【摘 要】
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二维超声滚压加工技术是将二维超声加工与深滚加工技术相结合的一种新型表面强化加工工艺。与普通深滚加工工艺相比,仅需较小的静压力便使工件表面产生充分、剧烈的塑性变形。若在二维超声深滚工艺中引入切削液,流经滚压区域的切削液受滚珠超声频振动影响会发生复杂的超声空化现象,超声空化诱发的微射流冲击与空泡能量溃灭对工件表面强化有积极影响。本文拟将超声空化效应和二维超声加工引入到深滚工艺中,以7075铝合金为加工
【基金项目】
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河南省高等学校重点科研项目“铝合金构件高速二维超声深滚加工关键技术研究（16A460006）”；
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二维超声滚压加工技术是将二维超声加工与深滚加工技术相结合的一种新型表面强化加工工艺。与普通深滚加工工艺相比,仅需较小的静压力便使工件表面产生充分、剧烈的塑性变形。若在二维超声深滚工艺中引入切削液,流经滚压区域的切削液受滚珠超声频振动影响会发生复杂的超声空化现象,超声空化诱发的微射流冲击与空泡能量溃灭对工件表面强化有积极影响。本文拟将超声空化效应和二维超声加工引入到深滚工艺中,以7075铝合金为加工对象,通过理论分析、数值模拟和工艺试验相结合,进行声-液耦合二维超声滚压加工应力强化机理研究。主要研究内容如下:（1）基于二维超声滚压加工原理,构建了二维超声滚压加工过程中滚珠的运动轨迹模型,分析滚珠运动对滚珠强化表面的影响;基于赫兹接触理论,分析了滚压过程中两球体接触的力学特性。研究发现,滚珠的运动轨迹为S形曲线或截面为椭圆形的螺旋线,不断变化的速度和加速度使滚珠撞击工件表面的瞬间承受不同方向的冲击力,更利于工件表面发生不同方向的塑性变形;在形变过程中,滚珠与工件的点接触转变为受力后的面接触,其弹塑性形变行为是表面强化的根本原因。同时,理论分析了接触半径、压缩量和最大接触载荷与压力的关系,结合弹塑性力学理论推导出了残余应力理论公式。（2）基于声-液耦合二维超声滚压装置,对滚压区域流场超声空化的形成机制与空化的机械效应进行理论分析。研究发现超声波的正负压相特性与切削液特有的微观结构缺陷构成了超声空化发生的两个必要条件,理论验证了滚压过程中的空化阀值满足发生空化效应的临界值,在超声滚压过程中能发生超声空化现象,且超声空化的微射流冲击与空泡溃灭对工件有一定的冲击强化作用。（3）利用FLUENT软件对超声滚压流场进行有限元模拟。对比单入口切削液引入方式,发现声-液耦合方式更有利于超声空化的发生和超声空化对工件的冲击抛光作用。对声-液耦合方式进行了无空化模型和加入空化模型的流场模拟分析,发现加入空化模型的流场中有空化泡生成,空化引起局部高压冲击与高速射流,滚珠与工件表面中心区域主要受空泡溃灭冲击作用,滚珠与工件表面边缘区域主要受强力微射流的冲刷抛光作用。（4）采用单因素试验法,以7075铝合金工件为加工对象,进行声-液耦合二维超声滚压试验研究。研究滚压工艺参数对7075铝合金表面粗糙度、显微硬度、残余应力影响,分析滚压后表面形貌和表面微观组织。研究结果表明,经滚压后铝合金表面呈现镜面效应,表面粗糙度值大幅度降低,显微硬度明显提高,并引入压缩残余应力。观察表面微观形貌与金相组织,发现7075铝合金表面形貌明显改善,车削后的刀痕被碾压平整;表层材料组织压缩并形成致密层,晶粒细化。（5）进行了无切削液二维超声滚压、单入口切削液二维超声滚压和声-液耦合二维超声滚压加工对比试验,揭示工具头撞击作用与超声空化效应对材料表面的复杂耦合机制。研究结果表明,对比无切削液二维超声滚压和单入口二维超声滚压加工后表面粗糙度、显微硬度和残余应力值,发现声-液耦合二维超声滚压加工后表面质量最优,其表面粗糙度最低,表面显微硬度和残余应力值最大,表明工件表面的强化硬化仍主要由滚珠超声冲击与碾压作用影响,但声-液耦合机制引发的超声空化,诱发空化泡溃灭和强力水射流对工件表面有一定的冲击强化与抛光作用。7075铝合金在声-液耦合二维超声滚压中受滚珠超声频冲击和声-液耦合机制诱发的超声空化双重作用,可进一步提升工件表面质量,改善材料疲劳性能。
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