TC4鈦合金搖臂表面完整性研究

李業(yè)欣，張銀東，張鑫佳（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機有限公司，沈陽 110043）

TC4鈦合金搖臂表面完整性研究

李業(yè)欣，張銀東，張鑫佳
（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機有限公司，沈陽 110043）

本研究采用航空發(fā)動機TC4搖臂件為研究對象，對其開展振動光飾和噴丸強化，研究對比了零件的表面毛刺、刀痕波紋、棱角倒圓、表面粗糙度、表面殘余壓應(yīng)力水平的變化，分析了兩種不同工藝對零件表面完整性的影響。結(jié)果表明:噴丸強化和振動光飾均能提高零件的表面殘余壓應(yīng)力，且效果顯著；振動光飾能有效降低零件的表面粗糙度，提高表面光度，但功效與工藝中的磨粒大小、形狀和時間有關(guān)；合理的噴丸強化和振動光飾對提高零件的表面完整性有明顯作用。

振動光飾；噴丸強化；表面殘余應(yīng)力；疲勞壽命；表面完整性

0　引言

許多零件的破壞往往起源于零件的表面缺陷，機械加工零件的表面質(zhì)量直接影響著零件的使用，如果不及時進行表面質(zhì)量控制將會嚴(yán)重影響其性能［1］。研究發(fā)現(xiàn)，許多零件結(jié)構(gòu)的損壞都是從表面之下幾十μm的范圍內(nèi)開始［2］，這表明該范圍內(nèi)的材質(zhì)和物理力學(xué)性能變化對零件使用性能和疲勞壽命的影響與表面形貌特征對它們的影響同樣重要。隨著機械加工行業(yè)的發(fā)展，表面完整性問題日益引起人們的高度重視，并作為故障分析中的重要關(guān)注因素之一。早在20世紀(jì)70年代初，F(xiàn)ield［3］概述了當(dāng)時加工零件所面臨的諸多表面完整性問題，并強調(diào)傳統(tǒng)或非傳統(tǒng)加工工藝都將使金屬零件表面及表面層產(chǎn)生冶金學(xué)的轉(zhuǎn)變，諸如塑性變形、微觀裂紋、材料相變、顯微硬度、撕裂和褶皺、殘余應(yīng)力分布等表面完整性特征，都是典型的表面冶金學(xué)轉(zhuǎn)變的結(jié)果。Henriksen［4］研究了關(guān)于機械加工零件表面完整性中殘余應(yīng)力特征，認(rèn)為零件表面殘余應(yīng)力的大小是影響其疲勞強度的最主要因素；不久之后，Colewell等［5］進行了確定殘余應(yīng)力特征大小的試驗研究。零件“表面完整性”已被工業(yè)發(fā)達(dá)國家用于生產(chǎn)中，評價和控制關(guān)鍵零件在制作過程中表面狀況和性能的變化的關(guān)鍵指標(biāo)［6］。

表面完整性反映了表面狀態(tài)（如表面形貌、表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力等）的良好程度，表面質(zhì)量對疲勞性能有很大影響，零件表面有劃傷或表面光潔度較差，都會導(dǎo)致疲勞強度的降低［7］。鈦合金的銑削加工中表面層的變化有熱影響區(qū)、表面粗糙度、塑性變形、積屑瘤引起的撕裂、摺疊和裂紋等缺陷、顯微裂紋。噴丸強化技術(shù)［8］是一種具有雙刃劍特點的表面改性方法，既包括有利于提高材料疲勞性能的因素（如表面引入殘余壓應(yīng)力），同時也包括不利于材料疲勞抗力的因素（如表面粗糙度增大、表面產(chǎn)生損傷性缺陷等）。振動光飾［9］是一種應(yīng)用廣泛的、高效的表面精整工藝，適用于處理尺寸公差小、表面精度要求高的零件，不僅可以去除機加工零件的表面毛刺、棱角倒圓、降低表面粗糙度，解決了原來的手工加工難度大、局部無法進行手工打磨、難以保證加工質(zhì)量等問題，同時還能夠在零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，改善零件的表面殘余應(yīng)力分布，以提高零件的抗疲勞性能。

本研究以航空發(fā)動機TC4鈦合金搖臂件作為研究對象，在一次振動光飾的基礎(chǔ)上對零件進行噴丸強化處理，再進行二次振動光飾對零件表面進行光整，對零件加工前后的表面和棱角形貌、表面粗糙度以及表面殘余應(yīng)力等內(nèi)容進行測試，分析不同工藝在去除表面紋理、棱角倒圓質(zhì)量、表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力水平等方面的影響。通過研究振動光飾和噴丸工藝對零件表面完整性的影響，引起人們對機加工所產(chǎn)生的表面完整性因素變化的重視，具有非常重要的工程應(yīng)用意義。

1　試驗方法

1.1試驗材料和工藝

試驗用搖臂件結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料為TC4鈦合金，選取3個搖臂件共進行4種工藝試驗。

圖1　TC4搖臂件結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of TC4 alloy rocker

第一種工藝為初始工藝狀態(tài)，即線切割后手工打磨去除重熔層及棱角倒圓工藝；第二種工藝為在初始工藝狀態(tài)上增加第一次振動光飾工藝；第三種工藝為在第一次振動光飾后增加噴丸強化工藝；第四種工藝為在噴丸強化后增加第二次振動光飾工藝。

在BJG-LL05光整設(shè)備上進行振動光飾試驗，在DPW10帶式噴丸機上進行表面噴丸強化試驗。第一次振動光飾工藝參數(shù)為:磨料為菱形（中），轉(zhuǎn)速為300 r/min，電機功率為1.5 kW，時間為50 min；噴丸強化工藝參數(shù)為:玻璃丸規(guī)格為BZ25，壓強為0.2 MPa，弧高值為0.186 N，覆蓋率為100%，帶速為12 mm/s；第二次振動光飾工藝參數(shù)為:磨料為菱形（中），轉(zhuǎn)速為300 r/min，電機功率為1.5 kw，時間為35 min。

1.2表面分析及測試

試驗件的表面和棱角形貌采用OLYMPUS DP72型金相顯微鏡進行觀察。表面粗糙度測量設(shè)備為觸針式輪廓儀，每個試驗件選取2點進行測試。表面殘余應(yīng)力測試設(shè)備為PROTO LXRD -X射線應(yīng)力分析儀，測定條件:靶材為CuKα，衍射晶面（302），準(zhǔn)直器直徑φ2 mm，每個零件選取正反面各2點進行測試。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1表面和棱角形貌

對初始工藝狀態(tài)、第一次振動光飾、噴丸強化和第二次振動光飾零件的表面和棱角形貌用光學(xué)顯微鏡放大進行觀察對比，如圖2所示。由圖2可以看出，初始工藝狀態(tài)表面紋理粗糙連續(xù)，方向性明顯，棱角倒圓不均勻；第一次振動光飾后表面細(xì)化不連續(xù)，方向性淡化，仍可見少量的殘余表面紋理，棱角倒圓較均勻、光滑；噴丸強化后表面可見明顯的噴丸痕跡，仍有少量殘余表面紋理，棱角倒圓形貌未改變，光潔度略有降低；第二次振動光飾后殘余表面紋理基本消除，噴丸痕跡有所減弱，棱角倒圓較均勻，光潔度有所提高。

振動光飾工藝可以最大程度地消除表面殘余紋理，但在實際應(yīng)用中振動光飾后的表面質(zhì)量與光飾工藝選取的磨粒形狀、大小及時間有關(guān)，并且振動光飾后仍會使零件表面仍會殘留少量的表面紋理，這種表面紋理對零件的抗疲勞性能會產(chǎn)生不利的影響。

2.2表面粗糙度

對初始工藝狀態(tài)、第一次振動光飾、噴丸強化和第二次振動光飾零件的表面形貌進行測量、對比。測得不同狀態(tài)的表面粗糙度Ra（圖3），平均值分別為:初始工藝狀態(tài)1.54 μm，第一次振動光飾0.94 μm，噴丸強化1.15 μm，第二次振動光飾0.95μm。粗糙度測量結(jié)果顯示，初始工藝狀態(tài)的零件表面粗糙度較高，第一次振動光飾后初始表面粗糙度值平均降低0.5 μm左右，噴丸強化后表面粗糙度值有所增加，但沒有增加到原始狀態(tài)，第二次振動光飾后表面粗糙度降低至第一次振動光飾后的水平。結(jié)果表明，振動光飾能夠顯著降低表面粗糙度，大幅度提高零件的表面質(zhì)量。

圖2　零件表面和棱邊形貌比較Fig.2　Appearance contrast of plane and edge

圖3　表面粗糙度比較Fig.3　Comparison of surface roughness

2.3表面殘余應(yīng)力

對初始工藝狀態(tài)、第一次振動光飾、噴丸強化和第二次振動光飾零件的表面形貌進行測試、對比。測得不同狀態(tài)的表面殘余應(yīng)力（圖4），平均值分別為:初始工藝狀態(tài)-459.21 MPa，第一次振動光飾-528.17 MPa，噴丸強化-632.06 MPa，第二次振動光飾-635.62 MPa。

圖4　表面殘余應(yīng)力比較Fig.4　Comparison of surface residual stress

表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果顯示:初始工藝狀態(tài)的零件表面殘余應(yīng)力值為壓應(yīng)力，經(jīng)過第一次振動光飾后，零件表面殘余壓應(yīng)力值增大，并且應(yīng)力分布狀態(tài)趨勢平緩；噴丸強化后表面殘余壓應(yīng)力增加較大；第二次振動光飾后表面殘余應(yīng)力變化不大。振動光飾工藝使零件表面產(chǎn)生微小的擠壓塑性變形，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力較低；而噴丸工藝是靠彈丸打擊零件表面，使零件表面造成大弧度的擠壓塑性變形，從而產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。

2.4零件疲勞壽命

對初始工藝狀態(tài)（第一組）、第一次振動光飾工序（第二組）、第二次振動光飾工序（第三組）的3種工藝后TC4搖臂件進行對應(yīng)的分組疲勞壽命測試，結(jié)果見表3，對比曲線見圖5。從測試結(jié)果可以看出，第二組試件疲勞壽命平均提高5倍，第三組試件疲勞壽命平均提高16倍以上。試件在420 MPa交變應(yīng)力振動載荷作用下，以振動頻率為900 Hz計算疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，疲勞壽命從1.25×106提高到2×107以上。

表3　疲勞壽命測試Table 3　Results of fatigue life　min

圖5　疲勞壽命對比曲線圖Fig.5　Comparison of fatigue life

3　結(jié)論

1）噴丸強化和振動光飾均能提高零件的表面殘余壓應(yīng)力，且效果顯著。

2）振動光飾會明顯降低零件的表面粗糙度。

3）噴丸強化后加上適當(dāng)?shù)恼駝庸怙椆に?，可以顯著提高TC4鈦合金搖臂件的表面完整性，從而提高疲勞壽命。

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Study on Improvement of Surface Integrity of TC4 Titanium Alloy Rocker

LI Ye-xin，ZHANG Yin-dong，ZHANG Xin-jia
（AVIC Shenyang Liming Aero-Engine Group Co.，Ltd.，Shenyang 110043，China）

Vibration polishing and shot peening were carried out on TC4 alloy rocker，and the change of surface burr，ripple of tool marks，sharp edges rounding，surface roughness and residual stress were investigated.Finally，the effect of the two different processing methods on surface integrity of TC4 alloy rocker was analyzed.The results reveal the residual stress can be significantly increased by shot peening and vibration polishing.The roughness can be effectively reduced by the vibration polishing，but the effect is related to the size and shape of grains as well as processing time.The surface integrity of TC4 alloy rocker can be improved by reasonable shot peening and vibration polishing.

vibration polishing；shot peening；residual stress；fatigue life；surface integrity

TH161.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.01.010

1673-6214（2016）01-0047-04

2015年11月5日

2016年1月20日

李業(yè)欣（1979年-），女，碩士，高級工程師，主要從事理化檢測及分析等方面的研究。