超聲波表面光整加工性能研究

楊巍

摘 要：本文在對超聲波擠壓光整加工機(jī)理進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，分別在航空行業(yè)典型材料上做對比試驗研究，通過試件拉伸試驗、金相分析、表層殘余應(yīng)力分析、疲勞試驗，證明了超聲擠壓光整加工在鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼加工方面優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械加工，可以用來替代傳統(tǒng)光整加工方式。

關(guān)鍵詞：超聲波;擠壓;光整;對比

引言

超聲波擠壓光整加工技術(shù)的原理是用16KHz～80KHz的高頻能量直接沖擊在試樣表面，沖擊工具頭與被加工件的接觸、作用時間極短，一般為10-5～3×10-5秒，高速沖擊能量使材料表面引起微小的塑形變形，從而長久產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在沖擊作用下，被加工表面因常規(guī)刀具加工產(chǎn)生的微觀輪廓峰頂被壓平，零件表層組織更細(xì)密，粗糙度大幅提高，超聲沖擊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場深度可達(dá)1～2 mm，殘余應(yīng)力可以有效地抑制表面裂紋的擴(kuò)展，因此該技術(shù)可有效提升材料的抗疲勞性能。

在超聲波加工裝置上使用新型變幅桿和超聲擠壓工具分別在不同材料上做大量的試驗研究，用于驗證新型變幅桿和超聲擠壓工具設(shè)計的正確性，并通過試驗分析不同加工參數(shù)（靜壓力、工件強(qiáng)度、工件線速度）對加工質(zhì)量的影響。

1實驗內(nèi)容

1.1實驗設(shè)備

實驗在重大裝備服役安全研究室進(jìn)行，采用的實驗設(shè)備包括高頻疲勞試驗：QBG-100kN、? ?拉伸試驗：島津AG-IC-300 kN、硬度：華銀HVS-1000A硬度儀、顯微組織：OLYMPUS GX51顯微鏡等。

1.2實驗內(nèi)容

試驗材料采用直徑為30mm的鈦合金，鋼，鋁合金棒料，分別加工不同的表面粗糙度進(jìn)行拉伸試驗、疲勞試驗、表面殘余應(yīng)力測試、顯微硬度測試及顯微組織。其中拉伸試驗按照GB/T228，勞試驗按HB 5287，殘余應(yīng)力測試按GB/T 7704取標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.3顯微組織觀察結(jié)果與分析

將各種狀態(tài)下的試樣進(jìn)行切割，鑲嵌，拋光制成金相試樣，在奧林巴斯金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，典型照片如下圖所示。

對比分析可以發(fā)現(xiàn)處理后高強(qiáng)鋼表面會有一層白色的強(qiáng)化層。

對比分析三種狀態(tài)下的鈦合金顯微組織圖片可以得出表層組織有明顯的變形，晶粒發(fā)生滑移。

將拋光后的金相試樣放置在硬度儀上測量維氏硬度，施加載荷4.9N，保持載荷時間為12S，測得的各點維氏硬度，

1.4室溫軸向疲勞性能測試結(jié)果與分析

分別對上述的三種材料不同狀態(tài)的金材料試樣在空氣環(huán)境下進(jìn)行疲勞實驗，應(yīng)力比R采用0.06。

PL3曲線在其它兩條曲線上方，即相同材料相同應(yīng)力下，PL3狀態(tài)下的疲勞試樣壽命要高于其它兩種狀態(tài)下的壽命。三種加工狀態(tài)改變了試樣表面狀態(tài)，改變了試樣表面裂紋萌生的條件，隨著表面粗糙度的改善，疲勞性能得到改善，與材料疲勞斷裂理論基本符合。

如圖1所示，三條S-N曲線中，相同應(yīng)力條件下，TPL2狀態(tài)下的材料疲勞壽命略高于TPL1狀態(tài)下的疲勞壽命，其數(shù)值基本接近，而TPL3試樣的壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它兩種狀態(tài)下的疲勞壽命，與疲勞斷裂理論中表面疲勞裂紋萌生機(jī)理明顯相背離。

由圖上S-N曲線可以明顯看出，GPL2在GPL1上方，由此可以得出結(jié)論，在相同材料相同應(yīng)力級別不同加工工藝下，GPL2狀態(tài)下的高強(qiáng)鋼試樣疲勞壽命要高于GPL1狀態(tài)下試樣的疲勞壽命，結(jié)合前面試驗我們會發(fā)現(xiàn)GPL2狀態(tài)下試樣表層的組織有所強(qiáng)化，并引入了一定的殘余壓應(yīng)力這對疲勞壽命有著一定的有利作用。

1.5 試樣典型疲勞斷口分析

如圖3所示，裂紋源是一個平坦的區(qū)域，并沿著放射狀向四周放散，可以看出疲勞裂紋并不是一個宏觀平面。對比得出GPL2狀態(tài)下試樣的裂紋源較GPL1狀態(tài)下試樣的裂紋源要略深一些。

如圖4所示，以疲勞源為中心的向四周輻射的放射臺階或線痕延伸到很遠(yuǎn)的地方，且LPL3狀態(tài)下的裂紋源位置距表面更深。

如圖5所示，疲勞源區(qū)呈一個很明顯的“魚眼狀”，裂紋擴(kuò)展以“魚眼”為中心輻射一定半徑后快速成放射狀向四周擴(kuò)展，與TJL1相比，TJL3狀態(tài)下試樣的疲勞源距表面深度略有增加。

結(jié)論

（1）鋼試樣GPL2下軸向殘余壓應(yīng)力均值為894MPa較GPL1狀態(tài)下提高19.68%，環(huán)向殘余應(yīng)力均值為417MPa，較GPL1狀態(tài)下降低19.96%。鈦合金TJL3下軸向殘余壓應(yīng)力均值為674MPa較TJL1狀態(tài)下提高5.31%，環(huán)向殘余壓應(yīng)力均值為334MPa，較TJL1狀態(tài)下提高93.06%。鋁合LJL3軸向殘余壓應(yīng)力均值為268MPa，較LJL2狀態(tài)下提高54.91%。

（2）鋼試樣GJL2狀態(tài)下的表層會出現(xiàn)一層強(qiáng)化層。鋁合金LJL3狀態(tài)下的表層組織較LJL2狀態(tài)下的表層組織更為細(xì)密。鈦合金TJL3狀態(tài)下的表層組織有明顯的滑移變形，而其他兩種狀態(tài)并無明顯差別。

（3）鋼試樣GJL2狀態(tài)下的顯微維氏硬度均值為504較GJL1狀態(tài)下提高9.8%，鈦合金TJL3狀態(tài)下的維氏硬度均值為303較TJL1狀態(tài)下提高10.18%，鋁合金LJL3狀態(tài)下的維氏硬度均值為124，較LJL2狀態(tài)下提高19.23%。

（4）鋁合金相同應(yīng)力下PL3狀態(tài)下的試樣擁有更高疲勞壽命。鈦合金在PL3狀態(tài)下?lián)碛懈偷钠趬勖?。高?qiáng)鋼在GPL2狀態(tài)下?lián)碛懈叩钠趬勖?/p>

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