史學(xué)剛 魯世紅 張 煒

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司，西安，710089

0 引言

超聲波噴丸是近年來提出的一種新型金屬板料成形和表面改性方法，其基本原理是利用撞針或彈丸的高頻（20kHz）撞擊，使板料發(fā)生塑性變形，同時(shí)在噴丸區(qū)域呈現(xiàn)高密度位錯(cuò)和有益的殘余壓應(yīng)力分布。超聲波噴丸能獲得更大的硬化層深度和最大壓應(yīng)力值，同時(shí)具有容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、成形工序簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。然而，超聲波噴丸同時(shí)也會(huì)引起表面粗糙度的增大，甚至造成一定程度的表面損傷，這些因素對(duì)金屬材料的表面質(zhì)量和壽命有不利影響。

到目前為止，超聲波噴丸成形技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中仍然沒有得到廣泛應(yīng)用，其中一個(gè)主要原因就是成形制件沒有獲得比較理想的表面完整性。國(guó)外學(xué)者對(duì)超聲波噴丸的表面完整性進(jìn)行了一定程度的研究，也取得了一些研究成果：英國(guó)的An等［2］對(duì)AA2024－T351－T351超聲波噴丸后的材料表層特性進(jìn)行了研究；烏克蘭的Mordyuk等［3］則對(duì)AISI 321超聲波噴丸后的表面特性及微觀組織演變進(jìn)行了研究。

然而上述研究沒有綜合分析超聲波噴丸過程參數(shù)對(duì)表面完整性的影響，也沒有很好的針對(duì)性。針對(duì)該問題，本文以鋁合金數(shù)控超聲波噴丸成形制件為研究對(duì)象，研究超聲波噴丸過程參數(shù)對(duì)表面完整性的影響規(guī)律，獲得最佳的表面完整性，這對(duì)于超聲波噴丸成形應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

1 表面完整性

金屬零件表面與外界直接接觸，在外界應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，而導(dǎo)致金屬零件失效的磨損和腐蝕也絕大部分發(fā)生在材料的表面，因此金屬零件整體強(qiáng)度高低或疲勞性能的優(yōu)劣與表面完整性有著較為密切的關(guān)系，表面完整性的好壞是評(píng)定制造工藝是否先進(jìn)的依據(jù)之一［4］。

表面完整性是指表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、殘余應(yīng)力場(chǎng)和表面層微觀組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在表面狀態(tài)的完好程度。通過表面完整性的改善可以提高金屬材料的物理性能和機(jī)械性能［5］，而這些性能的提高要?dú)w因于材料組織的細(xì)化、表面層的硬化以及殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的引入。超聲波噴丸能夠在試樣的表層引入劇烈的塑性變形使表層晶粒得以細(xì)化、微觀應(yīng)變?cè)龃?，位錯(cuò)密度增大，從而使試樣的硬度和屈服強(qiáng)度增大，形成有利的殘余壓應(yīng)力。而表面層的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)能夠有效提高材料的疲勞強(qiáng)度［6］。因此，較好的表面完整性有助于制件疲勞壽命、抗磨損和抗腐蝕性能的提高。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

超聲波噴丸成形采用由南京航空航天大學(xué)自主研制的數(shù)控超聲波噴丸裝置（圖1）進(jìn)行試驗(yàn)。

利用MVC－1000A1型顯微硬度計(jì)對(duì)成形制件沿層深的顯微硬度進(jìn)行測(cè)量，載荷選擇200g，載荷時(shí)間為15s；利用 MSF－3M型XRD殘余應(yīng)力分析儀測(cè)定超聲波噴丸成形后試樣的殘余應(yīng)力和半高寬，采用電解拋光的方法制備噴丸試樣的不同深度表面，以便測(cè)定噴丸試樣殘余應(yīng)力沿深度的分布狀況；利用DM2000型光學(xué)工具測(cè)量顯微鏡觀察超聲波噴丸前后試樣的表面形態(tài)；利用TR101袖珍式表面粗糙度儀測(cè)定超聲波噴丸前后試樣的表面粗糙度Ra值。

圖1 超聲波噴丸裝置示意圖及在機(jī)床上裝夾

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用AA2024－T351－T351。室溫20℃下該材料的力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度σb為470MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2為325MPa，伸長(zhǎng)率δ為10%，顯微硬度為170HV，彈性模量E 為68GPa，密度ρ為2770kg／m3。熱處理方式為固溶處理加自然時(shí)效處理。試樣尺寸為200mm×50mm×1.5mm。

2.3 試驗(yàn)方法

數(shù)控超聲波噴丸過程參數(shù)如下：電流強(qiáng)度0～2.5A，撞針直徑分別為2mm、3mm、5mm，進(jìn)給速度0～4000mm／min，超聲波噴丸成形軌跡間距分別為1mm、0.5mm、0.2mm、0.1mm。

按圖2所示的成形軌跡，采用控制變量法對(duì)鋁合金板料進(jìn)行數(shù)控超聲波噴丸成形，為保證試樣在噴丸過程中能夠充分變形且不發(fā)生移動(dòng)，要對(duì)試樣的四周進(jìn)行限制。通過試驗(yàn)得到的部分?jǐn)?shù)控超聲波噴丸成形制件如圖3所示。以該成形制件為對(duì)象，研究超聲波噴丸過程參數(shù)對(duì)表面完整性的影響規(guī)律，并得到最佳的表面完整性。

圖2 超聲波噴丸成形軌跡

圖3 超聲波噴丸成形件

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 顯微硬度

超聲波噴丸可在作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生幾百到近千微米的硬化層，在硬化層內(nèi)，硬度值隨著深度的增大而減小，直至母材的硬度。超聲波噴丸使得材料硬度提高，一般來說有三種機(jī)制：①位錯(cuò)增殖；②相變的產(chǎn)生；③ 孿晶的生成。

圖4所示為超聲波噴丸成形制件顯微硬度沿層深的變化，從圖中可以看出超聲波噴丸使制件的顯微硬度有明顯的提高，最大增幅為23%；制件表面產(chǎn)生了一定深度的硬化層，深度約為300μm；顯微硬度隨著深度的增大而逐漸減??；成形軌跡間距和電流強(qiáng)度對(duì)顯微硬度沿層深分布有很大的影響，而撞針直徑和進(jìn)給速度對(duì)顯微硬度的影響較小。

圖4 沿深度方向顯微硬度隨超聲波噴丸參數(shù)的變化規(guī)律

在其他條件不變的情況下，顯微硬度分布隨著電流強(qiáng)度的增大而增大，如圖4a所示，電流強(qiáng)度為2.4A時(shí)相對(duì)于1.2A時(shí)的顯微硬度增大了3%；顯微硬度分布隨著成形軌跡間距的增大而急劇減小，如圖4b所示，軌跡間距為1mm時(shí)相對(duì)于0.1mm時(shí)，顯微硬度降低了7.1%；顯微硬度分布隨撞針直徑和進(jìn)給速度的增大而略有降低，如圖4c、圖4d所示；而制件的硬化深度則基本保持不變。表面層顯微硬度的增大受制于材料的塑性變形程度，塑性變形較大導(dǎo)致材料表面致密度增高，位錯(cuò)密度增大，冷作硬化效果更顯著，引起的硬度增加更明顯。電流強(qiáng)度的增大，使得瞬時(shí)的沖擊力增大；而成形軌跡間距的減小，使得單位面積上的沖擊次數(shù)增多，因而電流強(qiáng)度的增大和成形軌跡的減小使得材料的塑性變形程度就較高。但當(dāng)電流強(qiáng)度增大到某一水平或成形軌跡間距減小到某一數(shù)值后，對(duì)材料表層組織影響及在表面所引起的塑性變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，此時(shí)增大電流強(qiáng)度或減小軌跡間距，對(duì)材料表面層顯微硬度的影響并不顯著。

經(jīng)上述的分析可以發(fā)現(xiàn)，在較大的電流強(qiáng)度和進(jìn)給速度、較小的撞針直徑和成形軌跡間距下，可以獲得較大的顯微硬度和較深的硬化深度。

3.2 殘余應(yīng)力

圖5所示為超聲波噴丸成形制件的殘余應(yīng)力分布，從圖中可以看出，超聲波噴丸能在制件內(nèi)引入數(shù)值較高、分布呈現(xiàn)梯度形式的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)；不同噴丸參數(shù)下的表面殘余應(yīng)力值基本相同，在－150～－180MPa之間；超聲波噴丸引入了較深的殘余應(yīng)力分布，殘余應(yīng)力的臨界深度在500～650μm之間；在距離表面200μm左右處，產(chǎn)生了最大殘余壓應(yīng)力；噴丸成形軌跡間距和電流強(qiáng)度對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)有很大影響，而撞針直徑和進(jìn)給速度對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響較小。

在其他條件不變的情況下，最大殘余壓應(yīng)力和臨界深度隨著電流強(qiáng)度的增大而增大，如圖5a所示，電流強(qiáng)度為2.4A時(shí)的最大殘余壓應(yīng)力相對(duì)于1.2A時(shí)增大了近41.9%，臨界深度增大了近100μm；最大殘余壓應(yīng)力和臨界深度隨著成形軌跡間距的增大而急劇減小，如圖5b所示，軌跡間距為1mm相對(duì)于0.1mm時(shí)的最大殘余壓應(yīng)力減小了32.7%，臨界深度減小了近200μm；最大殘余壓應(yīng)力和臨界深度隨著進(jìn)給速度和撞針直徑的增大而略有減小，如圖5c、圖5d所示，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可以選擇較大的進(jìn)給速度，既可以保證引入較大的殘余應(yīng)力場(chǎng)，又能夠有效地節(jié)省加工時(shí)間。殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的分布對(duì)制件的疲勞壽命有著十分重要的影響，引入的殘余壓應(yīng)力越大，試樣的疲勞壽命越高。

從上述分析可知，在較大電流強(qiáng)度和進(jìn)給速度、較小成形軌跡間距下，能夠得到較大的殘余壓應(yīng)力分布。

3.3 表面形貌

圖6是母材和不同超聲波噴丸過程參數(shù)下制件的表面形貌。從圖中可以看出，母材表面存在較多的加工紋理，這些紋理主要是材料在軋制過程中產(chǎn)生的。而超聲波噴丸處理后，制件表面的加工紋理已經(jīng)完全消失，取而代之的則是一道道的犁溝。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：電流強(qiáng)度、進(jìn)給速度和撞針直徑對(duì)于犁溝的寬度和深度沒有明顯的影響，而犁溝的寬度和深度則隨著成形軌跡間距的增大而急劇增大，如圖6b～圖6d所示，這些犁溝主要是由于在超聲波噴丸過程中撞針在材料表面的拖拽所致。對(duì)比圖6b～圖6d發(fā)現(xiàn)，采用0.1mm的軌跡間距時(shí)制件表面的犁溝最窄，表面形貌也最好。

圖5 殘余應(yīng)力沿深度分布隨超聲波噴丸參數(shù)的變化規(guī)律

圖6 超聲波噴丸前后試樣的表面形貌

3.4 表面粗糙度

圖7所示為超聲波噴丸過程參數(shù)對(duì)制件表面粗糙度Ra的影響?？梢钥吹剑撼暡▏娡韬笾萍谋砻娲植诙染兴龃?。在其他條件不變的情況下，表面粗糙度隨著電流強(qiáng)度的增大而增大，電流強(qiáng)度增大導(dǎo)致撞針撞擊時(shí)的速度和沖擊力增大，進(jìn)而造成受沖擊材料表面彈坑變深；表面粗糙度隨著成形軌跡間距的增大而急劇增大，在軌跡間距為1mm時(shí)，表面粗糙度已經(jīng)達(dá)到3.6μm，如此之大的表面粗糙度會(huì)造成試樣表面的應(yīng)力集中，對(duì)疲勞壽命造成不利的影響，因此在實(shí)際加工中也不能采用較大的軌跡間距；隨著撞針直徑的增大，表面粗糙度有一定程度的增大，但變化不是很大。此外，隨著進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度略有微量的增大。

圖7 表面粗糙度隨超聲波噴丸參數(shù)的變化規(guī)律

因此，通過上述的分析可以看出，在較小的電流強(qiáng)度、撞針直徑和軌跡間距，較大的進(jìn)給速度條件下可以保證材料獲得較小的表面粗糙度。

3.5 半高寬

X射線衍射峰半高寬指的是衍射峰最大強(qiáng)度1／2處所占的角度范圍。在儀器固定的情況下，半高寬反映了材料冷作硬化程度、微觀殘余應(yīng)力的大小以及晶體內(nèi)部位錯(cuò)密度的高低［7］。

圖8所示為半高寬隨深度的變化趨勢(shì)，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：電流強(qiáng)度、進(jìn)給速度和撞針直徑對(duì)于半高寬沒有明顯的影響，而半高寬隨著成形軌跡間距的增大而急劇減小。與未噴丸試樣相比，超聲波噴丸后試樣的半高寬顯著增大，表面半高寬值隨成形軌跡間距的減小而增大，半高寬隨深度增大而減小，當(dāng)深度超過125μm時(shí)，半高寬基本不變。與殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度（500μm左右）相比，超聲波噴丸對(duì)半高寬影響層深度要小很多。超聲波噴丸促使半高寬變化的主要原因是冷作硬化程度上升以及位錯(cuò)增殖。半高寬數(shù)值的增大是冷作硬化的體現(xiàn)，隨著成形軌跡間距的減小，循環(huán)塑性形變次數(shù)增加，冷作硬化加劇。

圖8 不同成形軌跡下的半高寬

3.6 最佳表面完整性

從上述顯微硬度、殘余應(yīng)力場(chǎng)、表面形貌、表面粗糙度和半高寬的分析中可以看出，成形軌跡間距對(duì)表面完整性有很大影響，而且間距越小表面完整性越好；電流強(qiáng)度對(duì)表面完整性有雙重影響，電流的增大可以獲得較大的顯微硬度分布、殘余應(yīng)力分布和半高寬，但也會(huì)造成粗糙度的增大，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)慎重選擇；撞針直徑對(duì)表面完整性的影響較小，但總體趨勢(shì)是：直徑越小，表面完整性越好；進(jìn)給速度對(duì)表面完整性的影響最小，在實(shí)際生產(chǎn)中可以選擇較大的進(jìn)給速度。綜合分析可得最佳的表面完整性條件為：撞針直徑為2mm，電流強(qiáng)度為1.6～2.0A，進(jìn)給速度為3000mm／min以上，成形軌跡間距為0.1mm。

4 結(jié)論

（1）超聲波噴丸使試樣產(chǎn)生了近300μm的硬化層，同時(shí)使試樣的顯微硬度增大了近20%。

（2）超聲波噴丸能夠在試樣內(nèi)引入數(shù)值較高、分布呈現(xiàn)梯度形式的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)；殘余應(yīng)力臨界深度在500～650μm之間；噴丸后表面殘余應(yīng)力數(shù)值基本相同，在－150～－180MPa之間；在200μm左右處產(chǎn)生了最大殘余壓應(yīng)力。

（3）噴丸后試樣表面粗糙度增大，在較小的電流強(qiáng)度、撞針直徑和軌跡間距，較大的進(jìn)給速度條件下可以保證材料獲得較低的表面粗糙度；試樣的表面由軋制紋理變?yōu)橛勺册樤诓牧媳砻娴耐献纬傻睦鐪?，并且犁溝尺寸隨著軌跡間距的增大而增大。

（4）噴丸后表面層的半高寬數(shù)值增大，深度在125μm左右，表明噴丸后材料冷作硬化程度加大、晶體內(nèi)部位錯(cuò)密度增大。

（5）對(duì)表面完整性的影響由大到小排序?yàn)椋撼尚诬壽E間距，電流強(qiáng)度，撞針直徑，進(jìn)給速度；在撞針直徑為2mm，電流強(qiáng)度為1.6～2.0A，超聲波噴丸成形軌跡間距為0.1mm時(shí)可以獲得最佳的表面完整性。

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