A100鋼外螺紋橢圓超聲滾壓強化試驗研究

孫 鑫, 張德遠, 程明龍 , 李瑞峰, 張文光 , 陳雪梅

（1.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司液壓件廠，成都 610092；3.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司制造工程部，成都 610092）

A100鋼具有超高強度、高斷裂韌度和很好的塑性和抗應(yīng)力腐蝕開裂等優(yōu)良性能，在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注并倍受設(shè)計師的青睞，已在航空工業(yè)逐步用于制造飛機重要承力構(gòu)件，如飛機起落架主承力螺紋構(gòu)件等[1-2]。起落架外螺紋車削成形后，存在表面質(zhì)量不高，且壽命較低等問題。對螺紋進行強化處理，可以提高螺紋的疲勞極限，延長疲勞壽命。

目前，工程上螺紋強化主要使用的工具為滾輪，在工件旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，給滾壓工具一個合理的進給量或一定的擠壓力對螺紋進行強化[3]。為了使效果明顯，將滾輪的截面設(shè)計成與螺紋根部圓角和螺紋升角相同。國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用該方法進行了一些工藝試驗研究，主要針對普通高強度鋼（如30CrMnSiNi2A、300M鋼等）進行螺紋滾壓強化試驗，結(jié)果表明滾壓強化后疲勞強度極限有所提高[4-6]。

隨著對超聲加工技術(shù)不斷深入研究，已有一些學(xué)者將超聲振動引入到表面強化工藝，形成一種新的表面強化技術(shù)[7-10]，即超聲表面強化技術(shù)。在傳統(tǒng)的表面強化工藝基礎(chǔ)上，對刀具或者待加工件施加超聲振動，可以實現(xiàn)超聲技術(shù)和傳統(tǒng)表面強化技術(shù)的優(yōu)勢互補，進一步提高了強化效果和效率。

本文將超聲橢圓振動滾壓技術(shù)應(yīng)用到外螺紋強化工藝中，設(shè)計橢圓超聲滾壓強化裝置，進行螺紋超聲滾壓強化前后殘余壓應(yīng)力、表面硬度、表面粗糙度和疲勞壽命的對比試驗。

1 滾壓強化試驗

1.1 試驗材料

A100是一種新型高Co二次硬化超高強度鋼，類似美國的AerMet100，以C、Cr和Mo作為強化元素, 具有高斷裂韌性和高拉伸強度[11-12]，屬于典型難加工材料，主要用于代替300M等低合金超高強度鋼制造飛機關(guān)鍵受力件，其化學(xué)成分如表1所示。

外螺紋疲勞試件如圖1所示，其外徑為44mm，長度為115mm，單邊螺紋長度為31mm，螺紋壁厚3mm，螺紋規(guī)格為MJ44×1.5-4g6g（圖1）。

表1 A100鋼化學(xué)成分 %

圖1 外螺紋試驗件Fig.1 Test piece of external thread

1.2 試驗方案

1.2.1 超聲滾壓裝置

外螺紋超聲滾壓強化系統(tǒng)主要包括超聲電源和滾壓強化裝置。其中，滾壓強化裝置包括超聲換能器、滾壓輪及其支撐緊固部分，具有柔性加載、自適應(yīng)對刀等特殊功能。超聲滾壓強化試驗在CA6140上進行。

1.2.2 滾壓輪

滾壓輪的材料選用高硬質(zhì)合金，通過調(diào)節(jié)Co、Ti、W等成分比例，獲得最佳抗彎強度和硬度匹配。滾輪圓弧半徑為0.245mm，滾輪直徑為25mm，型面角為54°。滾輪及強化原理如圖2所示。

圖2 滾壓原理示意圖Fig.2 Principle diagram of rolling

1.2.3 螺紋性能檢測方法

殘余應(yīng)力檢測由X-350A型X射線應(yīng)力分析儀測定，測試條件為Cr靶材，測量方法為側(cè)傾固定法，定峰方法采用半寬高法。

螺紋牙底硬度檢測采用HVT-1000Z系列維氏硬度計，加載載荷為200g，載荷保持時間為12s。

粗糙度檢測采用3D白光干涉表面形貌儀，重復(fù)精度絕對誤差值為1nm，側(cè)向精度為0.11～8.8μm。

疲勞壽命試驗在MTS810.50試驗機上進行，加載方式為軸向正弦波，試驗頻率為10Hz，應(yīng)力比為0.1，最大載荷為646MPa。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力

表2所示給出了A100鋼超聲滾壓與未滾壓的螺紋牙底殘余應(yīng)力測試結(jié)果?？梢钥闯觯簲D壓前后螺紋牙底表層均呈壓應(yīng)力狀態(tài)，滾壓前牙底最大軸向應(yīng)力均值為-302MPa。超聲振動擠壓后，牙底最大軸向應(yīng)力均值為-523MPa，比相對擠壓前提高73%。

表2 試件軸向應(yīng)力測量結(jié)果

在金屬切削加工過程中，切除的金屬從鈍圓部分流出時，不僅受到刀具對已加工面的擠壓作用，還受到工件內(nèi)部對其抵抗作用，會沿著刀具切削刃方向以及沿著切削方向塑性流動，這時在已加工表面層會發(fā)生延展現(xiàn)象。以工件里層的彈性變形為主，并制約著表層的延展，從而使得工件表層形成殘余壓應(yīng)力，里層形成殘余拉應(yīng)力[13]。因此，強化前A100鋼牙底表層呈壓應(yīng)力。超聲滾壓后的螺紋件的牙底表面殘余應(yīng)力是由表層金屬的塑性變形引起的，且滾壓后為塑性壓縮，所以螺紋牙底表層產(chǎn)生了較高的殘余壓應(yīng)力。

2.2 硬度

超聲滾壓強化后，螺紋牙底表層金屬在塑性變形過程中，會伴隨著冷作硬化，使得表面硬度有所提高。從圖3可以看出，距離牙底表面550μm為未強化區(qū)域，其顯微硬度最大為HV580，超聲滾壓強化后最大達到HV652，與之相比提高了12.4%。

超聲振動使?jié)L輪有規(guī)律敲擊螺紋牙底表面，可以使工件表面產(chǎn)生顯著晶粒細化，加大了滑移面的制動作用，另外這種超聲頻率的敲擊還會在滑移面上產(chǎn)生碎塊組織，加大繼續(xù)沿該面的滑移的阻力，這兩點可以使表面硬化得到加強。

圖3 強化后螺紋牙底硬度Fig.3 Root hardness of strengthened thread

2.3 粗糙度

超聲滾壓強化金屬工件表面是一種脈沖式的連續(xù)壓力光整加工。如圖4所示，擠壓前的螺紋牙底粗糙度均值為320nm，滾壓強化后均值達到150nm，粗糙度值降低53%。結(jié)果表明，超聲滾壓強化后，螺紋牙底表面粗糙度等級有較大提高。

圖4 滾壓后牙底表面粗糙度Fig.4 Root surface roughness after rolling

在滾壓強化過程中，工件表層金屬的變形情況如圖5所示。工件表面的A段是已經(jīng)滾壓強化過的表面；B段是滾輪與工件表面的接觸區(qū)；C段為由工具頭對金屬層的擠壓作用所形成的堆積凸起；D段為工件的待滾壓強化表面。

圖5 擠壓強化過程中螺紋牙底表層變形Fig.5 Surface deformation of thread in the process of extrusion strengthening

傳統(tǒng)滾壓強化工藝中，刀具始終與金屬工件接觸，對其表面進行連續(xù)滾壓強化，或是工藝參數(shù)選擇不很適當(dāng)，連續(xù)滾壓一段時間后區(qū)域C的金屬層會堆積得越來越高，從而使得擠壓狀況發(fā)生了根本性變化。此時刀具除了滾壓強化作用外，也會象帶有負前角車刀一樣，切削C段金屬層，使工件表面質(zhì)量嚴重下降，這就是擠壓強化過程中的切刮現(xiàn)象[14]。加入超聲振動后，滾壓強化變成非連續(xù)加工，即滾輪與工件表面時而接觸，時而分離，像小錘一樣均勻有規(guī)律地敲打工件表面，使得滾輪與工件接觸區(qū)前面的C段金屬層不會堆積凸起過高，大大減少了振動擠壓過程中產(chǎn)生切刮現(xiàn)象的可能性。

超聲滾壓強化利用金屬冷塑性特性，對待加工工件表層金屬施加一定的擠壓力，使其產(chǎn)生塑性流動，將工件表面原有的微觀波峰熨平，從而提高工件的表面質(zhì)量[14]。超聲滾壓時，滾輪不是始終壓在工件上，是非連續(xù)接觸，摩擦力較小，因此不會出現(xiàn)擠壓工具頭與工件表面金屬的粘接現(xiàn)象。圖6所示的是超聲振動滾壓強化前后螺紋牙底的表面微觀照片。

2.4 疲勞壽命

從圖7可以看出，在同一應(yīng)力（600MPa）水平下，超聲滾壓外螺紋的疲勞壽命比車削螺紋的疲勞壽命提高5倍。結(jié)果表明，對螺紋進行表面超聲滾壓可以顯著改善螺紋的疲勞性能，提高疲勞壽命。

超聲滾壓強化后，螺紋牙底表面引入了較高的殘余壓應(yīng)力, 研究表明,殘余壓應(yīng)力對材料的疲勞極限和裂紋擴展有著重要影響[3，15-16]。根據(jù)裂紋閉合模型[17-18]，工件在疲勞壽命試驗前就存在殘余壓應(yīng)力，可以增強裂紋閉合效應(yīng),從而降低裂紋擴展速率。另外滾壓強化后螺紋表面變得平整,表面粗糙度降低，且裂紋源減少,有利于抑制疲勞裂紋從螺紋表面萌生或擴展，從而對疲勞性能也有一定作用[19-20]。

圖6 螺紋牙底表面形貌Fig.6 Thread root surface topography

圖7 試件的疲勞壽命Fig.7 Fatigue life of the specimens

3 結(jié)束語

超聲滾壓強化可以有效提高A100鋼外螺紋綜合性能，主要體現(xiàn)在：

（1）超聲滾壓強化后，牙底表面引入較大殘余壓應(yīng)力，比未滾壓前提高了70%。

（2）超聲滾壓強化后，距牙底表層500μm的區(qū)域內(nèi)硬度均有所提高，且最大提高約12%。

（3）超聲滾壓強化后，螺紋牙底表面質(zhì)量提高，粗糙度降低50%左右，裂紋源減少。

（4）超聲滾壓強化后，牙底表面裂紋源減少，粗糙度降低，且引入較大的殘余壓應(yīng)力，使得最終疲勞壽命提高了5倍。

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