1 引言
鋁合金是重要的工業(yè)材料，特別被廣泛用于航空宇航工業(yè)，被用于制作飛機(jī)、火箭的表面蒙皮、承力結(jié)構(gòu)和連接緊固件。例如2D12 常用于制造搖臂、拉桿，LC9 主要用于桁條、蒙皮、接頭，活塞桿等[1]。由于使用常規(guī)方法加工零件表面精度的提高會(huì)導(dǎo)致加工費(fèi)用和時(shí)間的成倍提高，所以，我們需要采用新的加工手段以改變這種狀況，超聲波表面光飾加工就是其中一種可行的方法，它可以使回轉(zhuǎn)體零件的表面粗糙度一次性提高三級(jí)以上，并顯著提高表層硬度，提高表面的耐磨性及耐腐蝕性能，但由于航空產(chǎn)品所受的環(huán)境條件和載荷非常嚴(yán)酷，對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性要求也越來(lái)越高，要求安全服役的疲勞壽命也越來(lái)越長(zhǎng)，因此我們有必要對(duì)鋁合金超聲波加工對(duì)材料疲勞性能和表面處理性能的影響做一下研究和分析，以利于這種加工方法的推廣和應(yīng)用[2]。
2 超聲波表面光飾加工的原理
超聲波表面光飾加工原理圖，如圖1 所示。由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振蕩波，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動(dòng)，這種超聲機(jī)械震動(dòng)被變幅桿放大振幅，通過(guò)加工頭（滾輪狀）與工件接觸，使加工頭不斷地撞擊加工表面，在加工頭瞬間正負(fù)交替的正壓沖擊波作用下。將被加工零件表面因刀具產(chǎn)生的微觀輪廓峰頂壓平，如圖2 所示。并使表層組織更細(xì)密。因此，超聲波表面光飾加工實(shí)質(zhì)上是被加工零件受加工頭高頻機(jī)械沖擊和擠壓作用的綜合結(jié)果[3-4]。
3 試驗(yàn)內(nèi)容及考核項(xiàng)目
采用航空工業(yè)常用材料LC9 及2D12 為試驗(yàn)用料，每種材料各制兩組試料，一組采用常規(guī)車(chē)工拋光為最終加工方式，另一組采用超聲波表面光飾加工為最終加工方式，要求達(dá)到IT7 級(jí)的尺寸精度及Ra≤0.1μm 表面粗糙度[3]。對(duì)每種材料的兩組試料進(jìn)行以下方面的對(duì)比試驗(yàn)：金相組織對(duì)比分析，鍍鉻層對(duì)比分析，疲勞性能對(duì)比，壽命檢查。
3.1 加工后的試件材料檢查
3.1.1 裂紋檢查
檢查方式為熒光檢查，檢查所有被加工試件表面有無(wú)裂紋及其它缺陷，經(jīng)檢查，被加工件表面無(wú)裂紋。
3.1.2 表層金相分析
經(jīng)過(guò)對(duì)材料相同、加工方式各為常規(guī)加工和超聲波加工的兩組試樣的加工表面金相對(duì)比，在500 倍顯微鏡下進(jìn)行發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波加工的試樣表面組織較常規(guī)加工細(xì)密[5]。
3.1.3 耐腐蝕性檢查
經(jīng)過(guò)對(duì)材料相同、加工方式各為常規(guī)加工和超聲波加工的兩組的加工表面用5%稀鹽酸20℃室溫下進(jìn)行耐腐蝕性檢查，在稀鹽酸中浸泡4h，目視檢查發(fā)現(xiàn)超聲波加工的試樣表面腐蝕程度小，證明經(jīng)過(guò)超聲波表面光飾加工的試件有較高的耐腐蝕性。
3.2 試件表面處理
3.2.1 硬陽(yáng)極化（對(duì)2D12）
對(duì)材料為2D12 的兩組試樣進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理至硬陽(yáng)極化層厚度為（50～60）μm，化后進(jìn)行的外觀質(zhì)量檢查，對(duì)試樣各20 件進(jìn)行100%質(zhì)量檢查，結(jié)果為：（1）兩組試樣膜層均勻完整，沒(méi)有膜層疏松、電燒傷及過(guò)腐蝕現(xiàn)象；（2）膜層硬度均大于250HV。
3.2.2 鍍硬鉻（對(duì)LC9）
兩組試樣鍍后外觀檢查，鍍層無(wú)分層、脫落現(xiàn)象，在整個(gè)表面上粗糙度可達(dá)Ra≤1.6μm，其中，經(jīng)超聲波加工后的試樣表面粗糙度可達(dá)Ra≤0.8μm。（1）兩組試樣鍍層厚度均勻。（2）兩組試樣鍍層結(jié)合力相近，且符合HB 5041 的規(guī)定。
3.3 鍍（化）后加工
材料為2D12 并進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化的兩組試樣在化后進(jìn)行了表面拋光加工以使表面粗糙度達(dá)到Ra≤0.1μm 的要求。加工過(guò)程中膜層均無(wú)脫落現(xiàn)象。材料為LC9 并進(jìn)行表面鍍鉻處理的兩組試樣在鍍后進(jìn)行外圓磨削加工，以使表面粗糙度達(dá)到Ra≤0.1μm 的要求。加工過(guò)程中鍍層均無(wú)脫落、起皮的現(xiàn)象[6]。
3.4 疲勞對(duì)比試驗(yàn)
每組試樣各10 件進(jìn)行同載荷、同頻率下的疲勞壽命對(duì)比。試驗(yàn)條件：（1）試驗(yàn)機(jī)：EHF-EG100KN 型電液司服疲勞試驗(yàn)機(jī)；（2）加載方式：軸向加載；（3）應(yīng)力比：R=0.1；（4）頻率：10Hz；（5）波形：正弦波；（6）試驗(yàn)溫度及環(huán)境：在室溫空氣中進(jìn)行。試樣的外形尺寸，如圖3 所示。
在疲勞試驗(yàn)之前，4 組試樣中各選大于3 件試樣進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，確定抗拉強(qiáng)度δb 值，取其平均值用于確定試驗(yàn)載荷，抗拉強(qiáng)度δb 試驗(yàn)結(jié)果，如表1 所示。
疲勞試驗(yàn)采用非對(duì)稱(chēng)循環(huán)，取應(yīng)力比R=0.1，應(yīng)力水平取0.65δb（該數(shù)據(jù)以前兩根試樣取0.6δb 時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果確定），試驗(yàn)頻率根據(jù)所用的疲勞試驗(yàn)機(jī)選用（10～15）Hz[7]，根據(jù)此，材料為LC9的試樣疲勞試驗(yàn)載荷計(jì)算為：
最大載荷：Pmax=0.65δb=0.65×571≈370.7MPa最小載荷：Pmin=0.1 Pmax=0.1×370.7=37.1MPa材料為2D12 的試樣疲勞試驗(yàn)載荷計(jì)算為：
最大載荷：Pmax=0.65δb=0.65×518.6≈337.6MPa最小載荷：Pmin=0.1 Pmax=0.1×337.6=33.8MPa經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)，得出試件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2 所示。
表中：X—對(duì)數(shù)平均值；S—標(biāo)準(zhǔn)方差；Cv—變異系數(shù)；N50—中值壽命。四組疲勞試驗(yàn)試樣斷口處疲勞源與斷裂形式大致相同，材料為2D12 并經(jīng)過(guò)超聲波表面光飾加工的試樣斷口圖片，如圖4所示。
3.5 壽命試驗(yàn)
針對(duì)LC9，使用某型飛機(jī)主系統(tǒng)液壓油箱活塞桿，該活塞桿材料為LC9，熱處理至CGS1 狀態(tài)，表面粗糙度Ra≤0.1μm，表面鍍硬鉻（40～60）mm。活塞桿簡(jiǎn)圖，如圖5 所示。試驗(yàn)內(nèi)容：經(jīng)超聲波表面光飾加工并鍍鉻的活塞桿裝入主系統(tǒng)液壓油箱，在室溫下進(jìn)行活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)500 次，常溫試驗(yàn)后進(jìn)行高溫100±5℃和低溫-45℃下的活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)各3000 次。先進(jìn)行高溫試驗(yàn)，后進(jìn)行低溫試驗(yàn)，在進(jìn)行高溫每1000 次后，進(jìn)行一次低溫和常溫的氣密性檢查，應(yīng)密封。試驗(yàn)后分解檢查活塞桿應(yīng)無(wú)損傷、無(wú)變形，鍍層無(wú)脫落現(xiàn)象[8]。被試件受力狀況：每往復(fù)一次，活塞桿在液壓力的作用下尺寸Φ36f7處受到F=15300N 和F=365～700N 各一次的交變載荷。試驗(yàn)結(jié)果：常溫及高低溫壽命試驗(yàn)后油箱密封性檢查性能合格，壽命試驗(yàn)后分解檢查活塞桿無(wú)損傷，無(wú)變形，Φ36f7 表面鉻層無(wú)脫落現(xiàn)象。
4 結(jié)論
（1） 超聲波表面光飾加工是對(duì)金屬零件表面進(jìn)行無(wú)研磨劑的研磨和微小變形處理，使金屬零件表面達(dá)到更理想的表面粗糙度要求。（2）超聲波表面光飾加工使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高表面的顯微硬度、耐磨性及耐腐蝕性。（3）經(jīng)過(guò)超聲波表面光飾加工的鋁合金試件表面硬質(zhì)陽(yáng)極氧化和鍍鉻后，鍍（化）層質(zhì)量不低于常規(guī)加工的試樣。（4）經(jīng)過(guò)超聲波表面光飾加工的試件疲勞壽命有較大幅度的提高。（5）超聲波表面光飾加工技術(shù)可代替常規(guī)加工完成鋁合金零件光飾表面的加工。
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