超聲振動輔助滾壓參數(shù)對鈦合金表面殘余應(yīng)力的影響

蘇 豪，沈?qū)W會，鞏賢宏，師亞龍

（ 齊魯工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，山東濟南250353 ）

鈦合金是一種輕質(zhì)高強度耐蝕結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。 高強合金的主要弱點在于其疲勞強度對應(yīng)力集中敏感，而鈦合金對劃傷、裂紋等表面缺陷更加敏感，污染、刀痕、劃傷、腐蝕等表面缺陷都能導(dǎo)致疲勞裂紋萌生或擴展，進而造成零件疲勞斷裂[1]。 疲勞是一種表面敏感特性，據(jù)統(tǒng)計[2]，在疲勞失效中，80%以上的裂紋始于諸如切削加工刀痕、劃傷、組織損傷、潛伏在表面和亞表面的缺陷造成的應(yīng)力集中處，表面缺陷造成的局部應(yīng)力集中值疊加在疲勞載荷上，大幅加速了裂紋的萌生并降低了疲勞壽命。 一言以蔽之，表面完整性決定了構(gòu)件的疲勞性能。

超聲振動輔助滾壓表面強化技術(shù)[3]是通過滾壓工具頭沿著表面法線方向給材料施加一定幅度的超聲頻機械振動，實現(xiàn)靜壓力和超聲沖擊振動協(xié)同作用于被加工材料表面，并利用金屬材料在常溫狀態(tài)下的冷塑性特點使材料產(chǎn)生彈塑性變形，從而達(dá)到表面同時拋光和強化的工藝效果。 該技術(shù)已被大量研究證明是可有效提高金屬構(gòu)件表面完整性的強化處理工藝[4-6]。 超聲振動輔助滾壓工藝是通過材料晶粒納米化[7-8]和位錯增值[9]機理，在材料表面產(chǎn)生梯度硬化層。 大量前期研究證明，與無振動普通滾壓加工工藝相比，超聲振動輔助滾壓工藝效果更加顯著[10-13]。 比如：普通滾壓強化后，螺紋根部的表面粗糙度值為Ra0.106 μm； 施加21 kHz 超聲振動后，其表面粗糙度值減至Ra0.051 μm[14]；與普通滾壓工藝相比，增加20.4 kHz 的超聲振動后，強化構(gòu)件表面的硬度值提高了24%[3]。

實驗測量往往只能獲得被處理材料表面殘余應(yīng)力數(shù)值，無法準(zhǔn)確得到沿著改性層深度方向的應(yīng)力變化，更無法獲得瞬態(tài)的應(yīng)力分布情況。 本文以Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si（TC11）型鈦合金材料為研究對象，采用有限元分析和實驗研究相結(jié)合的方法，基于與普通滾壓工藝的對比，對超聲振動輔助滾壓強化鈦合金表面殘余應(yīng)力場進行了分析。

1 實驗裝置與方法

本研究基于普通車床完成。 如圖1 所示，整個超聲滾壓強化裝置由電子控制系統(tǒng)、 冷卻潤滑系統(tǒng)、滾壓刀具三部分組成。 其中，電子控制系統(tǒng)可產(chǎn)生超聲頻率交流電信號，保證加工過程中振動頻率穩(wěn)定；冷卻潤滑系統(tǒng)通過一套潤滑油液壓系統(tǒng)完成加工過程中的冷卻和潤滑；滾壓刀具從內(nèi)到外有三層結(jié)構(gòu)，分別是超聲振子、套筒和外殼，該滾壓刀具可通過刀架固定在車床上， 其套筒套裝于外殼內(nèi)孔，可沿內(nèi)孔自由滑動，且滾壓工具頭為球形滾珠，安裝于一個滾珠座內(nèi)，可在滾壓過程中自由轉(zhuǎn)動。

該實驗裝置可產(chǎn)生28 kHz 的振動頻率，振幅范圍為0～20 μm。實驗選用的滾珠材料為硬度92HRA的硬質(zhì)合金，工件材料的化學(xué)成分見表1，實驗工藝參數(shù)見表2。 實驗將加工后的工件放入丙酮溶液中進行超聲清洗，并用Xstress 300 應(yīng)力分析儀測量工件的表面殘余應(yīng)力值，對每個工件測試10 個點，取平均值作為測量值。

表1 TC11 鈦合金化學(xué)成分

表2 工藝參數(shù)

2 有限元模型建立與分析

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

為了保證有限元分析的計算精度，實驗時從工件上沿著棒料圓周加工方向提取尺寸6 mm×6 mm×3 mm 的長方體（忽略曲面曲率），以此作為有限元分析的幾何模型（圖2）。 鑒于滾壓工具頭的硬度遠(yuǎn)大于工件硬度， 將滾壓頭設(shè)為半徑3 mm 的球形解析剛體； 有限元模型前表面設(shè)置為對稱約束表面，以便觀察瞬態(tài)的應(yīng)力分布結(jié)果。

工件模型采用帶沙漏剛度控制的八節(jié)點線性減縮積分單元（C3D8R）來劃分網(wǎng)格，緩解因材料塑性不可過度壓縮導(dǎo)致的網(wǎng)鎖問題。 選擇最小單元尺寸為18 μm，為兼顧計算效率逐漸向邊界過渡為較粗的網(wǎng)格。被處理件的總單元數(shù)為143 565 個，其中細(xì)化區(qū)域單元數(shù)為25 500 個。為避免應(yīng)力波邊界反射對模擬結(jié)果的影響，在模型表層包覆一層半無限單元格（圖2b）。

2.2 材料模型

在超聲振動輔助滾壓強化工藝中，被處理材料的表面層及近表面層會發(fā)生劇烈的塑性變形，材料的屈服強度也會隨著應(yīng)變速率的變化而變化，因此要選擇可同時描述應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和溫度軟化的John－Cook 材料本構(gòu)模型，其方程式為：

式中：A為材料的屈服強度；B為應(yīng)變硬化常數(shù)；C為應(yīng)變速率常數(shù)；n為硬化率；m為熱軟化常數(shù)；ε為等效塑性應(yīng)變；ε*為應(yīng)變速率；ε*0為參考應(yīng)變速率；Tm為材料熔點溫度；Tr為室溫。

在強化處理工藝過程中應(yīng)采用潤滑油進行潤滑兼顧降溫。 實測強化過程中的溫度變化范圍為30～40 ℃。 忽略溫度變化影響，式（1）可簡化為：

材料相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見表3。

3 結(jié)果與討論

如圖3 所示，仿真分析結(jié)果與實驗結(jié)果一致性良好，證明了仿真模型的準(zhǔn)確性和仿真分析結(jié)果的可靠性。 由圖3 可看出，隨著靜壓力增加，試樣表面殘余應(yīng)力呈總體增大趨勢。 值得注意的是，與普通無振動滾壓工藝相比，試樣表面殘余應(yīng)力值隨著靜壓力增大的趨勢在450～750 N 區(qū)間的情況比在150～450 N 區(qū)間更加明顯， 同時表面殘余應(yīng)力值在150～450 N 區(qū)間內(nèi)并非是明顯的壓應(yīng)力。

表3 材料力學(xué)性能參數(shù)表

針對該現(xiàn)象，可結(jié)合圖4（顯示兩種不同工藝條件下殘余應(yīng)力沿深度方向的變化）和圖5（顯示兩種不同工藝條件下材料內(nèi)部的瞬態(tài)應(yīng)力分布云圖）分析如下：增加外激超聲頻率振動后，滾壓頭對工件表面的作用力由靜壓力變?yōu)楦哳l率波動的沖擊力，該力的作用形式的改變使?jié)L壓強化過程中應(yīng)力波在材料內(nèi)部呈振動傳播， 并向材料縱深不斷擴散，這一方面增加了改性層的深度，另一方面也使應(yīng)力值變大且最大應(yīng)力沒有發(fā)生在材料表面，而是發(fā)生在距離表面一定深度的近表面。 如圖4 所示，殘余壓應(yīng)力值隨著深度增加先增大后減小，且在距離表面約600 μm 時趨于0。

圖6 是在不同靜壓力下，殘余應(yīng)力值隨影響層深度的變化情況。 最大殘余壓應(yīng)力值和表面殘余應(yīng)力值都隨著靜壓力的增大而顯著增大；當(dāng)靜壓力為750 N 時， 最大殘余壓應(yīng)力值比150 N 時增大了約2.5 倍； 表面殘余應(yīng)力在150 N 靜壓力下表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，但在750 N 靜壓力下則表現(xiàn)為-170 MPa的殘余壓應(yīng)力。 分析結(jié)果表明：在實驗范圍條件下，靜壓力是殘余應(yīng)力的顯著影響因子之一，較大的靜壓力會使材料發(fā)生更劇烈的塑性變形，同時系統(tǒng)能量增加、殘余壓應(yīng)力數(shù)值增大。

圖7 是在不同振幅條件下，殘余應(yīng)力值隨著影響層深度變化的情況。 可見，當(dāng)振幅為0 時（普通滾壓），殘余壓應(yīng)力的影響層厚度約為200 μm。 而在三種振動條件下，殘余壓應(yīng)力的影響層厚度均約為600 μm。對比三種振幅條件可知，隨著振幅增加，最大殘余壓應(yīng)力增加、殘余壓應(yīng)力層深度減小，然而該變化趨勢并不顯著，經(jīng)分析得知振幅對殘余應(yīng)力影響不顯著，故在其他參數(shù)不變的條件下，單純地改變振幅，對滾壓頭材料表面的沖擊力影響不大。

圖8 是在不同主軸轉(zhuǎn)速條件下，殘余應(yīng)力值隨著影響層深度變化的情況。 可見，主軸轉(zhuǎn)速對殘余應(yīng)力影響顯著。 隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，最大殘余壓應(yīng)力值明顯單調(diào)增加，而最大殘余壓應(yīng)力層深度逐漸減小， 在轉(zhuǎn)速400 r/min 時最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在材料表層而不是近表層。 對該現(xiàn)象分析可知：在振動頻率一定的條件下，主軸轉(zhuǎn)速增加，單位時間內(nèi)振動次數(shù)減少，材料單位面積內(nèi)接受振動沖擊次數(shù)也減少，由外激振動產(chǎn)生的振動松弛效果減弱，并表現(xiàn)為滾壓加工過程中應(yīng)力波在材料內(nèi)部傳播的深度減小，更多的塑性應(yīng)變累積于材料表面，材料次表面更多的表現(xiàn)為彈性變形， 因此隨著轉(zhuǎn)速增加，盡管最大殘余壓應(yīng)力值增大，但影響層深度減小。

4 結(jié)論

（1）本文以TC11 材料為研究對象，通過實驗研究了超聲振動輔助滾壓強化材料表面殘余應(yīng)力情況；建立了有限元分析模型，對滾壓強化工藝的殘余應(yīng)力場進行了微觀瞬態(tài)分析。 有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果一致性良好。

（2）與普通滾壓最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)于材料表面不同，超聲振動輔助滾壓強化后的最大殘余壓應(yīng)力值出現(xiàn)在近表面層。 在實驗參數(shù)條件下，超聲振動輔助滾壓強化后， 材料近表面會產(chǎn)生厚度約為600 μm 的殘余壓應(yīng)力影響層，距離表面約200 μm處會出現(xiàn)最大殘余壓應(yīng)力值。

（3）與普通滾壓相比，超聲振動輔助滾壓可改變滾壓頭和材料表面接觸力的作用方式，使應(yīng)力波沿著材料深度方向動態(tài)傳播，從而產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力影響層，并導(dǎo)致壓應(yīng)力層下移。

（4）在實驗參數(shù)條件下，最大殘余壓應(yīng)力值和表面殘余應(yīng)力值都隨著靜壓力的增大而顯著增大；隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，最大殘余壓應(yīng)力值明顯單調(diào)增加，而最大殘余壓應(yīng)力層深度逐漸減??；振幅對殘余應(yīng)力場的影響并不顯著。