超聲滾壓加工工藝參數(shù)對(duì)TC4 鈦合金表面質(zhì)量的影響

朱磊,潘高峰,郝曉麗,郭勝利,苑澤偉

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110870）

一個(gè)零件的壽命與其失效形式息息相關(guān).在眾多的失效形式中摩擦磨損占了很大的比重,大約占國(guó)民生產(chǎn)總值的4%.而TC4 鈦合金常常用作航空航天中的零件.由于鈦合金存在表面質(zhì)量問題,如表面磨損、疲勞破壞等,使得超過(guò)四分之一的鈦合金零件發(fā)生失效事故[1].因此,研究如何提高鈦合金的表面質(zhì)量,減少其失效狀況的發(fā)生具有重要的價(jià)值.

雖然以前也有其他的表面強(qiáng)化技術(shù)，如激光熔覆技術(shù)、超聲噴丸技術(shù)、激光沖擊強(qiáng)化等.但是在激光熔覆技術(shù)中加工完成后的熔覆層中會(huì)有小氣孔出現(xiàn),這些小氣孔嚴(yán)重影響了熔覆層的致密性、力學(xué)等物理性能,并且還對(duì)熔覆層的抗氧化性、耐磨性有一定的影響.超聲噴丸后對(duì)材料表面處理形成成片的不規(guī)則凹坑,這些凹坑與凹坑之間所形成的“尖峰”并不利于耐磨表面,所以超聲滾壓比超聲噴丸光潔度更高[2].激光沖擊強(qiáng)化的設(shè)備價(jià)格昂貴而且檢測(cè)技術(shù)也不成熟[3].而超聲滾壓加工技術(shù)已經(jīng)有大量的國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者證明了它的優(yōu)勢(shì).Bozadna 等[4]對(duì)TC4 鈦合金進(jìn)行超聲滾壓加工,認(rèn)為超聲滾壓中的靜壓力是工件表面產(chǎn)生塑性變形的原因之一,可以提高材料表面硬度和減少工件表面粗糙度.高延峰等[5]對(duì)滾壓后的鈦合金進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果是經(jīng)過(guò)超聲滾壓后其工件表面硬度提高.呂光義等[6]通過(guò)超聲滾壓鈦合金發(fā)現(xiàn),超聲加工能夠消除車削時(shí)形成的痕跡和表面的微觀缺陷.通過(guò)對(duì)超聲滾壓的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),超聲振動(dòng)滾壓在改善表面質(zhì)量方面有著極大地優(yōu)勢(shì)[7].而在超聲滾壓加工過(guò)程中,機(jī)床的靜壓力、滾壓次數(shù)和主軸次數(shù)對(duì)工件的影響很大[8-9].

本文通過(guò)對(duì)TC4 鈦合金進(jìn)行超聲滾壓,研究不同工藝參數(shù)(靜壓力、滾壓次數(shù)和主軸次數(shù))對(duì)鈦合金表面形貌、表面粗糙度和顯微硬度的影響規(guī)律.

1 超聲滾壓加工的原理

超聲滾壓加工所輸出的靜壓力和沖擊振動(dòng)作用到工件表面,從而使工件表面發(fā)生彈塑性變形,以此來(lái)降低工件的表面粗糙度,增強(qiáng)材料表面的硬度.超聲波的加工原理如圖1 所示.超聲發(fā)生器產(chǎn)生超頻電信號(hào)經(jīng)過(guò)換能器的轉(zhuǎn)換,由電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,再由機(jī)械能傳給變幅桿[10],而變幅桿的作用是擴(kuò)大振幅.原因是換能器產(chǎn)生的振幅太小只有幾微米,不足以滿足加工需求[11],最后由變幅桿把振動(dòng)傳給工具頭.此裝置可以對(duì)工件表面施加靜壓力和超聲振動(dòng),在兩者的共同作用下,工件表面的凸峰被壓到對(duì)應(yīng)的凹坑中,以達(dá)到平整的效果,進(jìn)而提高表面質(zhì)量.

圖1 超聲滾壓加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of ultrasonic rolling system

2 試驗(yàn)方法與參數(shù)值

2.1 試驗(yàn)方法

本文利用線切割的方式將尺寸為φ40×100 mm 的鈦合金圓棒切成數(shù)個(gè)圓片,然后進(jìn)行車削加工.車削后的表面粗糙度為1.7 μm,硬度為302.8 HV.然后將車削后的工件用超聲滾壓設(shè)備加工.其化學(xué)成分如表1 所示.

表1 TC4 鈦合金化學(xué)成分Table 1 chemical composition of TC4 titanium alloy

2.2 試驗(yàn)參數(shù)值

通過(guò)參考多種文獻(xiàn)及實(shí)際情況,總結(jié)出了表2 所示工藝參數(shù)的大致范圍.系統(tǒng)的輸出頻率為20 kHz.通過(guò)改變單一變量,分別對(duì)超聲滾壓過(guò)程中不同靜壓力、滾壓次數(shù)及主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析.

表2 超聲表面滾壓工藝參數(shù)Tab.2 Ultrasonic surface rolling process parameters

3 結(jié)果與分析

3.1 靜壓力對(duì)微觀形貌及表面粗糙度的影響

使用LW300LJT 透反射金相顯微鏡對(duì)不同靜壓力和主軸轉(zhuǎn)速下的微觀形貌進(jìn)行觀察分析.在超聲滾壓加工鈦合金的過(guò)程中,研究滾壓靜壓力對(duì)表面粗糙度的影響時(shí),選用表2 中的第1,2,3,4 組試驗(yàn)參數(shù).以下粗糙度的測(cè)量均是經(jīng)過(guò)測(cè)量3 次以后取平均值得到的.

由圖2 可以看出,當(dāng)靜壓力為60 N 時(shí),鈦合金表面有著大量的凹坑和凸峰,這些凹坑和凸峰容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,最終減弱了零件的抗疲勞破壞能力.當(dāng)靜壓力增加到80 N 時(shí),部分凸峰被填平,但是還有殘留的凹坑.隨著靜壓力的繼續(xù)增大,凹坑變得越來(lái)越少.這是因?yàn)樵龃箪o壓力,也就是增大了工具頭與試件表面的接觸面積,能夠減少摩擦?xí)r由于金屬磨屑堆積造成的劇烈磨損.但是到了靜壓力120 N發(fā)現(xiàn):太大的靜壓力會(huì)使材料表面的負(fù)載過(guò)大,使鈦合金表面更加粗糙甚至磨損更加嚴(yán)重.所以選擇合適的靜壓力大小并使其保持在材料的極限應(yīng)力范圍內(nèi)是至關(guān)重要的.

圖2 不同靜壓力下的微觀形貌Fig.2 Micro-structure under different static pressures

當(dāng)評(píng)價(jià)工件疲勞壽命,反映工件表面質(zhì)量時(shí),表面粗糙度是一個(gè)重要因素.表面粗糙度能夠表征材料表面完整性.其值越小,代表表面越平整光潔.

選用表2 中的第1,2,3,4 組試驗(yàn)參數(shù),滾壓靜壓力與粗糙度的關(guān)系曲線見圖3.

圖3 靜壓力對(duì)表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of static pressure on surface roughness

由圖3 可以看出,在轉(zhuǎn)速為100 r/min 超聲滾壓5 次的條件下,當(dāng)靜壓力為60 N 的時(shí)候,表面粗糙度最低,為0.14 μm.超聲滾壓使材料表面發(fā)生塑性變形,使晶粒細(xì)化、內(nèi)部位錯(cuò)、密度大量增殖并發(fā)生滑移、積累、重排,形成較多的位錯(cuò)墻和位錯(cuò)盤結(jié),把寬大晶粒進(jìn)行分離,形成新的細(xì)小晶粒[12].但是當(dāng)靜壓力繼續(xù)增大時(shí),很明顯表面粗糙度也在增加,直到靜壓力為100 N 時(shí),表面粗糙度的值達(dá)到最高，為0.33 μm,而后又開始下降.這可能是由于超聲滾壓振動(dòng)時(shí)對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊，使材料表層產(chǎn)生加工硬化,過(guò)大的靜壓力會(huì)促使試樣表面過(guò)度的塑形變形,直至影響到試樣的表面質(zhì)量[13].所以在超聲加工時(shí)選擇適合的靜壓力是尤為關(guān)鍵的.

3.2 滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

選用表2 中的第5,6,7,8 組試驗(yàn)參數(shù)來(lái)研究滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，結(jié)果見圖4.

圖4 滾壓次數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響Fig.4 Influence of rolling times on surface roughness

從圖4 中可以看出,在靜壓力100 N,轉(zhuǎn)速100 r/min 的條件下,隨著超聲滾壓次數(shù)的增加,試件的表面粗糙度明顯下降,Ra 從0.17 μm 下降到0.12 μm;但之后又突然提高到0.33 μm 左右.這是因?yàn)闈L壓一次后,工件表層產(chǎn)生冷硬層,若繼續(xù)滾壓,導(dǎo)致工件表層需承受過(guò)大的滾壓力,金屬的晶粒會(huì)被碎裂破壞,這時(shí)就會(huì)像魚鱗一樣凹凸不平，出現(xiàn)在工件表面,加劇表面磨損[14].這說(shuō)明了適當(dāng)?shù)奶岣邼L壓次數(shù)可改善表面質(zhì)量,減少表面粗糙度,而過(guò)度增加滾壓次數(shù)會(huì)使表面質(zhì)量變差.

3.3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

選用表2 中第3,8,9,10 組的試驗(yàn)參數(shù).為保持靜壓力為100 N、滾壓次數(shù)為5 次的條件,改變主軸轉(zhuǎn)速.不同主軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的表面微觀形貌如圖5 所示.

圖5 不同主軸轉(zhuǎn)速下的微觀形貌Fig.5 Micro-structure of different spindle speeds

由圖5 可知,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min 時(shí),工件表面的凹坑非常多且密.當(dāng)轉(zhuǎn)速為150 r/min 時(shí),相比前一張微觀形貌圖,這一張中的凹坑已經(jīng)大幅度減少,很多凹坑被削峰填谷,表面趨于平整光滑.當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?50 r/min 增大到200 r/min,表面微觀形貌明顯改善,很多坑已經(jīng)被填埋,表面比前邊兩個(gè)更加光滑.但隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大,試件表面的凹坑開始增多，質(zhì)量變差，劃痕增多.這是由于主軸轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)對(duì)局部形成重復(fù)滾壓,其他地方滾壓不到,就會(huì)形成“落差”.鈦合金表面形貌不均勻,降低表面質(zhì)量.

選用表2 中第3,8,9,10 組的試驗(yàn)參數(shù)來(lái)研究主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響，結(jié)果見圖6.

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響Fig.6 Effect of spindle speed on surface roughness

由圖6 可知,從100 r/min 到200 r/min 表面粗糙度是處于下降狀態(tài),但過(guò)了200 r/min,粗糙度開始緩慢升高.主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min 時(shí)Ra 值最大為0.33 μm,主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min 時(shí)Ra 值最小為0.12 μm.其實(shí)當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速時(shí),在一定程度上就相當(dāng)于提高對(duì)工件的滾壓次數(shù),在合適的主軸轉(zhuǎn)速中,表面粗糙度會(huì)大幅度下降,表面質(zhì)量得以提升.但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增大到一定程度,就相當(dāng)于只滾壓局部區(qū)域,后果是使試件局部表面被破壞,表面微觀質(zhì)量持續(xù)惡化,表面粗糙度持續(xù)升高,最后磨損嚴(yán)重.

3.4 靜壓力對(duì)顯微硬度的影響

本文利用顯微硬度儀觀察超聲滾壓之后的TC4 鈦合金表面,測(cè)量時(shí)通過(guò)測(cè)量?jī)x的金剛石壓頭對(duì)待測(cè)面施加固定載荷,保持一段時(shí)間,即可在被壓表面形成一個(gè)菱形壓痕,測(cè)量該壓痕面積大小.通過(guò)不同加工參數(shù)加工獲得的鈦合金表面的維氏硬度,分析各工藝參數(shù)對(duì)試件硬度的影響規(guī)律.在研究滾壓靜壓力對(duì)表面硬度的影響時(shí),選用表2 中的第1,2,3,4 組試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)果見圖7.

圖7 靜壓力對(duì)顯微硬度的影響Fig.7 Effect of static pressure on micro-hardness

由圖7 可知,隨著滾壓靜壓力的增加,經(jīng)超聲滾壓處理后試件的表面硬度從靜壓力為60 N 時(shí)的441.3 HV 提高到了100 N 時(shí)的487.7 HV,提高了9%.而后繼續(xù)增加靜壓力,顯微硬度反而下降了.這是因?yàn)殪o壓力增大,工具頭的沖擊也會(huì)增大,作用在材料表面之后會(huì)使其表面產(chǎn)生塑性變形,晶粒進(jìn)一步細(xì)化[15].過(guò)大的靜壓力使得材料的塑性變形變得不均勻,從而影響材料表面的質(zhì)量.

3.5 滾壓次數(shù)對(duì)顯微硬度的影響

研究滾壓次數(shù)對(duì)表面硬度的影響時(shí),選用表2 中的第5,6,7,8 組試驗(yàn)參數(shù).硬度取值方法與上面方法相同，結(jié)果見圖8.

圖8 滾壓次數(shù)對(duì)顯微硬度的影響Fig.8 Influence of rolling times on microhardness

由圖8 可知,隨著滾壓次數(shù)的增加,顯微硬度所呈現(xiàn)的趨勢(shì)是單調(diào)遞增的.當(dāng)滾壓一次時(shí),鈦合金的硬度值最低，為350.35 HV,經(jīng)過(guò)5 次滾壓的試件表面硬度可以達(dá)到476.65 HV,硬度提高了36%.當(dāng)增加滾壓次數(shù)時(shí),因?yàn)椴牧媳韺訒?huì)發(fā)生大塑性變形累積,這提高了晶粒細(xì)化程度,顯微硬度也隨之增加.Hall-Petch 理論[16]中提到晶粒尺寸越小材料的硬度越大.再者,從位錯(cuò)的理論也有這樣的說(shuō)法，即當(dāng)使用超聲滾壓加工材料時(shí),其內(nèi)部會(huì)發(fā)生位錯(cuò),進(jìn)而導(dǎo)致其交割和增殖.期間還會(huì)產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)缺陷，比如層錯(cuò)和間隙原子等,這些都會(huì)對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生阻礙.

3.6 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)顯微硬度的影響

在研究主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面硬度的影響時(shí),選用表2 中的第3,8,9,10 組試驗(yàn)參數(shù).硬度取值方法同上.表面硬度在不同主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖9.

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)顯微硬度的影響Fig.9 Effect of spindle speed on micro-hardness

由圖9 可知,隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,硬度先上升再下降后再次升高.主軸轉(zhuǎn)速為150 r/min 時(shí),硬度鈦合金的表面在強(qiáng)化后硬度達(dá)到最高，為485.05 HV.這體現(xiàn)了適當(dāng)?shù)奶岣咧鬏S轉(zhuǎn)速可提高材料的表面硬度.再繼續(xù)提高主軸的轉(zhuǎn)速,硬度卻不增反降.這說(shuō)明了過(guò)高的轉(zhuǎn)速使得局部滾壓次數(shù)增多,試件反而被破壞[17],所以要選擇合適的轉(zhuǎn)速才能有效地提高加工質(zhì)量.

4 小結(jié)

通過(guò)以上的研究分析,得出以下結(jié)論:

(1)超聲振動(dòng)滾壓能夠大幅度提高工件表面質(zhì)量.經(jīng)該工藝處理后的工件表面粗糙度最低可降低到0.12 μm.硬度顯著提高可達(dá)485.05 HV.

(2)在合適的加工范圍內(nèi),表面粗糙度隨著靜壓力的增大而減小,滾壓次數(shù)的增加先減小后增大,主軸轉(zhuǎn)速的提升先大幅度減小后緩慢增大.材料的硬度在經(jīng)過(guò)超聲滾壓后也得到了明顯的改善.

(3)在超聲振動(dòng)滾壓加工中,對(duì)工藝參數(shù)的選擇一定要適當(dāng),過(guò)大的工藝參數(shù)不一定是最好的,要結(jié)合實(shí)際處理.