水平強制振動光整加工對TC4鈦合金表面完整性參數(shù)的影響

韓 銳 李秀紅 王嘉明 李文輝 程思源 楊勝強

1.太原理工大學機械與運載工程學院,太原,030024

2.太原理工大學航空航天學院,晉中,030600

3.精密加工山西省重點實驗室,太原,030024

0 引言

鈦合金憑借其密度小、比強度大、熱穩(wěn)定性高、抗蠕變性好、耐蝕性好等優(yōu)點,被廣泛應用于航空航天、導彈、航海、精密機械等領域[1],如航空發(fā)動機的風扇和壓氣機葉片。航空發(fā)動機葉片長期處于高溫高壓、應力復雜、高腐蝕性的環(huán)境中,工作時承受較高的離心載荷、氣動載荷和高頻振動,較高的轉速極易使葉片表面產(chǎn)生黏性摩擦損失[2],因此改善葉片的表面完整性進而提高服役性能、延長疲勞壽命尤為重要。

鈦合金塑性剪切抗力小、加工硬化能力差造成其疲勞性及耐磨性差等問題[3],工業(yè)中常對鈦合金進行光整加工。光整加工作為機械加工的最后一道工序,直接影響零件的表面完整性,對此國內(nèi)外進行了大量研究。淮文博等[4]指出砂布柔性拋光對TC4鈦合金葉片表面完整性有明顯改善,但對深度方向殘余應力、顯微硬度及微觀組織沒有影響;黃新春等[5]用單晶剛玉砂輪磨削鎳基高溫合金GH4169,結果表明表面粗糙度受工件速度影響最大,顯微硬度及殘余應力受砂輪速度影響最大;段練等[6]利用機器人砂帶磨削鎳基高溫合金GH4169,結果表明表面粗糙度隨砂帶線速度增大而減小,而隨磨削壓力增大而增大。不同的光整加工方式主要通過減小表面粗糙度、改善表面殘余應力來提高材料的表面完整性。機械加工中零件的表面完整性對其服役性能有著重要影響[7]。卜嘉利等[8]指出一定范圍內(nèi)提高噴丸強度能夠增大TC17鈦合金的殘余壓應力以及延長其疲勞壽命,更高的噴丸強度將導致粗糙度、殘余壓應力減小且疲勞壽命縮短;王欣等[9]采用噴丸工藝加工磨削后的FGH96合金,結果表明適當?shù)膰娡韫に嚳梢跃徑獠牧媳砻娴膽?提高疲勞極限;HUANG等[10]通過磨削加工GH33A指出,對于高周疲勞條件,表面粗糙度和殘余應力會共同影響零件的疲勞壽命,而對于低周疲勞條件,表面粗糙度是影響疲勞壽命的主要因素。

滾磨光整加工是一種磨塊處于自由狀態(tài)下的加工工藝,通過磨塊與工件之間產(chǎn)生一定的相對運動和力來實現(xiàn)工件表面的光整加工[11]。加工過程熱量低、效率高,降低工件表面粗糙度的同時提高顯微硬度、引入殘余壓應力,進而改善工件表面質(zhì)量及綜合性能。其中振動式光整加工是一種已得到廣泛應用的光整加工工藝[12],大量學者圍繞該工藝展開研究。SANGID等[13]經(jīng)過槽式振動強化實驗得出較大的頻率和振幅可以延長被加工試件的疲勞壽命。LACHENMAIER等[14]指出電機轉速和磨料尺寸對振動式光整加工中的接觸力、相對速度和表面質(zhì)量影響較大。EIFLER等[15]利用表面粗糙度參數(shù)來量化304不銹鋼振動式光整加工過程中表面的各向異性。KARTHIK等[16]指出立式振動加工中,頻率為75 Hz時試件表面粗糙度值減小得最快。綜上所述,大量學者主要對傳統(tǒng)的槽式振動、立式振動、豎直振動下的自由工件進行了研究,其特點為工件所受接觸力較小。而將工件和容器相對固定形成強制振動光整加工可有效提高加工效率。對此一些學者采用模擬仿真的手段對強制振動光整加工中顆粒流場及力學行為進行了研究[17-20],而關于加工效果的實驗研究較少。

為探究水平強制振動光整加工對零件表面完整性參數(shù)的影響,本文以航空發(fā)動機葉片常用材料TC4為研究對象,分析了光整加工中顆粒直徑、振幅、頻率、試件安裝角度等工藝參數(shù)對粗糙度、材料去除率、硬度、殘余應力、接觸角的影響及加工前后表面形貌、顯微組織和表面晶格的變化規(guī)律,闡明了強制振動光整加工后試件疲勞性能提高的原因,為滾磨光整加工在提高高性能零件使用性能等方面提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 水平強制振動光整加工原理

圖1為水平強制振動光整加工原理圖,加工過程中,振動系統(tǒng)通過水平滑臺將正弦激振力傳遞給固定在水平滑臺上的容器,被加工工件以不同的預設姿態(tài)固定在容器中,與容器形成組合封閉型腔,具備研磨、拋光、微量磨削等功能的顆粒介質(zhì)在容器壁傳遞的強制振動力作用下與工件一起進行振幅為A和頻率為f的振動,在工件表面形成相對運動和力,對工件表面產(chǎn)生滾壓、劃擦、刻劃等微量磨削作用,從而實現(xiàn)對工件特定表面的高效、一致性光整加工[21]。

圖1 水平強制振動光整加工原理簡圖

加工過程中,振動系統(tǒng)驅(qū)動水平滑臺和容器產(chǎn)生位移為s的簡諧運動,可表示為

s=Asin(ωt+φ)

(1)

其中,角頻率ω可由ω=2πf計算得到。通過PC端調(diào)整量綱一振動強度Γ來控制容器對顆粒群輸入能量的強弱[22],它與振幅、頻率的關系如下:

(2)

式中,A為容器沿振動方向的振幅,mm;f為頻率,Hz;t為加工時間,s;φ為相位角,(°);g為重力加速度,m/s2。

2 試驗設計

2.1 試驗試件及夾具

試件材料為TC4鈦合金,本文按照國家標準GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》對試件尺寸進行選擇,具體尺寸參數(shù)如圖2a所示。試件總長度240 mm、厚3 mm,夾持端寬35 mm、長45 mm,拉伸部位寬15 mm、長50 mm。試件表面經(jīng)銑削加工后,初始參數(shù)如表1所示。容器內(nèi)壁長330 mm,寬、高均255 mm。如圖2b所示,夾具組合包括保證試件雙面同時加工的試件套和固定試件位置的夾具,材料均為ABS。振動方向平行于y軸,重力方向為z軸的負方向。試件0°布置時使其銑削表面平行于Oxy平面。試件繞y軸旋轉改變其安裝角度,如圖2c所示。

表1 試件表面初始值

2.2 工藝參數(shù)及實驗設計

相關研究表明,顆粒直徑[23]、振幅、頻率[18]、試件安裝角度[13]等工藝參數(shù)在強制振動光整加工中是影響顆粒介質(zhì)運動的主要因素,進而影響加工效果及被加工試件表面完整性?？紤]到加工能力、均勻性等加工指標,參數(shù)范圍及實驗設計如表2所示,根據(jù)前期實驗經(jīng)驗[24]確定加工時間為2 h。

表2 工藝參數(shù)及實驗設計

2.3 測試方法

采用馬爾M300C粗糙度儀測試加工前后試件表面粗糙度值,試件正反面各取中間拉伸段的四個位置,如圖2a所示,每個位置測試三次,取平均值。采用電子天平測試加工前后試件的質(zhì)量,計算材料去除率。采用HM-100顯微硬度儀測試加工前后試件表面顯微硬度,載荷為0.98 N,持續(xù)時間25 s,用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕兩對角線長度平均值來計算硬度。采用iXRD殘余應力分析儀測試加工前后試件表面殘余應力,測試條件如下:銅靶,測試時選用{101}晶面,濾波片為Ni,布拉格角為138°。采用DSA100E液滴形狀分析儀測試加工前后試件表面接觸角,測試方法為座滴法,液滴體積為3 μL,圖像采集時間為5 s;由于TC4鈦合金為親水材料,所以測試時在軟件界面選擇的分析方法為Circle圓圈法。采用Olympus超景深顯微鏡測試試件表面形貌及顯微組織。

3 結果與分析

3.1 表面粗糙度

由于銑削之后試件的初始表面粗糙度存在差異,因此采用各粗糙度參數(shù)的下降率對加工效果進行評價[19],其表達式如下:

(3)

其中,ΔR為某粗糙度參數(shù)的下降率,R(0)、R(1)分別為加工前后該粗糙度的參數(shù)值。粗糙度參數(shù)包括表示高度方向峰和谷的粗糙度參數(shù)Ra、Rq、Rz、Rt以及表示橫向間距的粗糙度參數(shù)RSm。Ra和Rq用來表征表面輪廓的平均峰高和谷深,Rq具有更多的統(tǒng)計意義和物理意義[25],且測量結果更穩(wěn)定;Rz和Rt用來表征最大峰高和谷深之和,Rz較大處易形成應力集中,使零件疲勞極限降低[26],而Rt是比Rz更嚴格的標準,與摩擦因數(shù)成正相關關系[27];RSm用來表征輪廓表面曲線要素的細密程度,它與Rz共同對材料表面的潤濕性產(chǎn)生影響[28]。

圖3為顆粒直徑對表面粗糙度參數(shù)的影響曲線。由圖3a可知,粗糙度Ra、Rq下降率先提高后降低,在8 mm處達到最大值。顆粒直徑為6 mm時,顆粒群對試件表面的作用力較小,不足以將表面大量的凸峰全部去除;顆粒直徑為8 mm時,較大的法向力將更多的波峰去除,粗糙度值下降率提高;當顆粒直徑大于8 mm時,巨大的沖擊力使試件表面產(chǎn)生微坑,粗糙度Ra、Rq與直徑為8 mm時相比顯著增大。由圖3b可知,粗糙度Rz、Rt下降率也呈先提高后降低的趨勢,當直徑大于8 mm后下降率降低。由圖3c可知,顆粒直徑為12 mm時粗糙度RSm的下降率最低,而顆粒直徑較小時RSm下降率沒有明顯的變化趨勢。TOMOV等[29]的研究表明,相比高度方向的粗糙度參數(shù),RSm對除刀具幾何運動學以外其他因素的影響最不敏感。

(a)Ra、Rq (b)Rz、Rt (c)RSm

圖4為安裝角度對表面粗糙度參數(shù)的影響曲線。由圖可知,試件從0°旋轉至90°的過程中,加工后粗糙度Ra、Rq、Rz、Rt下降率小幅度提高,粗糙度值在角度為90°時最小,RSm則變化不明顯。在顆粒直徑不變的情況下,當安裝角度增大時,試件對其下方顆粒的阻礙作用減弱,顆粒在重力方向上的爬升現(xiàn)象增強,試件附近顆粒介質(zhì)運動的絕對速度增大,單位時間內(nèi)流經(jīng)試件表面的顆粒數(shù)量增多,使粗糙度下降率提高,粗糙度值減小。但改變安裝角度并未使試件所受接觸力發(fā)生明顯變化,故粗糙度下降率的變化很小。

(a)Ra、Rq (b)Rz、Rt (c)RSm

圖5為振幅對表面粗糙度參數(shù)的影響曲線。隨著振幅的增大,Ra、Rq下降率提高,表面粗糙度值減小,最小值分別可達到0.253 μm和0.329 μm,當振幅為4 mm時Ra下降率最高,為65.0%;Rz、Rt的下降率也呈提高趨勢,振幅4 mm時Rz下降率最高,為45.2%,這是由于光整加工中顆粒介質(zhì)將試件表面波峰磨平,使波峰到波谷距離的平均值減小[30]。振幅增大時,容器傳遞給顆粒群的能量增大,顆粒群與試件表面的相對速度增大,單個顆粒在試件表面的作用力增大,試件表面沿水平方向的劃擦和磨削作用增強,使加工后表面粗糙度值隨振幅增大而減小。粗糙度RSm下降率隨振幅增大而提高,振幅從3 mm增大至3.5 mm時變化更為明顯。

(a)Ra、Rq (b)Rz、Rt (c)RSm

圖6為頻率對表面粗糙度參數(shù)的影響曲線。隨著頻率的提高,加工后粗糙度Ra、Rq、RSm呈現(xiàn)明顯下降趨勢,且RSm受頻率變化的影響最大,在頻率為30 Hz時Rq和Rt的下降率最高,分別為62.2%和42%。頻率的提高使容器壁與其中顆粒發(fā)生碰撞的頻率提高,相同時間內(nèi)顆粒在試件表面往復運動次數(shù)增加,使試件表面粗糙度值減小。當頻率由25 Hz繼續(xù)提高時,雖然容器運動更劇烈,但容器中部顆粒運動存在滯后性,兩側顆粒發(fā)生碰撞造成能量耗散加劇,試件表面所受法向力減小,加工效果基本保持不變,因此頻率繼續(xù)提高時表面粗糙度值下降幅度不明顯。頻率提高時容器內(nèi)顆粒體系流化區(qū)域增大[31],顆粒群水平運動的趨勢明顯,使RSm值隨頻率提高而減小,在30 Hz時RSm下降率最高,為73.7%。

(a)Ra、Rq (b)Rz、Rt (c)RSm

3.2 材料去除率

通過測量加工前后試件的質(zhì)量計算得到材料去除率η,即

(4)

式中,m(0)、m(1)分別為光整加工前后試件的質(zhì)量,g。

圖7為顆粒直徑、試件安裝角度、振幅、頻率為對材料去除率的影響曲線,由圖可知,顆粒直徑、振幅、頻率對去除率的影響顯著。隨著顆粒直徑的增大,顆粒介質(zhì)與試件之間的接觸力增大,試件表面會產(chǎn)生更多的塑性變形,磨損深度增大,導致去除率在顆粒直徑12 mm時達到最大值,為0.197%;振幅2.5 mm和頻率15 Hz時材料去除率非常小,此時顆粒介質(zhì)的振動較微弱,隨著振幅、頻率的提高,顆粒介質(zhì)的運動變得劇烈,材料去除率提高,然而數(shù)值上仍小于顆粒直徑為10 mm時的去除率。結合粗糙度值隨因素水平的變化趨勢,材料去除率的變化并不完全與粗糙度值的變化一致,顆粒直徑為12 mm時較大的接觸力將導致試件表面粗糙度變差。

圖7 因素水平對材料去除率的影響

3.3 表面顯微硬度

圖8為顆粒直徑、試件安裝角度、振幅、頻率對表面顯微硬度的影響曲線。顯微硬度可以表征材料抗塑性變形或損傷的能力,顯著地影響材料的疲勞強度[32]。水平強制振動光整加工過程中,顆粒介質(zhì)周期性地作用于試件表面,使試件表面材料塑性變形程度提高,材料表面層內(nèi)的晶粒在磨削力的作用下,晶格發(fā)生滑移和畸變,晶粒破碎或拉長,導致金屬表層材料強度和硬度增大,塑性降低,產(chǎn)生加工硬化的現(xiàn)象[7]。由圖8可知,影響表面顯微硬度最顯著的因素是顆粒直徑,隨著顆粒直徑的增大,顯微硬度顯著增大,從320.8HV0.1增大至363.9HV0.1,提高了15.12%。大尺寸顆粒與試件之間的法向接觸力大,沖擊作用更劇烈,滾壓作用增強,塑性變形程度更高,使試件表面顯微硬度增大。試件表面顯微硬度隨安裝角度增大而緩慢增大,試件由水平變?yōu)樨Q直的過程中,其下部顆粒群受到的阻礙作用減弱,顆粒介質(zhì)向容器上層區(qū)域運動加劇,流經(jīng)試件表面的顆粒數(shù)量增加,試件所受劃擦作用增強,但由于激振參數(shù)未發(fā)生變化,容器中顆粒群運動劇烈程度變化不明顯,因此試件表面顯微硬度隨安裝角度變化不大,與未加工的試件相比,90°安裝時的顯微硬度增大了25.5HV0.1。振幅從2.5 mm增大至4 mm時,顯微硬度相對于未加工時增大了16.3HV0.1～27.5HV0.1。當振幅增大時,容器壁傳輸至顆粒群的能量增加,顆粒運動劇烈程度提高,豎直方向上的運動速度增大[18],顆粒在試件表面的碰撞和滾壓作用增強,使顯微硬度增大。隨著頻率的提高,試件表面顯微硬度先增大后減小,在25 Hz處達到最大。顆粒往復運動頻率越高,相同時間內(nèi)作用于試件表面的次數(shù)越多,大量顆粒的撞擊使試件表面材料出現(xiàn)加工硬化的現(xiàn)象,顯微硬度提高。當頻率高于25 Hz時,顆粒運動的滯后性增強,容器中剪切膨脹作用減弱,試件表面作用力減小,同時顆粒群內(nèi)部能量損耗增加,因此在30 Hz作用下試件表面的顯微硬度相較于25 Hz時減小。

圖8 因素水平對表面顯微硬度的影響

3.4 表面殘余應力

圖9為顆粒直徑、試件安裝角度、振幅、頻率對表面殘余應力的影響曲線。殘余應力是零件經(jīng)過熱處理或機械加工后殘留在零件內(nèi)部的自平衡應力[33]。殘余拉應力使零件產(chǎn)生裂紋,適當?shù)臍堄鄩簯梢种破诹鸭y的產(chǎn)生及降低裂紋擴展速率,從而延長疲勞壽命。顆粒在容器中的運動大多數(shù)為沿水平方向的往復運動,殘余壓應力增大的原因主要是顆粒的劃擦和滾壓作用,以及一部分的碰撞作用。由圖9可知,工藝參數(shù)對殘余應力影響程度從高至低依次為:顆粒直徑,頻率,振幅,安裝角度。隨著顆粒直徑的增大,殘余壓應力從-420.38 MPa變化至-621.25 MPa,其絕對值增大了47.78%。水平強制振動光整加工中大量顆粒周期性地在被加工試件表面碰撞、滾壓,顆粒直徑較大時,單個顆粒對試件表面的法向和切向作用力都增大,材料表層產(chǎn)生較大的塑性變形,殘余壓應力增大。隨著頻率提高、振幅增大,試件表面殘余應力增大。振幅較小時,單個顆粒的作用區(qū)域較小,對試件表面的作用力較微弱,隨著振幅的增大,顆粒運動劇烈,對試件表面的作用力增大。頻率的提高使單位時間內(nèi)顆粒作用于試件表面的次數(shù)增加,劃擦和滾壓作用增強,增大了殘余壓應力。不同安裝角度下試件表面殘余應力變化不大,相對于未加工時的殘余應力增大了153.85～169.44 MPa,試件在旋轉過程中,僅能夠影響其周圍顆粒的絕對速度,而容器中大部分顆粒的運動趨勢并未發(fā)生明顯變化。

圖9 因素水平對表面殘余應力的影響

3.5 接觸角

圖10為顆粒直徑、試件安裝角度、振幅、頻率對接觸角的影響曲線,由圖可知,試件經(jīng)水平強制振動光整加工后,接觸角從51.8°增大至63.06°,表面更加疏水親油,易于存儲潤滑油,材料耐腐蝕性和抗摩擦磨損能力提高。工藝參數(shù)對接觸角影響程度從高至低依次為:振幅,頻率,顆粒直徑,安裝角度。試件表面接觸角隨因素水平的變化與粗糙度值相關,大致表現(xiàn)出隨表面粗糙度減小而增大的趨勢,這與室溫、大氣壓條件下,親水表面粗糙度增大時接觸角減小的變化規(guī)律相符[34]。觀察發(fā)現(xiàn)接觸角隨顆粒直徑的變化規(guī)律不明顯,這可能是由于材料的潤濕性受粗糙度參數(shù)Rz和RSm共同影響[28],由圖3c可知試件經(jīng)不同顆粒直徑加工后表面粗糙度值RSm的差別不大,而直徑為12 mm時較大的Rz值導致試件表面接觸角減小。影響固體表面接觸角的因素包括表面粗糙度、表面自由能以及表面的其他物理化學性能。YAN等[35]的研究表明,在一定粗糙度范圍內(nèi),表面粗糙度與固體表面自由能之間沒有明確的函數(shù)關系,但是隨著粗糙度的降低,水的附著力增大,這可能是導致接觸角變大的原因。

圖10 因素水平對表面接觸角的影響

4 較優(yōu)參數(shù)組合下加工效果分析

由單因素實驗結果可知,與表面粗糙度和殘余應力相比,顯微硬度隨工藝參數(shù)的變化較小,因此以表面粗糙度和殘余應力為表面完整性的主要判斷因素。顆粒直徑的變化對顯微硬度及殘余應力的影響顯著,但大尺寸的顆粒由于較大的法向力使試件表面產(chǎn)生微坑,表面粗糙度較差;安裝角度變化對表面完整性參數(shù)的影響不大;振幅、頻率的提高使表面粗糙度值減小,殘余應力和顯微硬度增大,結合高振幅低頻率的參數(shù)組合比高頻率低振幅的參數(shù)組合具有更高效的實驗經(jīng)驗[17],選擇表面完整性較優(yōu)的工藝參數(shù)組合為:顆粒直徑8 mm,安裝角度0°,振幅4 mm,頻率25 Hz。

4.1 表面形貌

圖11所示為較優(yōu)工藝參數(shù)組合下水平強制振動光整加工前后試件的表面三維形貌。由圖11a可知,加工前試件表面存在明顯的銑削刀紋和凹坑,表面粗糙度值較大,易作為疲勞裂紋源造成疲勞失效;水平強制振動光整加工中,強制振動力使顆粒沿試件表面往復運動,顆粒在試件表面的劃擦、刻劃等微量磨削作用下將試件表面的尖峰磨平,溝槽深度變小,銑削刀紋被完全去除,面粗糙度值Sa從0.682 μm減小至0.215 μm,面粗糙度值Sz從7.836 μm減小至4.117 μm,如圖11b所示。

(a)加工前

4.2 顯微組織

光整加工過程中,試件表層材料產(chǎn)生塑性變形,顯微組織發(fā)生變化,晶粒在磨削力作用下破碎、拉長。水平強制振動光整加工前后試件的顯微組織如圖12所示。試件材料為軋制TC4板材,如圖12a所示,灰色是α相,分布在α相邊界上的黑色顆粒是β相。光整加工前晶粒組織表現(xiàn)為少量的等軸α相、大量的條狀組織以及少量晶間β相,晶粒組織比較大。光整加工后,晶粒變形區(qū)域約52 μm,試件沿深度方向存在晶粒細化區(qū)和等軸狀分布區(qū),如圖12b所示。

(a)加工前

表層的α相由于機械作用被擠壓、擊碎或拉長,使得晶粒得到細化。晶粒越細,就有越多的晶粒分散材料的塑性變形,使變形更均勻,內(nèi)應力集中越小;并且隨著晶粒細化,晶界面越多,晶粒與晶粒之間交錯得越緊密,強度和韌性就越好。光整加工的過程使工件表面連續(xù)不斷地受到滾拋磨塊的滾壓和撞擊,引起塑性變形和晶粒細化,材料的強度和硬度得到提高,同時塑性和韌性也越好。

4.3 表面晶格

如圖13a所示,加工后主峰位置由加工前的(002)峰面變成了(101)峰面,加工后晶界發(fā)生了偏移。加工前,材料在(002)晶面存在擇優(yōu)取向,加工后(100)和(112)晶面對應的峰明顯增強,這可能是由于光整加工后,顆粒的碰撞打破了表層的擇優(yōu)取向結構,使其他峰的強度提高[36]。衍射峰的左右移動與物質(zhì)的晶格變化有關。左移晶面間距增大,右移晶面間距減小。在單位體積內(nèi)原子數(shù)目一定的情況下,晶面間距越大,該晶面上的原子排列越緊密。如圖13b所示,光整加工前后衍射峰向左偏移,表明晶面上的原子排列更緊密,加工后試樣內(nèi)部引入了數(shù)值更大的殘余壓應力。

水平強制振動光整加工在強制振動力作用下使顆粒物質(zhì)與試件表面發(fā)生碰撞、滾壓和劃擦,從而使工件表層發(fā)生塑性變形,引入殘余壓應力將會減緩疲勞裂紋的擴展。

5 結論

本文采用水平強制振動光整加工對TC4試件進行了加工實驗,對比分析了加工前后試件表面粗糙度、材料去除率、顯微硬度、表面殘余應力、接觸角的變化規(guī)律及較優(yōu)工藝參數(shù)組合下表面形貌、顯微組織、表面晶格的特點,揭示了工藝參數(shù)與表面完整性參數(shù)之間的聯(lián)系,得到以下結論:

(1)經(jīng)水平強制振動光整加工后,TC4試件表面粗糙度值Ra從0.723 μm減小至0.253 μm,最大下降率為65.0%;Rq從0.857 μm減小至0.324 μm,最大下降率為62.2%;Rz從3.743 μm減小至2.051 μm,最大下降率為45.2%,Rt從4.807 μm減小至2.788 μm,最大下降率為42.0%,RSm從331.1 μm減小至87.2 μm,最大下降率為73.7%;顯微硬度從320.8HV0.1增大至363.9HV0.1,增大了15.12%;試件表面的殘余壓應力從-420.38 MPa變化至-621.25 MPa,殘余壓應力的絕對值增大了47.78%。

(2)水平強制振動光整加工中,工藝參數(shù)對表面完整性影響的主次順序依次為:顆粒直徑,振幅,頻率,安裝角度。隨著顆粒直徑的增大,表面粗糙度下降率先增大后減小,在8 mm時達到最大值,顯微硬度及殘余應力顯著增大;隨著振幅的增大,表面粗糙度下降率提高,顯微硬度及殘余應力增大;隨著頻率的提高,表面粗糙度下降率提高,顯微硬度先增大后減小,在25 Hz時達到最大值,殘余應力增大;隨著安裝角度從0°變化至90°時,表面粗糙度值小幅度下降;接觸角的變化規(guī)律與表面粗糙度變化規(guī)律一致。與表面粗糙度和殘余應力相比,顯微硬度隨工藝參數(shù)的變化較小,由單因素實驗結果得出的較優(yōu)工藝參數(shù)組合為:顆粒直徑8 mm,安裝角度0°,振幅4 mm,頻率25 Hz。

(3)水平強制振動光整加工中,顆粒對試件表面產(chǎn)生碰撞、滾壓、劃擦等微量磨削作用,使試件表面波峰被去除,銑削刀紋被磨平,表面粗糙度下降。同時使試件表面塑性變形程度提高,表層晶粒得到細化形成了致密層,晶粒之間結合更加緊密,引入了更多殘余壓應力,試件表層硬度和殘余壓應力得到提高。