超聲滾壓參數(shù)對TC4鈦合金表面完整性的影響

王一，劉儼后，王德輝，韓金國，田業(yè)冰，尹建華

(1.山東理工大學機械工程學院，山東淄博 255000；2.山東省精密制造與特種加工重點實驗室，山東淄博 255000；3.山東聚億能智能科技有限公司，山東濰坊 261000)

0 前言

TC4鈦合金具有良好的耐腐蝕性、較高的比強度以及優(yōu)異的生物相容性，在國防工業(yè)和民用工業(yè)中具有廣闊的應用前景[1]。但是由于TC4鈦合金存在硬度高、沖擊韌性大、彈性模量小等缺點，導致TC4的機械加工性能較差，傳統(tǒng)滾壓加工容易產生表面損傷等問題[2]。探究如何加工才能有效提高鈦合金的表面質量和服役壽命一直是人們關注的焦點。

超聲輔助滾壓強化作為一種新型的金屬材料表面處理工藝，它利用滾壓頭在超聲振動與靜壓力的共同作用下對金屬表面進行低振幅、高頻率的滾壓強化[3]。金屬表面晶粒細化的過程實質上是進行“剪切錯動”的塑性變形過程[4]。超聲輔助滾壓強化利用大功率的能量推動沖擊頭以超高的頻率沖擊滾壓金屬物體表面，相比于傳統(tǒng)加工方式實現(xiàn)了金屬表面更大量的塑性變形，細化分割了大尺寸晶粒，大大提高了零件表面的完整性[5-6]。同時超聲輔助滾壓強化設備安裝更加簡化、操作更加簡單，可安裝在機床、加工中心或機械手上，應用場景更加廣泛[7]。

由于超聲輔助滾壓強化能夠有效地改善零件表面機械性能，近年來國內外許多學者對它進行了大量的研究。BOZDANA、GINDY[8]分別使用普通滾壓和超聲深滾處理Ti-6Al-4V，發(fā)現(xiàn)經過超聲深滾處理后的工件粗糙度、加工硬化程度、殘余壓應力和應力分布深度均更加出色；LUO等[9]研究了超聲滾壓對TC4鈦合金表層組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)表面壓縮殘余應力分布規(guī)律與表面顯微硬度分布規(guī)律相似，強化表層的晶粒尺寸減小，紋理類型發(fā)生變化；蘭葉深等[10]對軸承內圈進行超聲滾壓加工試驗，發(fā)現(xiàn)軸承內圈得到塑性強化，表層殘余應力得到提高，且對其分布影響最大的加工參數(shù)是靜壓力，其次是主軸轉速和進給量。

眾多國內外學者的研究已經證實超聲輔助滾壓強化能夠有效地提高金屬材料的表面完整性，但是缺少針對不同滾壓工藝參數(shù)對材料表面完整性影響的系統(tǒng)性研究，因此本文作者采用正交試驗研究4種不同工藝參數(shù)對超聲輔助滾壓強化TC4鈦合金表面完整性的影響規(guī)律。

1 加工平臺

此次試驗使用的是山東聚億能智能科技有限公司的SPR-EPU3經濟型控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由控制柜、連接管路和超聲滾壓設備組成，如圖1所示。

圖1 超聲輔助滾壓強化系統(tǒng)機構示意

控制柜中集成安裝了超聲波發(fā)生設備、冷卻潤滑設備及壓力調節(jié)設備，超聲波發(fā)生設備能夠將輸入的220 V電壓轉化成高頻振蕩信號傳遞給超聲滾壓設備，同時對整套系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制；冷卻潤滑設備包括油箱和閥門管道，能夠將儲存的冷卻油輸送到超聲滾壓設備中以達到潤滑冷卻的效果，再通過回油閥將潤滑油回收以便重復利用；壓力調節(jié)設備利用調壓閥調節(jié)作用到超聲滾壓頭的空氣壓力，產生可調靜壓力以使?jié)L壓頭壓緊零件表面。連接管路主要由輸油管、回油管、氣管和電線等組成，起到將控制柜發(fā)出的控制信號和氣液傳遞到超聲滾壓設備的作用。超聲滾壓設備安裝在車床刀架上對試件表面進行加工，主要由超聲換能器、變幅桿、滾壓頭等部分組成，其中超聲換能器將輸入的電功率轉換成機械功率即超聲信號傳遞給變幅桿；變幅桿能把機械振動的質點位移或速度放大，改變超聲波振動幅度；滾壓頭有滾珠狀和滾柱狀，在進行高頻振動沖擊的同時滾壓零件表面，達到表面強化和光整的效果。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料及性能參數(shù)

此試驗被加工工件為TC4鈦合金棒料，試件直徑為20 mm，長度為1 000 mm，化學成分如表1所示。在進行超聲輔助滾壓強化之前對工件進行精車預處理，以消除圓柱度誤差，提高加工質量。預處理后TC4鈦合金試件表面粗糙度為1.431 μm，表面硬度為219.8HV。

表1 TC4鈦合金的化學成分

2.2 試驗參數(shù)值

通過多次單因素預試驗總結出包括主軸轉速、進給速度、靜壓力和加工次數(shù)在內的加工參數(shù)合理選擇區(qū)間。其中主軸轉速和進給速度由數(shù)控機床設定，靜壓力通過改變調壓閥空氣進量設定，最終正交試驗參數(shù)如表2所示。超聲系統(tǒng)將依據加工工況在加工過程中自動搜索頻率，加工時輸出頻率穩(wěn)定在22 kHz左右，輸出振幅為8 μm左右。

表2 正交試驗加工參數(shù)

2.3 試驗方法

此試驗使用數(shù)控車床搭載SPR-EPU3經濟型控制系統(tǒng)對TC4棒料表面進行加工。此次試驗設置四因素四水平共16組正交試驗，每組試驗參數(shù)加工40 mm，2組試驗之間留有20 mm間隔余量，設置間隔主要為了便于后續(xù)的線切割以及防止加工面之間距離過近而產生干擾。試驗所用的SPR-EPU3經濟型控制系統(tǒng)使用直徑和長均為10 mm的圓柱形硬質合金滾壓頭，為盡量減少高溫對試驗結果的影響使用機油與煤油3∶1混合使用的冷卻液對工件進行潤滑冷卻，加工后使用慢走絲切割機對工件進行分段切割以便后續(xù)的表面完整性參數(shù)測量。使用奧林巴斯DSX1000高分辨率型數(shù)碼顯微鏡觀測試件表面微觀形貌。使用勢必銳JNSR800粗糙度儀測量工件表面粗糙度，使用圓錐型觸針沿棒料直徑方向即垂直于加工方向測量，測量取樣長度0.25 mm，同一工件測量5次取平均值。使用FM-800顯微維氏硬度計測量工件表面硬度，測試載荷選擇2.94 N，保壓時間15 s，同樣測量5次取平均值。使用Xstress G2R型X射線衍射儀檢測工件表面殘余應力，采用Ti靶，Kα射線，管電壓為30 kV，管電流為7 mA，曝光時間30 s，同一工件檢測3次取平均值。

3 試驗結果與分析

3.1 加工參數(shù)對表面形貌的影響

圖2所示為TC4鈦合金經超聲輔助滾壓強化后的表面宏觀形貌，可以明顯看出加工后表面質量更優(yōu)，相比于未加工面更加均勻且光整，已經接近“鏡面”效果，說明超聲輔助滾壓強化對金屬表面完整性具有較好的提升效果。

圖2 TC4鈦合金超聲輔助滾壓強化前后表面宏觀形貌

圖3所示為超聲輔助滾壓強化前后TC4鈦合金經白光干涉儀掃描所得照片。由圖3(a)可知：TC4鈦合金在精車后存在大量的切削紋路和毛刺，表面凹凸不平，峰壑交替存在，最高峰值達到14.9 μm，表面完整性較差。這些切削痕跡的存在會極大地影響材料的使用壽命，造成材料表面質量、耐磨性和耐腐蝕性等屬性的降低[11-12]。而觀察圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)：經過超聲輔助滾壓強化后表面切削紋路和毛刺基本去除，最高峰值減少到9.3 μm，說明材料表面已經被“碾平”，切削造成的“山峰”被推進“溝壑”，表面完整性得到極大的提高。

圖3 TC4鈦合金超聲輔助滾壓強化前后白光干涉圖

圖4所示為TC4鈦合金精車前、精車后和超聲輔助滾壓強化后的超景深觀測形貌，其呈現(xiàn)出的顯微實際結果與圖3白光掃描結果基本相似。精車處理雖然能夠消除圖4(a)中大面積的劃痕和溝壑，但是同時也產生了大量細微且密集的切削痕跡。而如圖4(c)所示，TC4鈦合金經過超聲輔助滾壓強化后表面切削痕跡已經基本消失，材料表面均勻光整，基本上達到了“推峰填壑”的目的。但是材料表面仍產生了少量凹坑，初步推測可能是由于加工參數(shù)選擇不當產生的，因此研究加工參數(shù)對于TC4鈦合金表面質量的影響對于實際生產具有重要意義。

圖4 不同加工階段TC4鈦合金表面微觀形貌

3.2 加工參數(shù)對表面殘余應力的影響

圖5所示為不同加工參數(shù)下工件表面殘余應力的變化情況，橫坐標刻度值1、2、3、4分別代表各加工參數(shù)由小到大4組數(shù)值，具體數(shù)值如表2中所示，后圖與之一致，不予贅述。

圖5 加工參數(shù)對表面殘余應力的影響

從圖5可以看出，殘余應力隨著主軸轉速和進給速度的增大先增大后減小。當主軸轉速和進給速度較低時，超聲滾壓頭對同一區(qū)域施加過多次沖擊容易對已成型的位錯和變形產生破壞，造成表面殘余應力的釋放和減少。因此二者在較低速區(qū)間內逐漸增大時，雖然單位時間內材料表面單位面積上受沖擊次數(shù)和滾壓能量密度逐漸減少，但是過量振動產生的殘余應力釋放效果也逐漸減弱，導致殘余應力略微的累積和增大。隨著主軸轉速和進給速度的進一步增大，單位面積上的滾壓能量密度大量減少，同時過高的轉速產生的高溫也易造成殘余應力的釋放，二者均導致了殘余應力的持續(xù)降低。殘余應力隨著靜壓力的增大先增大后略微降低，因為隨著靜壓力的增大，超聲滾壓頭侵入工件更深的深度導致在材料表面產生更大的塑性變形，材料表面滾壓能量密度也隨之增大，表層晶粒細化和晶格位錯程度增加，導致了表面殘余應力的增大。但是過大的靜壓力會導致滾壓頭緊壓在工件表面，滾壓頭與工件表面的作用形式由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，容易在加工過程中對工件表面產生劃傷和裂紋，對之前形成的位錯和變形產生破壞。同時過高的靜壓力也會導致加工溫度的升高及熱量的累積。二者均會造成殘余應力的釋放，產生殘余應力不再增加甚至略微降低的現(xiàn)象。殘余應力隨著加工次數(shù)的增大逐漸降低，這是由于TC4鈦合金具有較低的彈性模量，一次滾壓后會產生較大的塑性變形和彈性回彈。隨著加工次數(shù)的逐漸增多，塑性變形層逐漸向材料內部的侵入以及滾壓能量在深處的逐漸累積共同導致了最大變形層產生于距材料表面更深處。由于應力釋放的原因，距離最大變形區(qū)越遠的區(qū)域殘余應力越小，呈現(xiàn)出表層殘余應力逐漸降低的現(xiàn)象。超聲輔助滾壓加工在TC4鈦合金表面引入了較大的殘余應力，不同加工參數(shù)對殘余應力的影響效果差距也較為明顯，殘余應力值的平均變化范圍達到了15%。

綜上，使TC4鈦合金獲得最大表面殘余壓應力的工藝參數(shù)組合為：主軸轉速306 r/min，進給速度0.15 mm/r，靜壓力644 N，加工1次。

3.3 加工參數(shù)對表面硬度的影響

圖6為不同加工參數(shù)下工件表面硬度的變化情況。根據Hall-Petch關系可知多晶體材料的晶粒越細小則硬度越高[13]，同時查閱相關資料可知超聲輔助滾壓強化能夠在材料表層引入殘余壓應力的同時產生晶粒細化層[14-15]，因此不同加工參數(shù)下硬度的變化趨勢應與殘余應力變化趨勢大體相同。

圖6 加工參數(shù)對表面硬度的影響

從圖6可以看出：表面硬度隨著主軸轉速和進給速度的增大先增大后減小，其形成原因與殘余應力曲線變化原因相似。對同一區(qū)域施加過量的沖擊也會導致表面硬度的釋放和降低，在一定的低速區(qū)間內，當硬度的累積效果大于滾壓能量密度的減少影響時，便會產生硬度略微增大的現(xiàn)象。但是隨著主軸轉速和進給速度的進一步增大，滾壓能量密度的減少以及加工高溫造成的材料軟化現(xiàn)象均導致了硬度的降低。隨著靜壓力的增大表面硬度逐漸增大，其與殘余應力變化趨勢也相似。都是因為超聲滾壓頭侵入工件更深的深度和更大的面積導致材料表面產生更大的塑性變形，使得表層晶粒細化和晶格位錯程度增加，產生了表層硬度增加的現(xiàn)象。隨著加工次數(shù)的增加表面硬度逐漸降低，這是由于逐漸增多的加工次數(shù)導致滾壓能量逐漸積累在材料更深處，此時材料表面距離最大變形區(qū)距離越來越遠，產生了加工硬度降低的現(xiàn)象。根據數(shù)據可知超聲輔助滾壓加工后TC4鈦合金表面產生了非常明顯的加工硬化效果，與未加工試件相比硬度提升了約38.1%。但是不同的加工參數(shù)下表面硬度值差異較小，不同硬度值的平均變化范圍為2%，表面硬度在加工后趨于穩(wěn)定。

綜上，使TC4鈦合金獲得最大表面硬度的工藝參數(shù)組合為：主軸轉速306 r/min，進給速度0.1 mm/r，靜壓力1 288 N，加工1次。

3.4 加工參數(shù)對表面粗糙度的影響

圖7為不同加工參數(shù)下工件表面粗糙度的變化情況?？梢钥闯觯汗ぜ砻娲植诙入S著主軸轉速和進給速度的提高逐漸增大。因為隨著速度的提高，單位時間內單位面積上的超聲沖擊次數(shù)和滾壓能量密度逐漸減少，對試件的光整效果減弱，呈現(xiàn)出粗糙度逐漸增大的現(xiàn)象。同時觀察折線的曲率可知，高速區(qū)間內主軸轉速和進給速度對表面粗糙度的影響率更大，即此區(qū)間內速度的增加易導致粗糙度增加更多。這是由于當速度較高時加工會產生更多熱量，大量熱量積累在TC4表面導致材料軟化產生“黏刀”的現(xiàn)象，產生新的凹陷和劃痕，加劇了粗糙度的增大。試件表面粗糙度隨著靜壓力的增大先降低后基本保持不變，這是因為隨著靜壓力的增大滾壓頭侵入工件更深的距離，在材料表層產生更大的塑性變形，“削峰填谷”效果更為明顯，加工光整效果更好。但是當靜壓力過大時滾壓頭緊壓工件表面導致其作用形式由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ粒菀自诠ぜ砻媪粝聞澓酆筒羵?，導致表面粗糙度的升高。工件表面粗糙度隨著加工次數(shù)的增多逐漸降低，這是因為由于TC4彈性模量較低導致一次加工后工件表層還存在較大的彈性回彈區(qū)域，多次加工會提高該區(qū)域光整度，消除殘留的缺陷，呈現(xiàn)出粗糙度降低的現(xiàn)象。超聲輔助滾壓強化后工件表面粗糙度顯著降低，最低表面粗糙度較處理前降低了92.7%。

圖7 加工參數(shù)對表面粗糙度的影響

綜上，使TC4鈦合金獲得最小表面粗糙度的工藝參數(shù)組合為：主軸轉速153 r/min，進給速度0.05 mm/r，靜壓力1 288 N，加工4次。

4 結論

通過上述研究與分析，最終得出結論如下：

(1)超聲輔助滾壓強化能夠去除TC4鈦合金表面劃痕、毛刺和缺陷，引入殘余壓應力，提高表面硬度，降低表面粗糙度，顯著提高表面質量和表面完整性。

(2)主軸轉速和進給速度對材料表面完整性影響效果較為一致，在一定范圍內，隨著二者的增大，殘余應力和硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而表面粗糙度則持續(xù)增大。

(3)在一定范圍內靜壓力和加工次數(shù)的增加均會導致表面粗糙度的降低。但是靜壓力的增加會使表面殘余應力和硬度增大，而加工次數(shù)的增加則會使表面殘余應力和硬度減小，其原因還需進一步探究。

(4)雖然殘余應力和硬度在不同加工參數(shù)下的變化趨勢大體一致，但是二者變化幅度卻有較大差異，不同加工參數(shù)下殘余應力值與硬度值的平均變化范圍分別為15%與2%。該現(xiàn)象說明超聲輔助滾壓強化對材料表面硬度和殘余應力存在相似的作用機制，但是二者受影響的程度不同，二者數(shù)值之間是否存在某種關系還需要進一步研究。