表面超聲滾壓處理（ultrasonic surface rolling process，USRP）是一種新興的表面強化處理技術(shù)[1]。滾壓頭在靜壓力和超聲沖擊復合作用下，按照設計路線對工件表面進行加工處理。USRP技術(shù)一方面可實現(xiàn)對工件表面的“削峰填谷”式光整加工，另一方面利用超聲軟化可實現(xiàn)難加工材料（如鈦合金、不銹鋼）的表面處理[2]。經(jīng)該技術(shù)處理后，工件表面發(fā)生了強烈的塑性變形，可將工件表面微觀波峰壓平并填入波谷，從而減小表面粗糙度值，由于加工的硬化作用，增加了材料表面硬度，引入表面殘余壓應力，改善了零件表面的耐磨損、抗腐蝕、抗疲勞等綜合使用性能；同時，保留了基體材料內(nèi)部晶粒的結(jié)構(gòu)、塑性和韌性，從而形成外強內(nèi)韌的性能，延長了工件的使用壽命。該強化工藝在高速軌道交通、空中武器、航空航天零件輕量化方面有很大的促進作用[3-7]。另外該工藝相對于傳統(tǒng)工藝如滾壓、噴丸、化學熱處理等，具有效率高、成本低、操作簡單等優(yōu)勢，可輔助于普通機床、數(shù)控機床，應用于不同表面零件處理，在技術(shù)上有很強的適應性，便于推廣應用。

由于表面超聲滾壓處理可使得工件表面產(chǎn)生優(yōu)異的綜合使用性能，國內(nèi)外學者近年來就此開展了大量的研究。Meng等[8]采用USRP強化AISI1045鋼后,發(fā)現(xiàn)材料的摩擦系數(shù)與磨損率均明顯下降。

Ting等[9]發(fā)現(xiàn)40Cr鋼試樣在USRP之后，其表面粗糙度數(shù)值及摩擦系數(shù)明顯降低，而耐磨及抗疲勞性能則顯著提升。高心寰等[10]分析了GCr15SiMn軸承鋼的超聲滾壓表層性能，結(jié)果表明：經(jīng)超聲表面滾壓處理后，試樣的表面磨削犁溝變淺，表面粗糙度顯著改善，最佳Ra值從0.14μm降低到0.07μm，降低了67%；部分表層機加工細晶剝落，表面缺陷減少。劉森忠[11]將USRP后的GCr15材料表面，與精密車削后的試樣相比較，發(fā)現(xiàn)USRP試件的表層晶粒細化顯著、摩擦磨損性能改善明顯。楊細蓮等[12]采用超聲表面滾壓處理AZ31B鎂合金，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度大幅度降低，相比于精密車削試樣的下降91.8％，同時摩擦磨損性能隨著滾壓量的增大而提高。耿紀龍等[13]對超聲表面滾壓處理的AZ31B鎂合

金組織性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)相對于未處理的試樣，超聲表面滾壓處理試樣的表面粗糙度降低了96.4%。蔣書祥等[14]研究7050鋁合金經(jīng)高速二維超聲滾壓加工后，表面粗糙度降幅達65%，表面顯微硬度增幅達72%。Tsuji等[15]的研究表明，超聲振動滾壓加工工藝能降低TC4鈦合金的表面粗糙度，大幅提高其顯微硬度。蔡振[16]研究了USRP對TC4合金多尺度疲勞裂紋擴展行為影響，結(jié)果表明TC4合金表面處理后形成了梯度納米層。王峰等[17]利用USRP技術(shù)，通過較小的靜壓力和超高頻振動沖擊作用，提高了TC4鈦合金零件表面綜合性能，顯著延長工件使用壽命。綜上可知，USRP技術(shù)在改善不同材質(zhì)零件的表面粗糙度方面都有著很好的作用。

雖然學者們對此做了大量的工作，但相關(guān)的研究比較分散、缺乏系統(tǒng)性，尤其是對于某一種材料的某一種性能與工藝參數(shù)的對應關(guān)系研究，則顯得更少，還有大量工作要做。

鈦合金常用于航空、航天、化工等領(lǐng)域，可用于噴氣發(fā)動機的壓氣機盤、渦輪盤、葉片等。對于TC4鈦合金葉片而言，隨著葉片表面粗糙度的改變，壓氣機氣流通道的流通能力、壓氣機增壓比、效率都會發(fā)生變化。特別注意的是，表面粗糙度降低，可以使得壓氣機的增壓比和效率提高；同時表面粗糙度降低，應力集中愈小，葉片的疲勞強度也有所提高。

因此本文嘗試用自制超聲滾壓裝置，對TC4鈦合金試樣進行表面超聲滾壓試驗，通過正交試驗設計，系統(tǒng)探究靜壓力、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、滾壓次數(shù)等參數(shù)對工件表面粗糙度的影響程度和影響規(guī)律，以期待對該工藝在TC4鈦合金葉片使用壽命提高方面提供一定的參考。

1、表面超聲滾壓系統(tǒng)

圖1是本文超聲表面滾壓處理裝置示意圖，輔以車床系統(tǒng)就可工作。超聲發(fā)生器產(chǎn)生20～40kHz的電震蕩信號，經(jīng)由壓電陶瓷換能器轉(zhuǎn)換成同頻機械振動，再由變幅桿放大傳遞給工具頭（滾子或滾柱，可以根據(jù)需要更換）。USRP執(zhí)行機構(gòu)的尾端安裝有氣泵或強力彈簧，給前端工具頭提供穩(wěn)定的靜壓力，工具頭則接觸工件處理表面，將振動和滾動靜壓力施加在工件處理表面。USRP執(zhí)行件安裝于車床的進給機構(gòu)上，車床以一定參數(shù)提供一定的轉(zhuǎn)速和進給速度，實現(xiàn)連續(xù)強化。

2、試驗方法與分析

試樣采用直徑為40mm的供應態(tài)TC4鈦合金棒材，材料化學成分見表1。先對試樣表面進行精密車削加工，加工后的工件表面粗糙度為Ra0.8μm，顯微硬度為321HV。將表面超聲滾壓處理裝置工作的部分固定在數(shù)控車床刀架上，工作頭采用直徑為10mm的硬質(zhì)合金球，工件采用雙頂尖方式裝夾在數(shù)車主軸上進行試驗（圖2）。本文采用的超聲滾壓設備是豪客能HK30C系列設備。根據(jù)前期試驗，振幅較小，表面粗糙度降低有限，效果不明顯；振幅過大，表面粗糙度會增大；振幅適中，則可有效降低表面粗糙度。因此，選擇超聲滾壓處理時的超聲波系統(tǒng)工作頻率為30Hz、振幅為10μm。

首先，通過查閱文獻確定了超聲滾壓表面粗糙度的影響因素；接著，利用單因素分析試驗法分別研究主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、靜壓力、滾壓次數(shù)對處理后鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律；最后，采用正交試驗設計和分析，確定影響因素主次關(guān)系，優(yōu)選出最佳試驗方案。試驗過程中，使用TIME3221粗糙度測量儀進行表面粗糙度測定，測定3處數(shù)據(jù)求平均值并記錄數(shù)據(jù)。

2.1單因素試驗分析

2.1.1主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

當工作靜壓力392N、滾壓3次、進給速度為0.1mm/r時，主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響見圖3。

可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，表面粗糙度數(shù)值先減小后增大，并且兩種進給速度條件下的表面粗糙度總體變化規(guī)律相似。主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時，表面粗糙度值最低，表面光整效果最佳。這主要是因為主軸轉(zhuǎn)速較低時，硬質(zhì)合金工作頭會在某一位置反復高頻沖擊多次，造成“粘連”現(xiàn)象，使得表面粗糙度值增大。當主軸轉(zhuǎn)速過大時，一方面硬質(zhì)合金球與工件的接觸狀態(tài)由滾動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L滑摩擦狀態(tài)，隨著摩擦力增大，工件表面會產(chǎn)生顫紋甚至劃傷；另一方面，轉(zhuǎn)速過快，使得工件上重復多次滾壓的部位和未滾壓到的部位數(shù)量增多[1]，從而導致表面粗糙度值加大，表面光整效果和質(zhì)量嚴重退化。

2.1.2進給速度對表面粗糙度的影響

當工作靜壓力392N、滾壓3次、主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時，進給速度對工件表面粗糙度的影響見圖4。可知，進給速度為0.1mm/r時，表面粗糙度數(shù)值最低。進給速度較小時，硬質(zhì)合金球在同一位置反復沖擊，導致局部溫度提升，出現(xiàn)“粘連”現(xiàn)象。另外，反復沖擊某些部位，會使得該部位發(fā)生比較大的塑性變形，從而造成表面粗糙度值增大。而當進給速度過大時，則類似于車削加工，相鄰兩個軌跡的重疊部分減少，甚至無重疊部位，這樣一來在滾壓的表面會產(chǎn)生殘留面積，影響表面粗糙度值。

2.1.3靜壓力對表面粗糙度的影響

當滾壓次數(shù)為3次、主軸轉(zhuǎn)速為400r/min，進給速度為0.1mm/r時，工作靜壓力對表面粗糙度的影響見圖5。在選取的4種工作靜壓壓力條件下，隨著靜壓力增大，工件的表面粗糙度下降，這主要是由于工件表面塑性變形變大，“削峰填谷”的作用更好。但是工作靜壓力不宜過大，否則會影響車床運行的平穩(wěn)性和車床自身精度。

2.1.4滾壓次數(shù)對表面粗糙度的影響

當工作靜壓力392N、主軸轉(zhuǎn)速為400r/min、進給速度為0.1mm/r時，滾壓次數(shù)對表面粗糙度的影響見圖6。可知，滾壓處理次數(shù)過多或較少都不能獲得理想的表面。這主要是因為滾壓處理次數(shù)過少，殘留面積比較大，表面粗糙度值較大。適當增加滾壓次數(shù)以及通過反復滾壓，可彌補前次滾壓的遺漏，同時減少殘留面積，使整體的表面粗糙度值下降；但滾壓處理的次數(shù)過多，會使得鈦合金工件表面因過度滾壓而出現(xiàn)片狀剝離的情況，導致表面質(zhì)量退化，同時還會延長單件的處理時間，進而降低生產(chǎn)效率，這也不可取。

2.2正交試驗分析

為分析主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、靜壓力和滾壓次數(shù)對工件表面粗糙度影響的顯著程度，結(jié)合前期開展的單因素試驗，設計了正交試驗。因素水平表如表2所示，選取主軸轉(zhuǎn)速n、進給速度f、靜壓力F、滾壓次數(shù)N為四個因素，設置每個因素各4個水平，選擇L16（45）正交表，按正交表安排試驗，得到的試驗結(jié)果見表3。由表3所示極差分析結(jié)果可知：

RA>RB>RD>RC>RE，四個因素的極差都大于空列誤差值RE，說明四個因素的影響效應都存在。四個因素的主次關(guān)系為：主軸轉(zhuǎn)速n>進給速度f>滾壓次數(shù)N>靜載荷F，因素水平趨勢見圖7。鑒于表面粗糙度值越小越好，故可篩選出的優(yōu)水平分別為A2、B2、C4和D2。因此選取正交試驗的最優(yōu)方案為A2B2C4D2，即主軸轉(zhuǎn)速為400r/min、進給速度為0.1mm/r、靜載荷490N、滾壓次數(shù)3次，即按照這一最優(yōu)方案處理TC4鈦合金葉片，可獲得更小的表面粗糙度，并能提高葉片的疲勞壽命。

2.3最優(yōu)方案處理試樣的摩擦性能測試

利用最優(yōu)方案A2B2C4D2處理MM200滾動摩擦試樣，轉(zhuǎn)速為200r/min；配備副試樣為GCr15淬火態(tài)，轉(zhuǎn)速為180r/min、試驗力為30kgf，無潤滑干摩擦，自動采集測定摩擦系數(shù)，并用掃描電鏡拍攝磨損后的試樣表面，同時做未處理試樣，以進行比較。

圖8是最優(yōu)方案處理試樣和未處理試樣的摩擦系數(shù)隨著時間變化情況。可知，最優(yōu)方案處理試樣的摩擦系數(shù)約為0.165，遠低于未處理試樣的摩擦系數(shù)0.325，相較而言，前者約為后者的一半。這主要是因為超聲滾壓使得試樣的表面粗糙度值明顯降低，以及試樣表層形成了梯度超細晶結(jié)構(gòu)，從而顯著降低了超聲滾壓處理試樣的摩擦系數(shù)。

圖9為磨損后的兩種試樣表面形態(tài)SEM照片。

可知，經(jīng)處理的試樣表面磨損量較少、表面結(jié)構(gòu)比較完整；未處理試樣則出現(xiàn)了明顯的犁溝、剝落和裂紋等。這主要是因為處理后的試樣表面發(fā)生了強烈的塑性變形，誘導試樣表層產(chǎn)生殘余壓應力，從而抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，同時還使試樣表面形成納米結(jié)構(gòu)，提高了硬度和耐磨性。另外，經(jīng)處理的試樣由于降低了表面粗糙度，從而減小了應力集中，提高了試樣的抗疲勞性能，有效減小裂紋產(chǎn)生的概率。因此，按照最優(yōu)方案處理試樣，在降低表面粗糙度的同時，可提高試樣表面的綜合力學性能，顯著改善TC4鈦合金表面的摩擦磨損性能，有助于延長鈦合金葉片的使用壽命。

3、結(jié)論

（1）通過正交試驗可知，在影響表面粗糙度的各項因素中，按影響程度主次關(guān)系依次為：主軸轉(zhuǎn)速n>進給速度f>滾壓次數(shù)N>靜載荷F。

（2）對TC4鈦合金表面進行超聲滾壓處理，可獲得良好表面質(zhì)量的最優(yōu)工藝方案為：主軸轉(zhuǎn)速400r/min、進給速度0.1mm/r、靜載荷490N、滾壓次數(shù)3次。

（3）表面超聲滾壓加工是一種有效的提升TC4鈦合金表面質(zhì)量的處理工藝。采用最佳工藝方案處理的試樣，其表面粗糙度值相較于未處理的有明顯降低，由原始的Ra0.8μm將至最低的Ra0.079μm，同時摩擦系數(shù)約降為一半，其耐磨性顯著提升，故認為該工藝方案在提升TC4鈦合金葉片的使用壽命方面，具有一定的參考意義。

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