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理進行理論分析的基礎上，分別在航空行業典型材料上做對比試驗研究，通過試件拉伸試驗、金相分析、表層殘余應力分析、疲勞試驗，證明了超聲擠壓光整加工在鋁合金和結構鋼加工方面優于傳統機械加工，可以用來替代傳統光整加工方式。

關鍵詞：超聲波;擠壓;光整;對比

引言

超聲波擠壓光整加工技術的原理是用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，從而長久產生殘余應力。在沖擊作用下，被加工表面因常規刀具加工產生的微觀輪廓峰頂被壓平，零件表層組織更細密，粗糙度大幅提高，超聲沖擊產生的殘余應力場深度可達1～2 mm，殘余應力可以有效地抑制表面裂紋的擴展，因此該技術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計的正確性，并通過試驗分析不同加工參數（靜壓力、工件強度、工件線速度）對加工質量的影響。

1實驗內容

1.1實驗設備

實驗在重大裝備服役安全研究室進行，采用的實驗設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行拉伸試驗、疲勞試驗、表面殘余應力測試、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，殘余應力測試按GB/T 7704取標準試樣。

1.3顯微組織觀察結果與分析

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

對比分析可以發現處理后高強鋼表面會有一層白色的強化層。

對比分析三種狀態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果與分析

分別對上述的三種材料不同狀態的金材料試樣在空氣環境下進行疲勞實驗，應力比R采用0.06。

PL3曲線在其它兩條曲線上方，即相同材料相同應力下，PL3狀態下的疲勞試樣壽命要高于其它兩種狀態下的壽命。三種加工狀態改變了試樣表面狀態，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，相同應力條件下，TPL2狀態下的材料疲勞壽命略高于TPL1狀態下的疲勞壽命，其數值基本接近，而TPL3試樣的壽命要遠遠低于其它兩種狀態下的疲勞壽命，與疲勞斷裂理論中表面疲勞裂紋萌生機理明顯相背離。

由圖上S-N曲線可以明顯看出，GPL2在GPL1上方，由此可以得出結論，在相同材料相同應力級別不同加工工藝下，GPL2狀態下的高強鋼試樣疲勞壽命要高于GPL1狀態下試樣的疲勞壽命，結合前面試驗我們會發現GPL2狀態下試樣表層的組織有所強化，并引入了一定的殘余壓應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狀態下試樣的裂紋源較GPL1狀態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的地方，且LPL3狀態下的裂紋源位置距表面更深。

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

結論

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

（2）鋼試樣GJL2狀態下的表層會出現一層強化層。鋁合金LJL3狀態下的表層組織較LJL2狀態下的表層組織更為細密。鈦合金TJL3狀態下的表層組織有明顯的滑移變形，而其他兩種狀態并無明顯差別。

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

（4）鋁合金相同應力下PL3狀態下的試樣擁有更高疲勞壽命。鈦合金在PL3狀態下擁有更低的疲勞壽命。高強鋼在GPL2狀態下擁有更高的疲勞壽命。

參考文獻：

[1]沈鴻，《機械工程手冊》， 機械工業出版社 ， 1982年9月

[2]薛紅前、陶華、王弘，LY10的超聲疲勞性能研究，機械科學與技術，2004年4月

[3]張玉、劉平，《幾何量公差與測量技術》，1999年5月