楊巍

摘 要：X射線衍射法可以無損地測量表面殘余應(yīng)力，但需要結(jié)合剝層法才能測量材料一定深度上的殘余應(yīng)力。本文設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)剝層的裝置，采用NaCl溶液作為電解液，可以對(duì)金屬平面小區(qū)域進(jìn)行材料去除，電解深度可精確控制。以鋁合金材料為例，試驗(yàn)優(yōu)選出電解加工參數(shù)電流密度23.87A/cm2和電解液流量1200cm3/min。通過對(duì)數(shù)據(jù)擬合曲線進(jìn)行優(yōu)化處理，標(biāo)定了實(shí)際深度蝕除速度約為7.42μm/s。最后對(duì)銑削鋁合金板進(jìn)行表層殘余應(yīng)力測量，測量結(jié)果符合一般銑削鋁合金殘余應(yīng)力分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力;鋁合金;X射線衍射法;剝層法;深度蝕除速度

1引言

X射線衍射法是近年來廣泛使用的殘余應(yīng)力測量方法，其優(yōu)勢在于無損、易操作、迅速、精度高[1，2]。但是由于X射線對(duì)金屬的穿透能力有限，往往只能測量金屬表面的殘余應(yīng)力。即便X射線的透入深度較深，也會(huì)因?yàn)椴牧媳韺哟嬖诘膽?yīng)力梯度而對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。故使用X射線衍射法測量隨深度變化的殘余應(yīng)力往往需要結(jié)合剝層法[3]。為了測量金屬表層的殘余應(yīng)力分布，本文設(shè)計(jì)了一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安全可控的電化學(xué)剝層裝置。并以航空工業(yè)中應(yīng)用廣泛的7050-T7451鋁合金為例，通過試驗(yàn)確定了較優(yōu)的電解參數(shù)，標(biāo)定了鋁合金深度蝕除速度，最后測量了鋁合金銑削表層的殘余應(yīng)力。

2 電化學(xué)剝層裝置設(shè)計(jì)

電化學(xué)剝層法則主要是通過電解發(fā)生的氧化還原反應(yīng)去除陽極金屬。電解加工中，電極與工件之間接直流電源。電極接電源負(fù)極，工件接電源正極。電極與工件保持一定的加工間隙。電解液以一定的速度流過間隙，使兩極之間形成導(dǎo)電通路。故本文中設(shè)計(jì)一種電化學(xué)剝層的裝置，用于測量試樣表層不同深度的殘余應(yīng)力值。如圖1所示。

自制電解裝置實(shí)物圖和半剖視圖如圖2所示，電解裝置用于安裝電極，形成密閉空間，內(nèi)部流通電解液以電解加工表面金屬。電解裝置分為端蓋、底座、固定電極和接頭。

3 鋁合金電解加工參數(shù)優(yōu)選

因?yàn)檠趸瘜雍捅砻娲植诙染鶎?duì)殘余應(yīng)力測量產(chǎn)生影響[7]。故本章以電解后表面的氧化層和粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選電解加工參數(shù)。本文研究電流密度i和電解液流量ql對(duì)電解加工鋁合金表面質(zhì)量的影響。

3.1 電流密度優(yōu)選試驗(yàn)

原理以電解拋光為主的電解設(shè)備，采用的電流密度較小，在0.2-1.0A/cm2范圍內(nèi)，電解速率較慢，約為4-20μm/min。而電解加工電流密度很大，范圍為10-100A/cm2。不同電流密度下，鋁合金材料電解后表面如圖3所示。用Mahr便攜式粗糙度儀對(duì)電解后的區(qū)域進(jìn)行表面粗糙度Ra測量，取樣長度為1.75mm。每個(gè)位置測量三次取平均數(shù)，結(jié)果如表1所示。

由圖3 觀察分析可知，在0.2-1.0A/cm2范圍內(nèi)的電解拋光，加工后表面無光亮，去除量極少，且四周雜散腐蝕嚴(yán)重。由于去除量極少，其加工后的粗糙度與試樣原先表面粗糙度基本相同。綜上所述，優(yōu)先考慮氧化層的大小深淺，其次結(jié)合表面粗糙度Ra值，故認(rèn)為電流為3A、電流密度為23.87A/cm2是較優(yōu)的電解加工參數(shù)。

3.2 電解液流量優(yōu)選試驗(yàn)

電解液流量對(duì)電解質(zhì)量有著一定的影響，合適的電解液流量有助于更新電解液，迅速排除電極表面上的電極產(chǎn)物。不同電解液流量下，鋁合金材料電解后表面對(duì)電解后的試樣進(jìn)行表面粗糙度Ra測量，每個(gè)位置測量三次取平均數(shù)。

隨著電解液流量的增加，加工表面氧化層逐漸變淺，但同時(shí)表面粗糙度增加。優(yōu)先考慮氧化層的大小深淺，其次結(jié)合表面粗糙度Ra值，故認(rèn)為電解液流量為1200cm 3/min是較優(yōu)的電解加工參數(shù)。

4 銑削鋁合金殘余應(yīng)力測量

側(cè)刃銑削鋁合金板得到試樣，見圖4，刀具為整體硬質(zhì)合金立銑刀，銑削參數(shù)為n=15000r/min，f=7000mm/min，ae=0.5mm， ap=3mm。按深度蝕除速度vh實(shí)=7.42μm/s。采用基于cosα法的二維面探方法測量殘余應(yīng)力，工作電壓和電流分別為30kV和1mA。測量鋁合金采用Gr靶，X射線入射角度為25°，半高寬定峰選擇波長為K-Alpha、面心立方結(jié)構(gòu)、311晶面，輸入楊氏模量70.3GPa和泊松比0.33[11]。

5結(jié)語

為了研究金屬表層的殘余應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)了電化學(xué)剝層的裝置，以7050-T7451鋁合金為例，研究了電解鋁合金較優(yōu)的電解加工參數(shù)，分別從理論和試驗(yàn)得到深度蝕除速度，最后實(shí)際測量了銑削后鋁合金板的表層殘余應(yīng)力，結(jié)論如下：本文設(shè)計(jì)的電解裝置結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、成本很低、安全可控，能夠?qū)饘倨矫娴男^(qū)域進(jìn)行電化學(xué)剝層，滿足X射線衍射法結(jié)合剝層對(duì)金屬沿深度方向上殘余應(yīng)力測量要求;以實(shí)際銑削鋁合金板為例，測量了其表層殘余應(yīng)力分布，符合一般銑削鋁合金表層殘余應(yīng)力外拉內(nèi)壓，最后趨于0的分布規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

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