7075鋁合金二維超聲擠壓加工表面質量影響因素及其交互作用研究

鄭建新， 劉威成， 段玉濤

(河南理工大學 機械與動力工程學院， 河南 焦作 454003)

7075鋁合金二維超聲擠壓加工表面質量影響因素及其交互作用研究

鄭建新， 劉威成， 段玉濤

(河南理工大學 機械與動力工程學院， 河南 焦作 454003)

進行二維超聲擠壓加工正交試驗，研究靜壓力、擠壓速度和進給量等工藝參數及其交互作用對7075鋁合金表面質量的影響，并尋求最優工藝參數。通過極差分析和方差分析，確定工藝參數及其交互作用對表面粗糙度和表層硬度的影響主次順序和影響顯著性；基于數據驅動，采用回歸分析方法構建表面粗糙度和表層硬度預測模型；基于響應曲面法，分析交互作用對表面粗糙度和表層硬度的影響；利用有約束多目標規劃模型，確定最優工藝參數。研究發現：經過二維超聲擠壓加工后，7075鋁合金試件表面粗糙度值明顯降低，而表層硬度大幅度提高；表面粗糙度主要取決于擠壓速度和進給量的交互作用，而表層硬度主要取決于靜壓力、擠壓速度，以及擠壓速度和進給量、靜壓力和擠壓速度的交互作用。基于預測模型獲得的表面粗糙度和表層硬度與實測結果基本吻合；基于最小表面粗糙度值和最高表層硬度值目標下的最優工藝參數也與試驗結果較為吻合。研究結果表明，工藝參數之間的交互作用對表面質量的影響是不可忽略的，所構建的表面粗糙度模型和表層硬度模型是有效的。

機械制造工藝與設備； 二維超聲振動； 超聲擠壓； 表面質量； 交互作用； 鋁合金

0 引言

高強鋁合金由于具有比強度高、斷裂韌性好等優點，被廣泛用于航空航天領域，如7075鋁合金，可用來制造飛機大梁、隔框、蒙皮、翼肋、起落架等零件。由于其服役在極端環境下，往往會因疲勞、磨損和腐蝕等問題引起過早失效[1-2]。從制造角度而言，解決鋁合金零件疲勞失效的關鍵技術之一就是對零件進行表面改性[3]。

超聲表面強化工藝是典型的表面改性技術之一。超聲表面強化工藝是基于傳統的表面機械強化工藝，如噴丸、擠壓和滾壓等，通過對工具施加縱向超聲振動，對零件表面進行超聲頻撞擊，進而強化零件表面。在表面機械強化工藝中引入超聲振動后，可消除零件表面微觀缺陷，其表面光潔度、表層硬度和殘余壓應力也進一步顯著提高[4-8]。超聲表面強化時產生的表面壓應力和由劇烈塑性變形誘導的表面納米化會改善疲勞性能，抑制表面微裂紋的萌生，可提高金屬零件耐磨耐腐蝕性和抗疲勞性能。

隨著超聲加工技術的進步，傳統的一維超聲加工(縱向振動、扭轉振動和彎曲振動超聲加工)已發展成二維超聲振動加工。研究者們開發了縱彎、縱扭和彎扭等復合振動超聲加工技術，并應用到表面強化領域，形成了如二維超聲滾壓、二維超聲擠壓加工等技術，獲得了良好的工藝效果[9-12]。由于二維超聲表面強化機理與表面成形機理較為復雜，為了快速實現技術實用化，通過工藝試驗來優選工藝參數是有效且簡便的途徑。現有研究多集中在單因子對試驗目標的影響上，而在二維超聲表面強化工藝中，參數之間的交互作用對試驗目標的影響已被證明是存在的[9]。

基于此，本文將采用考慮交互作用的正交試驗設計方法對7075鋁合金棒料端面進行二維超聲擠壓加工試驗，研究靜壓力、進給量、擠壓速度及其交互作用對表面粗糙度和表層硬度的影響，構建表面粗糙度和表層硬度預測模型，并提出有約束多目標非線性規劃模型來尋找最優工藝參數，以促進該技術的工程應用。

1 試驗設計

1.1 試驗設備和試驗材料

試驗在CAK50186di數控車床上進行。將自主研制的單激勵縱彎復合振動二維超聲振動擠壓加工聲學系統安裝在車床刀架上，如圖1所示，n為轉速，Fs為靜壓力，fr為進給量。超聲振動聲學系統的諧振頻率為20.6 kHz，工具頭縱向振動振幅為9.6 μm，橫向振動振幅為4.9 μm.

圖1 二維復合振動超聲擠壓加工試驗裝置Fig.1 Test equipment for two-dimensional ultrasonic extrusion

試驗材料為供應態7075-T6鋁合金，直徑為φ90 mm，長度為20 mm. 每次試驗前先對棒料端面在相同切削用量下進行一次走刀，然后進行二維超聲擠壓加工試驗。采用英國泰勒公司生產的SURTRONIC3+粗糙度測量儀測量試件表面粗糙度Ra值；采用北京時代公司生產的TH160便攜式硬度測試儀測試試件里氏硬度值。經車削后試件表面粗糙度Ra測試值約為1.72 μm，顯微硬度約為512 HL.

1.2 試驗方案與試驗結果

試驗研究靜壓力Fs(因素A)、擠壓速度v(因素B)和進給量fr(因素C)3個擠壓工藝參數(以下簡稱因素)對加工后試件表面質量(選取表面粗糙度Ra值和表層硬度兩個指標)的影響。

試驗中靜壓力Fs通過預緊彈簧(見圖1(a))沿縱向施加在工件加工表面上，靜壓力的大小可通過調節彈簧的壓縮量來控制。在彈性變形范圍內，由千分表(見圖1(b))測得的彈簧壓縮量與由測力計測得的靜壓力呈線性關系，由此在試驗中可用千分表讀數來確定施加的靜壓力大小。擠壓速度v即擠壓加工時的線速度，軸件端面擠壓加工時通過數控指令使其轉速n一直發生變化，而實時擠壓線速度v保持不變。

借鑒文獻[9-10]的研究成果，每個因素各取3個，如表1所示。

表1 試驗參數值Tab.1 Values of test variables

由于需要考察因素間的一級交互作用，選用L27(313)正交表安排試驗。該正交表中因素A、因素B和因素C分別安排在第1、第2和第5列，因素之間的交互D=A×B、E=A×C和F=B×C分別安排在第3與第4列、第6與第7列和第8與第11列，其余列為誤差列。試驗方案和試驗結果如表2所示。

2 試驗結果分析

2.1 工藝參數及其交互作用對表面質量影響主次順序

表1表明，7075鋁合金經二維復合振動超聲擠壓加工后，試件表面粗糙度值明顯降低，而表層硬度大幅度提高。當Fs=300 N，v=30 m/min，fr=0.1 mm/r

表2 試驗方案與試驗結果Tab.2 Test matrix and data

時，獲得的表面粗糙度Ra值最小為0.41 μm；而當Fs=260 N，v=70 m/min，fr=0.06 mm/r時，獲得的表層硬度值最大為719 HL.

為了確定工藝參數及其交互作用對表面粗糙度和表層硬度的影響主次順序，對試驗結果進行極差分析，結果如表3所示。表3中，ki表示任一列上水平號為i所對應的試驗結果之和的均值；極差R=max{ki}-min{ki}，Rj反映了第j列因素的水平變動時試驗指標的變動幅度，Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。

由表3可確定因素的主次影響順序。主效應和交互效應對表面粗糙度影響的主次順序依次是B×C、B、C、A×B、A×C和A，對表層硬度影響的主次順序依次是A、B×C、B、A×B、A×C和C. 顯然，基于極差分析結果可認為，經二維超聲擠壓加工后，7075鋁合金表面粗糙度主要取決于靜壓力與擠壓速度的交互作用、擠壓速度和進給量，而表層硬度主要取決于靜壓力、擠壓速度，以及擠壓速度與進給量的交互作用、靜壓力與擠壓速度的交互作用。

表3 極差分析Tab.3 Range analysis

圖2 主效應圖Fig.2 Main effect on surface quality

基于表3，確定靜壓力、擠壓速度和進給量對表面質量的影響如圖2所示。圖2中，Ra(%)和硬度(%)分別表示擠壓加工后試件測試值與車削后測試值的變化幅值。

圖2進一步表明，7075鋁合金經二維超聲擠壓加工后，試件表面粗糙度顯著降低，降幅超過65%，而顯微硬度大幅增加，增幅超過22%。擠壓加工后試件表面粗糙度隨靜壓力和擠壓速度的增加而增加，且擠壓速度的影響更為明顯；表面粗糙度隨著進給量的增加先減小、后增加，變化顯著。

在此加工過程中，工件材料表層能夠產生加工硬化與強化主要是由于靜壓力和超聲沖擊的綜合作用，因而其表層硬度變化主要取決于靜壓力。表層硬度隨靜壓力的增加先增加、后減小，變化顯著；隨擠壓速度的增加而增加，隨進給量的變化無明顯變化。

2.2 工藝參數及其交互作用對表面質量的影響顯著性

極差分析不能區分試驗結果的差異是由因素水平變動引起的，還是由試驗誤差引起的，也不能判斷主效應尤其是交互效應是否顯著。基于極差分析結果，若不考慮交互作用的影響，則可確定獲得最低Ra值的最優工藝條件為A1、B1、C2，這顯然與試驗結果不符。

由表3可知，部分因素之間的交互作用其極差超過了主效應極差，因此必須引入方差分析法對主效應與交互效應顯著性進行進一步研究。對試驗數據進行方差分析，結果如表4所示。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

注：SS為偏差平方和；df為自由度；MS為平均平方和；F為F統計量；Sig為顯著性；e、eΔ為誤差；*表示顯著；** 表示非常顯著；無*表示不顯著。

表4表明：進給量與擠壓速度的交互作用對表面粗糙度有非常顯著的影響，遠超其他交互效應與主效應；擠壓速度和進給量的主效應影響也顯著，而其他主效應和交互作用的影響可忽略不計；靜壓力和擠壓速度對表層硬度有非常顯著的影響，靜壓力和擠壓速度的交互作用以及擠壓速度和進給量的交互作用對表層硬度的影響也顯著。

2.3 表面粗糙度和表層硬度預測模型

以上研究表明，7075鋁合金二維超聲擠壓加工時，因素之間的交互作用對表面質量的影響是不可忽略的。由于二維超聲擠壓加工時表面形貌和表層硬度形成機理尚不明確，而現有試驗數據具有一定的“混沌”特征，難以直觀分析交互作用的影響，因而有必要基于數據驅動構建多元線性回歸模型來分析不同工藝參數下表面粗糙度和表層硬度的演變規律。

基于表2所示的實驗結果，采用多元線性回歸模型構建表面粗糙度Ra和表層硬度的預測模型。定義Fs=x1，v=x2，fr=x3，Ra=f1(x1,x2,x3)，硬度=f2(x1,x2,x3)，則獲得兩個預測模型如(1)式和(2)式所示。

f1(x1,x2,x3)=2.021 9-0.005 3x1-0.017 6x2-

10.673 6x3+0.000 027 1x1x2-0.003 65x1x3+

(1)

f2(x1,x2,x3)=-1 289.48+13.53x1+2.78x2+

2 232.64x3+0.001 35x1x2-4.635x1x3-20.94x2x3-

(2)

預測模型(1)式和預測模型(2)式不僅可用來預測7075鋁合金二維超聲擠壓加工時在Fs為220～300 N，v為30～70 m/min和fr為0.06～0.14 mm/r范圍內的不同工藝參數下的表面粗糙度和表層硬度值，還可以確定在此范圍內工藝參數之間的交互作用對表面粗糙度和表層硬度的影響規律。

表面粗糙度和表層硬度的預測結果和實測結果對比如圖3所示，二者較為吻合。對預測模型進行顯著性檢驗，Ra的預測模型F=2.68，P=0.038；硬度的預測模型F=3.99，P=0.006 8. 顯然，兩個預測模型在95%的置信度上回歸效果顯著，進一步說明這兩個模型可進行有效預測。

圖3 實測值與預測值對比Fig.3 Measured and predicted values

2.4 交互作用分析

基于預測模型，采用響應曲面法直觀分析3個工藝參數之間的一級交互作用對表面粗糙度和表層硬度的影響，部分結果如圖4所示。

研究工藝參數對表面粗糙度的影響發現，在不同的擠壓速度(見圖4(a))和不同進給量(見圖4(b))下，表面粗糙度隨靜壓力的增大略有增加，影響較小。而進給量對表面粗糙度的影響較為顯著，表面粗糙度隨進給量的增大先減小、后增大(見圖4(b)和圖4(c))，尤其是v=70 m/min時，隨著進給量的增大表面粗糙度略減后急劇增大。當進給量恒定時，不同的靜壓力下表面粗糙度均隨擠壓速度的增大而增大(見圖4(a))；但若靜壓力恒定，當fr=0.06 mm/r時，表面粗糙度隨著擠壓速度的增大而略有減小；而當fr=0.14 mm/r時，表面粗糙度隨著擠壓速度的增大而急劇增大(見圖4(c))。

研究工藝參數對表層硬度的影響發現，在不同的擠壓速度(見圖4(d))和不同進給量(見圖4(e))下，表層硬度隨靜壓力的增大先增大、后減小，影響顯著。不同的靜壓力和不同的進給量下，表層硬度隨著擠壓速度的增大而增大(見圖4(d)和圖4(f))。若擠壓速度恒定，當Fs=220 N時表層硬度隨進給量的增大略有增大；而當Fs=300 N時表層硬度隨進給量的增大略有減小，如圖4(e)所示。但若靜壓力恒定，當v=30 m/min時，表層硬度隨進給量的增大而增大；而當v=70 m/min時，表層硬度隨進給量的增大而減小，如圖4(f)所示。

圖4 工藝參數交互作用對表面粗糙度和表層硬度的影響Fig.4 Interaction effects of processing parameters on surface roughness and hardness

與極差分析結果和主效應圖對比，考慮工藝參數的交互作用后，工藝參數對表面粗糙度和表層硬度的影響規律發生了變化，說明考慮交互作用后能更準確分析工藝參數的影響。

當某一工藝參數值(如靜壓力)恒定時，若一個工藝參數(如進給量)對表面粗糙度或表層硬度的影響與另一個工藝參數(如擠壓速度)的取值無關或關系不大，則可認為這二者(進給量與擠壓速度)的交互作用對表面粗糙度或表層硬度的影響可以忽略；反之則不可忽略。圖4表明，3個工藝參數之間的一級交互作用對表面粗糙度和表層硬度均有影響。但對表面粗糙度而言，擠壓速度和進給量之間交互作用對表面粗糙度影響非常顯著；對表層硬度而言，靜壓力和擠壓速度之間交互作用以及擠壓速度和進給量之間交互作用對表層硬度的影響非常顯著，靜壓力和進給量之間交互作用對表層硬度的影響較為顯著。

二維超聲擠壓加工是一個典型且極為復雜的熱力耦合成形過程。在這一加工成形過程中，因高頻沖擊力和擠壓摩擦力使工件表層產生了劇烈塑性變形，因塑性變形而使擠壓加工局部區域溫度發生改變，在力和熱的綜合作用下工件表層微觀組織發生變化。因此，表面粗糙度和表層硬度的變化是塑性變形引起的冷作硬化和擠壓熱引起的微觀組織變化綜合作用的結果。顯然，這一熱力耦合成形過程是工藝參數之間交互作用的結果，單純研究某一工藝參數對表面粗糙度和表層硬度的影響不能真實地揭示材料強化成形機理。

3 工藝參數優選

在二維超聲擠壓加工過程中，需要通過優選工藝參數獲得最低表面粗糙度值和最高表層硬度。該問題可描述為以下有約束多目標規劃模型：

min [f1(x1,x2,x3)-f2(x1,x2,x3)]，

s.t. 220≤x1≤300,30≤x2≤70,0.06≤x3≤0.14.

(3)

結合預測模型(1)式和預測模型(2)式進行非線性規劃求解，獲得最優工藝參數為Fs=267 N，v=70 m/min，fr=0.06 mm/r. 在試驗方案中，與之相近的工藝參數為Fs=260 N，v=70 m/min，fr=0.06 mm/r. 此時獲得的表面粗糙度Ra值為0.48 μm，與實際最低表面粗糙度值0.41 μm接近；表層硬度值為719 HL，與實際值一致。

車削后工件表面與最優工藝參數下獲得的超聲擠壓加工后工件表面如圖5(a)所示。工件內圈為車削后形成的，外圈是車削后再進行二維超聲擠壓形成的。圖5(b)是圖5(a)中A處放大圖。

圖5 工件照片Fig.5 Photo of workpiece

采用日本三豐公司Mitutoyo工具顯微鏡觀察其微觀形貌，如圖6所示。

圖6 表面微觀形貌(放大200倍)Fig.6 Surface micro topography of workpiece(200×)

圖5和圖6表明，工件經車削后有明顯的走刀條紋。而經二維復合振動超聲擠壓后，在縱向高頻沖擊和橫向高頻碾壓綜合作用下，工件表面呈網紋狀，工件表面加工紋理分布更均勻一致，使工件表面形貌得到大幅度改善。

4 結論

7075鋁合金經二維超聲擠壓加工后：

1)試件表面粗糙度顯著降低，降幅超過65%，而表層硬度大幅增加，增幅超過22%.

2)表面粗糙度主要取決于靜壓力與擠壓速度的交互作用、擠壓速度和進給量，且進給量與擠壓速度的交互作用顯著性遠超其他交互效應和主效應。

3)表層硬度主要取決于靜壓力、擠壓速度，以及擠壓速度與進給量的交互作用、靜壓力與擠壓速度的交互作用，這些主效應與交互效應均非常顯著。

4)本文所構建的表面粗糙度和表層硬度模型在95%的置信度上回歸效果顯著，可進行有效預測。

5)獲得最低表面粗糙度值和最高表層硬度時的工藝參數取值為Fs=260 N，v=70 m/min，fr=0.06 mm/r.

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Interaction Effects of Processing Parameters on Surface Quality ofTwo-dimensional Ultrasonically Extruded 7075 Aluminum Alloy

ZHENG Jian-xin, LIU Wei-cheng, DUAN Yu-tao

(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, China)

The orthogonal test was carried out to study the interaction effects of processing parameters on the surface quality of two-dimensional ultrasonically extruded 7075 aluminum alloy. The optimal parameters, including static pressureFs, extrusion speedvand feed ratefr, were studied. The influence order and significance of processing parameters which have the interaction effects on the surface roughness and hardness are determined through range analysis and variance analysis. The prediction models for surface roughness and hardness are constructed using regression analysis based on data-driven method. The interaction effects of processing parameters on surface roughness and hardness are analyzed based on response surface method. The optimal processing parameters are determined by constrained multi-objective programming model. The study found that the surface roughness of 7075 aluminum alloy decreases obviously after two-dimensional ultrasonic vibration, while the surface hardness increases greatly. The surface roughness mainly depends on the interaction ofvandfr,vandfr, while the surface hardness mainly depends onFs,v, and the interaction effects ofvandfras well asFsandv. The surface roughness and surface hardness obtained by the prediction models are close to the measured values, and the optimal parameters with the lowest surface roughness and the highest hardness agree with the experimental results. The results show that the interaction effects of the processing parameters on the surface quality are important, and the prediction models for surface roughness and hardness are effective.

manufaturing technology and equipment; two-dimensional ultrasonic vibration; ultrasonic extrusion; surface quality; interaction; aluminum alloy

2016-08-30

國家自然科學基金項目( 51005071、51575163)； 河南省高等學校重點科研項目(16A460006)

鄭建新(1979—)，男，教授，碩士生導師。E-mail: zhengjx@hpu.edu.cn

TG376.8； TB559

A

1000-1093(2017)06-1231-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.024