本文利用一種新型表面處理技術(shù)——超聲加工(USM)技術(shù)對金屬材料(球墨鑄鐵、45鋼)進行固定參數(shù)的表面改性處理。以桿件、平面試樣和工程樣件(電機端蓋)為對象,采用掃描電鏡(SEM)、白光共焦三維顯微鏡、X-射線衍射分析(XRD)、萬能試驗機、顯微硬度儀等測量分析手段,系統(tǒng)地研究了超聲加工技術(shù)對金屬材料的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、摩擦學(xué)性能、機械性能的影響,并對其原因進行了分析,探討了超聲加工的晶粒細化機理。本文的主要研究結(jié)果如下:(1)對試樣表面三維形貌與微觀幾何尺寸的測試發(fā)現(xiàn):經(jīng)過超聲加工后,球墨鑄鐵材料的表面粗糙度明顯降低,桿件、平面試樣及電機端蓋的表面粗糙度Ra值變化率為-35.29%、-81.13%、-76.98%;尺寸變化分別為-8μm、-10μm、-10μm;試樣表面加工區(qū)與未加工區(qū)交匯處產(chǎn)生了高約30μm的材料凸起。超聲加工對降低材料表面粗糙度效果明顯,但存在對幾何尺寸的影響。(2)力學(xué)性能試驗結(jié)果表明:經(jīng)過超聲加工后,材料表面顯微硬度顯著提高,其中球墨鑄鐵提高25.5%,影響深度為0.6-0.8mm;45鋼提高12%,影響深度為1.5mm-2mm。超聲加工試樣的抗拉強度降低、屈服強度增加,屈強比變大。超聲加工球墨鑄鐵試樣拉-拉疲勞壽命得到明顯的提高,這是超聲加工產(chǎn)生晶粒細化層、加工硬化、殘余壓應(yīng)力、表面形貌等因素共同作用的結(jié)果。(3)在油潤滑條件下,對GCr15球與超聲/未超聲處理球墨鑄鐵盤進行球盤摩擦學(xué)試驗,發(fā)現(xiàn)超聲加工摩擦副摩擦系數(shù)較未超聲加工處理試樣摩擦副相比有大幅降低;經(jīng)過超聲加工處理試樣表層的磨損及對偶件GCr15的磨損量均有大幅度降低,試樣表面的磨損機理也有所不同。超聲加工能使材料的減摩、抗磨性能得到明顯改善。(4)超聲加工的振動沖擊使金屬材料表層組織發(fā)生劇烈的塑性變形,試樣表面形成約100μm的塑性流變層;材料表層劇烈的塑性變形通過新晶界的形成以及位錯移動等形式進行釋放,最終造成晶粒細化和表面硬化,實現(xiàn)了表面機械強化。有限元仿真分析發(fā)現(xiàn),超聲刀具進給方向有明顯的塑性變形,角度、深度的變化趨勢與顯微觀察到的微觀結(jié)構(gòu)變化趨勢一致。
【學(xué)位單位】：機械科學(xué)研究總院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG663
【部分圖文】：

圖 1-1 超聲加工裝置示意圖v=0.12mm/s振幅硬質(zhì)工具頭F軸向進給未加工面加工面擠壓量彈性回復(fù)量圖 1-2 超聲加工表面強化原理工技術(shù)的發(fā)展，都需要形成一套完整的基礎(chǔ)理論才葉開始，各國科研人員對超聲波加工進行了較多的了好幾種分支，不同類型超聲加工情況較為復(fù)雜，爭議。目前，國內(nèi)外有關(guān)超聲加工的研究主要針對件對工件質(zhì)量的影響[18-21]、磨粒及變幅桿的有限元

第二章 試驗設(shè)備與材料章根據(jù)試驗的要求，制定出可行的科學(xué)技術(shù)路線；結(jié)合技術(shù)路線的要求制試樣和拉伸試棒，根據(jù)試驗?zāi)康膶ζ溥M行超聲加工表面處理。重點介紹了、摩擦學(xué)試驗設(shè)備，此外還簡單介紹了各種試驗檢測儀器，試驗材料性能部分的數(shù)據(jù)處理方法。驗技術(shù)路線 2-1 為論文的整體技術(shù)路線圖。本論文著眼于超聲加工對金屬材料表面及能影響的研究。針對鑄鐵、45 鋼試樣和高鐵機車電機端蓋實物，進行表面處理；對比研究超聲加工對材料表面微觀形貌、幾何尺寸、抗拉伸強度、度性能、殘余應(yīng)力分布及尺寸隨時間變化的影響；結(jié)合有限元仿真方法，加工對金屬材料表面作用機理。

A 為振幅，p 為刀具進給速度。車床直試樣表面方向?qū)υ嚇舆M行高頻撞擊且沿具頭直接與試樣接觸，工具頭材料為金剛防止在黏附現(xiàn)象的出現(xiàn)。該超聲加工裝置面加工效果較好等諸多優(yōu)點。在超聲加工質(zhì)量、硬度有著重要影響。通常在一定范越大，表面粗糙度越低。進給量越小，表值也越小，但是加工效率會相應(yīng)降低。諸此，要更加金屬表面需要達到的表面質(zhì)量2-5 為超聲加工試棒和圓盤的三維示意圖
【參考文獻】

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本文編號：2893014