超声滚压参数对TC4钛合金表面完整性的影响

王一，刘俨后，王德辉，韩金国，田业冰，尹建华

(1.山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255000；2.山东省精密制造与特种加工重点实验室，山东淄博 255000；3.山东聚亿能智能科技有限公司，山东潍坊 261000)

0 前言

TC4钛合金具有良好的耐腐蚀性、较高的比强度以及优异的生物相容性，在国防工业和民用工业中具有广阔的应用前景[1]。但是由于TC4钛合金存在硬度高、冲击韧性大、弹性模量小等缺点，导致TC4的机械加工性能较差，传统滚压加工容易产生表面损伤等问题[2]。探究如何加工才能有效提高钛合金的表面质量和服役寿命一直是人们关注的焦点。

超声辅助滚压强化作为一种新型的金属材料表面处理工艺，它利用滚压头在超声振动与静压力的共同作用下对金属表面进行低振幅、高频率的滚压强化[3]。金属表面晶粒细化的过程实质上是进行“剪切错动”的塑性变形过程[4]。超声辅助滚压强化利用大功率的能量推动冲击头以超高的频率冲击滚压金属物体表面，相比于传统加工方式实现了金属表面更大量的塑性变形，细化分割了大尺寸晶粒，大大提高了零件表面的完整性[5-6]。同时超声辅助滚压强化设备安装更加简化、操作更加简单，可安装在机床、加工中心或机械手上，应用场景更加广泛[7]。

由于超声辅助滚压强化能够有效地改善零件表面机械性能，近年来国内外许多学者对它进行了大量的研究。BOZDANA、GINDY[8]分别使用普通滚压和超声深滚处理Ti-6Al-4V，发现经过超声深滚处理后的工件粗糙度、加工硬化程度、残余压应力和应力分布深度均更加出色；LUO等[9]研究了超声滚压对TC4钛合金表层组织和性能的影响，发现表面压缩残余应力分布规律与表面显微硬度分布规律相似，强化表层的晶粒尺寸减小，纹理类型发生变化；兰叶深等[10]对轴承内圈进行超声滚压加工试验，发现轴承内圈得到塑性强化，表层残余应力得到提高，且对其分布影响最大的加工参数是静压力，其次是主轴转速和进给量。

众多国内外学者的研究已经证实超声辅助滚压强化能够有效地提高金属材料的表面完整性，但是缺少针对不同滚压工艺参数对材料表面完整性影响的系统性研究，因此本文作者采用正交试验研究4种不同工艺参数对超声辅助滚压强化TC4钛合金表面完整性的影响规律。

1 加工平台

此次试验使用的是山东聚亿能智能科技有限公司的SPR-EPU3经济型控制系统，该系统主要由控制柜、连接管路和超声滚压设备组成，如图1所示。

图1 超声辅助滚压强化系统机构示意

控制柜中集成安装了超声波发生设备、冷却润滑设备及压力调节设备，超声波发生设备能够将输入的220 V电压转化成高频振荡信号传递给超声滚压设备，同时对整套系统的工作状态进行控制；冷却润滑设备包括油箱和阀门管道，能够将储存的冷却油输送到超声滚压设备中以达到润滑冷却的效果，再通过回油阀将润滑油回收以便重复利用；压力调节设备利用调压阀调节作用到超声滚压头的空气压力，产生可调静压力以使滚压头压紧零件表面。连接管路主要由输油管、回油管、气管和电线等组成，起到将控制柜发出的控制信号和气液传递到超声滚压设备的作用。超声滚压设备安装在车床刀架上对试件表面进行加工，主要由超声换能器、变幅杆、滚压头等部分组成，其中超声换能器将输入的电功率转换成机械功率即超声信号传递给变幅杆；变幅杆能把机械振动的质点位移或速度放大，改变超声波振动幅度；滚压头有滚珠状和滚柱状，在进行高频振动冲击的同时滚压零件表面，达到表面强化和光整的效果。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料及性能参数

此试验被加工工件为TC4钛合金棒料，试件直径为20 mm，长度为1 000 mm，化学成分如表1所示。在进行超声辅助滚压强化之前对工件进行精车预处理，以消除圆柱度误差，提高加工质量。预处理后TC4钛合金试件表面粗糙度为1.431 μm，表面硬度为219.8HV。

表1 TC4钛合金的化学成分

2.2 试验参数值

通过多次单因素预试验总结出包括主轴转速、进给速度、静压力和加工次数在内的加工参数合理选择区间。其中主轴转速和进给速度由数控机床设定，静压力通过改变调压阀空气进量设定，最终正交试验参数如表2所示。超声系统将依据加工工况在加工过程中自动搜索频率，加工时输出频率稳定在22 kHz左右，输出振幅为8 μm左右。

表2 正交试验加工参数

2.3 试验方法

此试验使用数控车床搭载SPR-EPU3经济型控制系统对TC4棒料表面进行加工。此次试验设置四因素四水平共16组正交试验，每组试验参数加工40 mm，2组试验之间留有20 mm间隔余量，设置间隔主要为了便于后续的线切割以及防止加工面之间距离过近而产生干扰。试验所用的SPR-EPU3经济型控制系统使用直径和长均为10 mm的圆柱形硬质合金滚压头，为尽量减少高温对试验结果的影响使用机油与煤油3∶1混合使用的冷却液对工件进行润滑冷却，加工后使用慢走丝切割机对工件进行分段切割以便后续的表面完整性参数测量。使用奥林巴斯DSX1000高分辨率型数码显微镜观测试件表面微观形貌。使用势必锐JNSR800粗糙度仪测量工件表面粗糙度，使用圆锥型触针沿棒料直径方向即垂直于加工方向测量，测量取样长度0.25 mm，同一工件测量5次取平均值。使用FM-800显微维氏硬度计测量工件表面硬度，测试载荷选择2.94 N，保压时间15 s，同样测量5次取平均值。使用Xstress G2R型X射线衍射仪检测工件表面残余应力，采用Ti靶，Kα射线，管电压为30 kV，管电流为7 mA，曝光时间30 s，同一工件检测3次取平均值。

3 试验结果与分析

3.1 加工参数对表面形貌的影响

图2所示为TC4钛合金经超声辅助滚压强化后的表面宏观形貌，可以明显看出加工后表面质量更优，相比于未加工面更加均匀且光整，已经接近“镜面”效果，说明超声辅助滚压强化对金属表面完整性具有较好的提升效果。

图2 TC4钛合金超声辅助滚压强化前后表面宏观形貌

图3所示为超声辅助滚压强化前后TC4钛合金经白光干涉仪扫描所得照片。由图3(a)可知：TC4钛合金在精车后存在大量的切削纹路和毛刺，表面凹凸不平，峰壑交替存在，最高峰值达到14.9 μm，表面完整性较差。这些切削痕迹的存在会极大地影响材料的使用寿命，造成材料表面质量、耐磨性和耐腐蚀性等属性的降低[11-12]。而观察图3(b)可以发现：经过超声辅助滚压强化后表面切削纹路和毛刺基本去除，最高峰值减少到9.3 μm，说明材料表面已经被“碾平”，切削造成的“山峰”被推进“沟壑”，表面完整性得到极大的提高。

图3 TC4钛合金超声辅助滚压强化前后白光干涉图

图4所示为TC4钛合金精车前、精车后和超声辅助滚压强化后的超景深观测形貌，其呈现出的显微实际结果与图3白光扫描结果基本相似。精车处理虽然能够消除图4(a)中大面积的划痕和沟壑，但是同时也产生了大量细微且密集的切削痕迹。而如图4(c)所示，TC4钛合金经过超声辅助滚压强化后表面切削痕迹已经基本消失，材料表面均匀光整，基本上达到了“推峰填壑”的目的。但是材料表面仍产生了少量凹坑，初步推测可能是由于加工参数选择不当产生的，因此研究加工参数对于TC4钛合金表面质量的影响对于实际生产具有重要意义。

图4 不同加工阶段TC4钛合金表面微观形貌

3.2 加工参数对表面残余应力的影响

图5所示为不同加工参数下工件表面残余应力的变化情况，横坐标刻度值1、2、3、4分别代表各加工参数由小到大4组数值，具体数值如表2中所示，后图与之一致，不予赘述。

图5 加工参数对表面残余应力的影响

从图5可以看出，残余应力随着主轴转速和进给速度的增大先增大后减小。当主轴转速和进给速度较低时，超声滚压头对同一区域施加过多次冲击容易对已成型的位错和变形产生破坏，造成表面残余应力的释放和减少。因此二者在较低速区间内逐渐增大时，虽然单位时间内材料表面单位面积上受冲击次数和滚压能量密度逐渐减少，但是过量振动产生的残余应力释放效果也逐渐减弱，导致残余应力略微的累积和增大。随着主轴转速和进给速度的进一步增大，单位面积上的滚压能量密度大量减少，同时过高的转速产生的高温也易造成残余应力的释放，二者均导致了残余应力的持续降低。残余应力随着静压力的增大先增大后略微降低，因为随着静压力的增大，超声滚压头侵入工件更深的深度导致在材料表面产生更大的塑性变形，材料表面滚压能量密度也随之增大，表层晶粒细化和晶格位错程度增加，导致了表面残余应力的增大。但是过大的静压力会导致滚压头紧压在工件表面，滚压头与工件表面的作用形式由滚动摩擦变为滑动摩擦，容易在加工过程中对工件表面产生划伤和裂纹，对之前形成的位错和变形产生破坏。同时过高的静压力也会导致加工温度的升高及热量的累积。二者均会造成残余应力的释放，产生残余应力不再增加甚至略微降低的现象。残余应力随着加工次数的增大逐渐降低，这是由于TC4钛合金具有较低的弹性模量，一次滚压后会产生较大的塑性变形和弹性回弹。随着加工次数的逐渐增多，塑性变形层逐渐向材料内部的侵入以及滚压能量在深处的逐渐累积共同导致了最大变形层产生于距材料表面更深处。由于应力释放的原因，距离最大变形区越远的区域残余应力越小，呈现出表层残余应力逐渐降低的现象。超声辅助滚压加工在TC4钛合金表面引入了较大的残余应力，不同加工参数对残余应力的影响效果差距也较为明显，残余应力值的平均变化范围达到了15%。

综上，使TC4钛合金获得最大表面残余压应力的工艺参数组合为：主轴转速306 r/min，进给速度0.15 mm/r，静压力644 N，加工1次。

3.3 加工参数对表面硬度的影响

图6为不同加工参数下工件表面硬度的变化情况。根据Hall-Petch关系可知多晶体材料的晶粒越细小则硬度越高[13]，同时查阅相关资料可知超声辅助滚压强化能够在材料表层引入残余压应力的同时产生晶粒细化层[14-15]，因此不同加工参数下硬度的变化趋势应与残余应力变化趋势大体相同。

图6 加工参数对表面硬度的影响

从图6可以看出：表面硬度随着主轴转速和进给速度的增大先增大后减小，其形成原因与残余应力曲线变化原因相似。对同一区域施加过量的冲击也会导致表面硬度的释放和降低，在一定的低速区间内，当硬度的累积效果大于滚压能量密度的减少影响时，便会产生硬度略微增大的现象。但是随着主轴转速和进给速度的进一步增大，滚压能量密度的减少以及加工高温造成的材料软化现象均导致了硬度的降低。随着静压力的增大表面硬度逐渐增大，其与残余应力变化趋势也相似。都是因为超声滚压头侵入工件更深的深度和更大的面积导致材料表面产生更大的塑性变形，使得表层晶粒细化和晶格位错程度增加，产生了表层硬度增加的现象。随着加工次数的增加表面硬度逐渐降低，这是由于逐渐增多的加工次数导致滚压能量逐渐积累在材料更深处，此时材料表面距离最大变形区距离越来越远，产生了加工硬度降低的现象。根据数据可知超声辅助滚压加工后TC4钛合金表面产生了非常明显的加工硬化效果，与未加工试件相比硬度提升了约38.1%。但是不同的加工参数下表面硬度值差异较小，不同硬度值的平均变化范围为2%，表面硬度在加工后趋于稳定。

综上，使TC4钛合金获得最大表面硬度的工艺参数组合为：主轴转速306 r/min，进给速度0.1 mm/r，静压力1 288 N，加工1次。

3.4 加工参数对表面粗糙度的影响

图7为不同加工参数下工件表面粗糙度的变化情况。可以看出：工件表面粗糙度随着主轴转速和进给速度的提高逐渐增大。因为随着速度的提高，单位时间内单位面积上的超声冲击次数和滚压能量密度逐渐减少，对试件的光整效果减弱，呈现出粗糙度逐渐增大的现象。同时观察折线的曲率可知，高速区间内主轴转速和进给速度对表面粗糙度的影响率更大，即此区间内速度的增加易导致粗糙度增加更多。这是由于当速度较高时加工会产生更多热量，大量热量积累在TC4表面导致材料软化产生“黏刀”的现象，产生新的凹陷和划痕，加剧了粗糙度的增大。试件表面粗糙度随着静压力的增大先降低后基本保持不变，这是因为随着静压力的增大滚压头侵入工件更深的距离，在材料表层产生更大的塑性变形，“削峰填谷”效果更为明显，加工光整效果更好。但是当静压力过大时滚压头紧压工件表面导致其作用形式由滚动摩擦变为滑动摩擦，容易在工件表面留下划痕和擦伤，导致表面粗糙度的升高。工件表面粗糙度随着加工次数的增多逐渐降低，这是因为由于TC4弹性模量较低导致一次加工后工件表层还存在较大的弹性回弹区域，多次加工会提高该区域光整度，消除残留的缺陷，呈现出粗糙度降低的现象。超声辅助滚压强化后工件表面粗糙度显著降低，最低表面粗糙度较处理前降低了92.7%。

图7 加工参数对表面粗糙度的影响

综上，使TC4钛合金获得最小表面粗糙度的工艺参数组合为：主轴转速153 r/min，进给速度0.05 mm/r，静压力1 288 N，加工4次。

4 结论

通过上述研究与分析，最终得出结论如下：

(1)超声辅助滚压强化能够去除TC4钛合金表面划痕、毛刺和缺陷，引入残余压应力，提高表面硬度，降低表面粗糙度，显著提高表面质量和表面完整性。

(2)主轴转速和进给速度对材料表面完整性影响效果较为一致，在一定范围内，随着二者的增大，残余应力和硬度均呈现先增大后减小的趋势，而表面粗糙度则持续增大。

(3)在一定范围内静压力和加工次数的增加均会导致表面粗糙度的降低。但是静压力的增加会使表面残余应力和硬度增大，而加工次数的增加则会使表面残余应力和硬度减小，其原因还需进一步探究。

(4)虽然残余应力和硬度在不同加工参数下的变化趋势大体一致，但是二者变化幅度却有较大差异，不同加工参数下残余应力值与硬度值的平均变化范围分别为15%与2%。该现象说明超声辅助滚压强化对材料表面硬度和残余应力存在相似的作用机制，但是二者受影响的程度不同，二者数值之间是否存在某种关系还需要进一步研究。