杨巍

摘 要：本文在对超声波挤压光整加工机理进行理论分析的基础上，分别在航空行业典型材料上做对比试验研究，通过试件拉伸试验、金相分析、表层残余应力分析、疲劳试验，证明了超声挤压光整加工在铝合金和结构钢加工方面优于传统机械加工，可以用来替代传统光整加工方式。

关键词：超声波;挤压;光整;对比

引言

超声波挤压光整加工技术的原理是用16KHz～80KHz的高频能量直接冲击在试样表面，冲击工具头与被加工件的接触、作用时间极短，一般为10-5～3×10-5秒，高速冲击能量使材料表面引起微小的塑形变形，从而长久产生残余应力。在冲击作用下，被加工表面因常规刀具加工产生的微观轮廓峰顶被压平，零件表层组织更细密，粗糙度大幅提高，超声冲击产生的残余应力场深度可达1～2 mm，残余应力可以有效地抑制表面裂纹的扩展，因此该技术可有效提升材料的抗疲劳性能。

在超声波加工装置上使用新型变幅杆和超声挤压工具分别在不同材料上做大量的试验研究，用于验证新型变幅杆和超声挤压工具设计的正确性，并通过试验分析不同加工参数（静压力、工件强度、工件线速度）对加工质量的影响。

1实验内容

1.1实验设备

实验在重大装备服役安全研究室进行，采用的实验设备包括高频疲劳试验：QBG-100kN、   拉伸试验：岛津AG-IC-300 kN、硬度：华银HVS-1000A硬度仪、显微组织：OLYMPUS GX51显微镜等。

1.2实验内容

试验材料采用直径为30mm的钛合金，钢，铝合金棒料，分别加工不同的表面粗糙度进行拉伸试验、疲劳试验、表面残余应力测试、显微硬度测试及显微组织。其中拉伸试验按照GB/T228，劳试验按HB 5287，残余应力测试按GB/T 7704取标准试样。

1.3显微组织观察结果与分析

将各种状态下的试样进行切割，镶嵌，抛光制成金相试样，在奥林巴斯金相显微镜下进行观察，典型照片如下图所示。

对比分析可以发现处理后高强钢表面会有一层白色的强化层。

對比分析三种状态下的钛合金显微组织图片可以得出表层组织有明显的变形，晶粒发生滑移。

将抛光后的金相试样放置在硬度仪上测量维氏硬度，施加载荷4.9N，保持载荷时间为12S，测得的各点维氏硬度，

1.4室温轴向疲劳性能测试结果与分析

分别对上述的三种材料不同状态的金材料试样在空气环境下进行疲劳实验，应力比R采用0.06。

PL3曲线在其它两条曲线上方，即相同材料相同应力下，PL3状态下的疲劳试样寿命要高于其它两种状态下的寿命。三种加工状态改变了试样表面状态，改变了试样表面裂纹萌生的条件，随着表面粗糙度的改善，疲劳性能得到改善，与材料疲劳断裂理论基本符合。

如图1所示，三条S-N曲线中，相同应力条件下，TPL2状态下的材料疲劳寿命略高于TPL1状态下的疲劳寿命，其数值基本接近，而TPL3试样的寿命要远远低于其它两种状态下的疲劳寿命，与疲劳断裂理论中表面疲劳裂纹萌生机理明显相背离。

由图上S-N曲线可以明显看出，GPL2在GPL1上方，由此可以得出结论，在相同材料相同应力级别不同加工工艺下，GPL2状态下的高强钢试样疲劳寿命要高于GPL1状态下试样的疲劳寿命，结合前面试验我们会发现GPL2状态下试样表层的组织有所强化，并引入了一定的残余压应力这对疲劳寿命有着一定的有利作用。

1.5 试样典型疲劳断口分析

如图3所示，裂纹源是一个平坦的区域，并沿着放射状向四周放散，可以看出疲劳裂纹并不是一个宏观平面。对比得出GPL2状态下试样的裂纹源较GPL1状态下试样的裂纹源要略深一些。

如图4所示，以疲劳源为中心的向四周辐射的放射台阶或线痕延伸到很远的地方，且LPL3状态下的裂纹源位置距表面更深。

如图5所示，疲劳源区呈一个很明显的“鱼眼状”，裂纹扩展以“鱼眼”为中心辐射一定半径后快速成放射状向四周扩展，与TJL1相比，TJL3状态下试样的疲劳源距表面深度略有增加。

结论

（1）钢试样GPL2下轴向残余压应力均值为894MPa较GPL1状态下提高19.68%，环向残余应力均值为417MPa，较GPL1状态下降低19.96%。钛合金TJL3下轴向残余压应力均值为674MPa较TJL1状态下提高5.31%，环向残余压应力均值为334MPa，较TJL1状态下提高93.06%。铝合LJL3轴向残余压应力均值为268MPa，较LJL2状态下提高54.91%。

（2）钢试样GJL2状态下的表层会出现一层强化层。铝合金LJL3状态下的表层组织较LJL2状态下的表层组织更为细密。钛合金TJL3状态下的表层组织有明显的滑移变形，而其他两种状态并无明显差别。

（3）钢试样GJL2状态下的显微维氏硬度均值为504较GJL1状态下提高9.8%，钛合金TJL3状态下的维氏硬度均值为303较TJL1状态下提高10.18%，铝合金LJL3状态下的维氏硬度均值为124，较LJL2状态下提高19.23%。

（4）铝合金相同应力下PL3状态下的试样拥有更高疲劳寿命。钛合金在PL3状态下拥有更低的疲劳寿命。高强钢在GPL2状态下拥有更高的疲劳寿命。

参考文献：

[1]沈鸿，《机械工程手册》， 机械工业出版社 ， 1982年9月

[2]薛红前、陶华、王弘，LY10的超声疲劳性能研究，机械科学与技术，2004年4月

[3]张玉、刘平，《几何量公差与测量技术》，1999年5月