外貌超声滚压处置惩罚（ultrasonic surface rolling process，，，，，，，，USRP）是一种新兴的外貌强化处置惩罚手艺[1]。。。。。。。。滚压头在静压力和超声攻击复相助用下，，，，，，，，凭证设计蹊径对工件外貌举行加工处置惩罚。。。。。。。。USRP手艺一方面可实现对工件外貌的“削峰填谷”式光整加工，，，，，，，，另一方面使用超声软化可实现难加工质料（如钛合金、不锈钢）的外貌处置惩罚[2]。。。。。。。。经该手艺处置惩罚后，，，，，，，，工件外貌爆发了强烈的塑性变形，，，，，，，，可将工件外貌微观波峰压平并填入波谷，，，，，，，，从而减小外貌粗糙度值，，，，，，，，由于加工的硬化作用，，，，，，，，增添了质料外貌硬度，，，，，，，，引入外貌剩余压应力，，，，，，，，改善了零件外貌的耐磨损、抗侵蚀、抗疲劳等综合使用性能；；；；；；同时，，，，，，，，保存了基体质料内部晶粒的结构、塑性和韧性，，，，，，，，从而形成外强内韧的性能，，，，，，，，延伸了工件的使用寿命。。。。。。。。该强化工艺在高速轨道交通、空中武器、航空航天零件轻量化方面有很大的增进作用[3-7]。。。。。。。。另外该工艺相关于古板工艺如滚压、喷丸、化学热处置惩罚等，，，，，，，，具有用率高、本钱低、操作简朴等优势，，，，，，，，可辅助于通俗机床、数控机床，，，，，，，，应用于差别外貌零件处置惩罚，，，，，，，，在手艺上有很强的顺应性，，，，，，，，便于推广应用。。。。。。。。

由于外貌超声滚压处置惩罚可使得工件外貌爆发优异的综合使用性能，，，，，，，，海内外学者近年来就此开展了大宗的研究。。。。。。。。Meng等[8]接纳USRP强化AISI1045钢后,发明质料的摩擦系数与磨损率均显着下降。。。。。。。。

Ting等[9]发明40Cr钢试样在USRP之后，，，，，，，，其外貌粗糙度数值及摩擦系数显着降低，，，，，，，，而耐磨及抗疲劳性能则显著提升。。。。。。。。高心寰等[10]剖析了GCr15SiMn轴承钢的超声滚压表层性能，，，，，，，，效果批注：经超声外貌滚压处置惩罚后，，，，，，，，试样的外貌磨削犁沟变浅，，，，，，，，外貌粗糙度显著改善，，，，，，，，最佳Ra值从0.14μm降低到0.07μm，，，，，，，，降低了67%；；；；；；部分表层机加工细晶剥落，，，，，，，，外貌缺陷镌汰。。。。。。。。刘森忠[11]将USRP后的GCr15质料外貌，，，，，，，，与细密车削后的试样相较量，，，，，，，，发明USRP试件的表层晶粒细化显著、摩擦磨损性能改善显着。。。。。。。。杨细莲等[12]接纳超声外貌滚压处置惩罚AZ31B镁合金，，，，，，，，发明外貌粗糙度大幅度降低，，，，，，，，相比于细密车削试样的下降91.8％，，，，，，，，同时摩擦磨损性能随着滚压量的增大而提高。。。。。。。。耿纪龙等[13]对超声外貌滚压处置惩罚的AZ31B镁合

金组织性能举行了研究，，，，，，，，发明相关于未处置惩罚的试样，，，，，，，，超声外貌滚压处置惩罚试样的外貌粗糙度降低了96.4%。。。。。。。。蒋书祥等[14]研究7050铝合金经高速二维超声滚压加工后，，，，，，，，外貌粗糙度降幅达65%，，，，，，，，外貌显微硬度增幅达72%。。。。。。。。Tsuji等[15]的研究批注，，，，，，，，超声振动滚压加工工艺能降低TC4钛合金的外貌粗糙度，，，，，，，，大幅提高其显微硬度。。。。。。。。蔡振[16]研究了USRP对TC4合金多标准疲劳裂纹扩展行为影响，，，，，，，，效果批注TC4合金外貌处置惩罚后形成了梯度纳米层。。。。。。。。王峰等[17]使用USRP手艺，，，，，，，，通过较小的静压力和超高频振动攻击作用，，，，，，，，提高了TC4钛合金零件外貌综合性能，，，，，，，，显著延伸工件使用寿命。。。。。。。。综上可知，，，，，，，，USRP手艺在改善差别材质零件的外貌粗糙度方面都有着很好的作用。。。。。。。。

虽然学者们对此做了大宗的事情，，，，，，，，但相关的研究较量疏散、缺乏系统性，，，，，，，，尤其是关于某一种质料的某一种性能与工艺参数的对应关系研究，，，，，，，，则显得更少，，，，，，，，尚有大宗事情要做。。。。。。。。

钛合金常用于航空、航天、化工等领域，，，，，，，，可用于喷气发念头的压气机盘、涡轮盘、叶片等。。。。。。。。关于TC4钛合金叶片而言，，，，，，，，随着叶片外貌粗糙度的改变，，，，，，，，压气机气流通道的流通能力、压气机增压比、效率都会爆发转变。。。。。。。。特殊注重的是，，，，，，，，外貌粗糙度降低，，，，，，，，可以使得压气机的增压比和效率提高；；；；；；同时外貌粗糙度降低，，，，，，，，应力集中愈小，，，，，，，，叶片的疲劳强度也有所提高。。。。。。。。

因此本文实验用自制超声滚压装置，，，，，，，，对TC4钛合金试样举行外貌超声滚压试验，，，，，，，，通过正交试验设计，，，，，，，，系统探讨静压力、主轴转速、进给速率、滚压次数等参数对工件外貌粗糙度的影响水平和影响纪律，，，，，，，，以期待对该工艺在TC4钛合金叶片使用寿命提高方面提供一定的参考。。。。。。。。

1、外貌超声滚压系统

图1是本文超声外貌滚压处置惩罚装置示意图，，，，，，，，辅以车床系统就可事情。。。。。。。。超声爆发器爆发20～40kHz的电震荡信号，，，，，，，，经由压电陶瓷换能器转换成同频机械振动，，，，，，，，再由变幅杆放大转达给工具头（滚子或滚柱，，，，，，，，可以凭证需要替换）。。。。。。。。USRP执行机构的尾端装置有气泵或强力弹簧，，，，，，，，给前端工具头提供稳固的静压力，，，，，，，，工具头则接触工件处置惩罚外貌，，，，，，，，将振动和滚新闻压力施加在工件处置惩罚外貌。。。。。。。。USRP执行件装置于车床的进给机构上，，，，，，，，车床以一定参数提供一定的转速和进给速率，，，，，，，，实现一连强化。。。。。。。。

2、试验要领与剖析

试样接纳直径为40mm的供应态TC4钛合金棒材，，，，，，，，质料化学因素见表1。。。。。。。。先对试样外貌举行细密车削加工，，，，，，，，加工后的工件外貌粗糙度为Ra0.8μm，，，，，，，，显微硬度为321HV。。。。。。。。将外貌超声滚压处置惩罚装置事情的部分牢靠在数控车床刀架上，，，，，，，，事情头接纳直径为10mm的硬质合金球，，，，，，，，工件接纳双顶尖方法装夹在数车主轴上举行试验（图2）。。。。。。。。本文接纳的超声滚压装备是豪客能HK30C系列装备。。。。。。。。凭证前期试验，，，，，，，，振幅较小，，，，，，，，外貌粗糙度降低有限，，，，，，，，效果不显着；；；；；；振幅过大，，，，，，，，外貌粗糙度会增大；；；；；；振幅适中，，，，，，，，则可有用降低外貌粗糙度。。。。。。。。因此，，，，，，，，选择超声滚压处置惩罚时的超声波系统事情频率为30Hz、振幅为10μm。。。。。。。。

首先，，，，，，，，通过查阅文献确定了超声滚压外貌粗糙度的影响因素；；；；；；接着，，，，，，，，使用单因素剖析试验法划分研究主轴转速、进给速率、静压力、滚压次数对处置惩罚后钛合金外貌粗糙度的影响纪律；；；；；；最后，，，，，，，，接纳正交试验设计和剖析，，，，，，，，确定影响因素主次关系，，，，，，，，优选出最佳试验计划。。。。。。。。试验历程中，，，，，，，，使用TIME3221粗糙度丈量仪举行外貌粗糙度测定，，，，，，，，测定3处数据求平均值并纪录数据。。。。。。。。

2.1单因素试验剖析

2.1.1主轴转速对外貌粗糙度的影响

当事情静压力392N、滚压3次、进给速率为0.1mm/r时，，，，，，，，主轴转速对外貌粗糙度的影响见图3。。。。。。。。

可知，，，，，，，，随着主轴转速增大，，，，，，，，外貌粗糙度数值先减小后增大，，，，，，，，并且两种进给速率条件下的外貌粗糙度总体转变纪律相似。。。。。。。。主轴转速为400r/min时，，，，，，，，外貌粗糙度值最低，，，，，，，，外貌光整效果最佳。。。。。。。。这主要是由于主轴转速较低时，，，，，，，，硬质合金事情头会在某一位置重复高频攻击多次，，，，，，，，造成“粘连”征象，，，，，，，，使得外貌粗糙度值增大。。。。。。。。当主轴转速过大时，，，，，，，，一方面硬质合金球与工件的接触状态由转动摩擦转变为滚滑摩擦状态，，，，，，，，随着摩擦力增大，，，，，，，，工件外貌会爆发颤纹甚至划伤；；；；；；另一方面，，，，，，，，转速过快，，，，，，，，使得工件上重复多次滚压的部位和未滚压到的部位数目增多[1]，，，，，，，，从而导致外貌粗糙度值加大，，，，，，，，外貌光整效果和质量严重退化。。。。。。。。

2.1.2进给速率对外貌粗糙度的影响

当事情静压力392N、滚压3次、主轴转速为400r/min时，，，，，，，，进给速率对工件外貌粗糙度的影响见图4。。。。。。。？？？？？芍，，，，，，，，进给速率为0.1mm/r时，，，，，，，，外貌粗糙度数值最低。。。。。。。。进给速率较小时，，，，，，，，硬质合金球在统一位置重复攻击，，，，，，，，导致局部温度提升，，，，，，，，泛起“粘连”征象。。。。。。。。另外，，，，，，，，重复攻击某些部位，，，，，，，，会使得该部位爆发较量大的塑性变形，，，，，，，，从而造成外貌粗糙度值增大。。。。。。。。而当进给速度过大时，，，，，，，，则类似于车削加工，，，，，，，，相邻两个轨迹的重叠部分镌汰，，，，，，，，甚至无重叠部位，，，，，，，，这样一来在滚压的外貌会爆发残留面积，，，，，，，，影响外貌粗糙度值。。。。。。。。

2.1.3静压力对外貌粗糙度的影响

当滚压次数为3次、主轴转速为400r/min，，，，，，，，进给速率为0.1mm/r时，，，，，，，，事情静压力对外貌粗糙度的影响见图5。。。。。。。。在选取的4种事情静压压力条件下，，，，，，，，随着静压力增大，，，，，，，，工件的外貌粗糙度下降，，，，，，，，这主要是由于工件外貌塑性变形变大，，，，，，，，“削峰填谷”的作用更好。。。。。。。。可是事情静压力不宜过大，，，，，，，，不然会影响车床运行的平稳性和车床自身精度。。。。。。。。

2.1.4滚压次数对外貌粗糙度的影响

当事情静压力392N、主轴转速为400r/min、进给速率为0.1mm/r时，，，，，，，，滚压次数对外貌粗糙度的影响见图6。。。。。。。？？？？？芍，，，，，，，，滚压处置惩罚次数过多或较少都不可获得理想的外貌。。。。。。。。这主要是由于滚压处置惩罚次数过少，，，，，，，，残留面积较量大，，，，，，，，外貌粗糙度值较大。。。。。。。。适当增添滚压次数以及通过重复滚压，，，，，，，，可填补上次滚压的遗漏，，，，，，，，同时镌汰残留面积，，，，，，，，使整体的外貌粗糙度值下降；；；；；；但滚压处置惩罚的次数过多，，，，，，，，会使得钛合金工件外貌因太过滚压而泛起片状剥离的情形，，，，，，，，导致外貌质量退化，，，，，，，，同时还会延伸单件的处置惩罚时间，，，，，，，，进而降低生产效率，，，，，，，，这也不可取。。。。。。。。

2.2正交试验剖析

为剖析主轴转速、进给速率、静压力和滚压次数对工件外貌粗糙度影响的显著水平，，，，，，，，团结前期开展的单因素试验，，，，，，，，设计了正交试验。。。。。。。。因素水平表如表2所示，，，，，，，，选取主轴转速n、进给速率f、静压力F、滚压次数N为四个因素，，，，，，，，设置每个因素各4个水平，，，，，，，，选择L16（45）正交表，，，，，，，，按正交表安排试验，，，，，，，，获得的试验效果见表3。。。。。。。。由表3所示极差剖析效果可知：

RA>RB>RD>RC>RE，，，，，，，，四个因素的极差都大于空列误差值RE，，，，，，，，说明四个因素的影响效应都保存。。。。。。。。四个因素的主次关系为：主轴转速n>进给速率f>滚压次数N>静载荷F，，，，，，，，因素水平趋势见图7。。。。。。。。鉴于外貌粗糙度值越小越好，，，，，，，，故可筛选出的优水平划分为A2、B2、C4和D2。。。。。。。。因此选取正交试验的最优计划为A2B2C4D2，，，，，，，，即主轴转速为400r/min、进给速率为0.1mm/r、静载荷490N、滚压次数3次，，，，，，，，即凭证这一最优计划处置惩罚TC4钛合金叶片，，，，，，，，可获得更小的外貌粗糙度，，，，，，，，并能提高叶片的疲劳寿命。。。。。。。。

2.3最优计划处置惩罚试样的摩擦性能测试

使用最优计划A2B2C4D2处置惩罚MM200转动摩擦试样，，，，，，，，转速为200r/min；；；；；；配备副试样为GCr15淬火态，，，，，，，，转速为180r/min、试验力为30kgf，，，，，，，，无润滑干摩擦，，，，，，，，自动收罗测定摩擦系数，，，，，，，，并用扫描电镜拍摄磨损后的试样外貌，，，，，，，，同时做未处置惩罚试样，，，，，，，，以举行较量。。。。。。。。

图8是最优计划处置惩罚试样和未处置惩罚试样的摩擦系数随着时间转变情形。。。。。。。？？？？？芍，，，，，，，，最优计划处置惩罚试样的摩擦系数约为0.165，，，，，，，，远低于未处置惩罚试样的摩擦系数0.325，，，，，，，，相较而言，，，，，，，，前者约为后者的一半。。。。。。。。这主要是由于超声滚压使得试样的外貌粗糙度值显着降低，，，，，，，，以及试样表层形成了梯度超细晶结构，，，，，，，，从而显著降低了超声滚压处置惩罚试样的摩擦系数。。。。。。。。

图9为磨损后的两种试样外貌形态SEM照片。。。。。。。。

可知，，，，，，，，经处置惩罚的试样外貌磨损量较少、外貌结构较量完整；；；；；；未处置惩罚试样则泛起了显着的犁沟、剥落和裂纹等。。。。。。。。这主要是由于处置惩罚后的试样外貌爆发了强烈的塑性变形，，，，，，，，诱导试样表层爆发剩余压应力，，，，，，，，从而抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，，，，，，，，同时还使试样外貌形成纳米结构，，，，，，，，提高了硬度和耐磨性。。。。。。。。另外，，，，，，，，经处置惩罚的试样由于降低了外貌粗糙度，，，，，，，，从而减小了应力集中，，，，，，，，提高了试样的抗疲劳性能，，，，，，，，有用减小裂纹爆发的概率。。。。。。。。因此，，，，，，，，凭证最优计划处置惩罚试样，，，，，，，，在降低外貌粗糙度的同时，，，，，，，，可提高试样外貌的综协力学性能，，，，，，，，显著改善TC4钛合金外貌的摩擦磨损性能，，，，，，，，有助于延伸钛合金叶片的使用寿命。。。。。。。。

3、结论

（1）通过正交试验可知，，，，，，，，在影响外貌粗糙度的各项因素中，，，，，，，，按影响水平主次关系依次为：主轴转速n>进给速率f>滚压次数N>静载荷F。。。。。。。。

（2）对TC4钛合金外貌举行超声滚压处置惩罚，，，，，，，，可获得优异外貌质量的最优工艺计划为：主轴转速400r/min、进给速率0.1mm/r、静载荷490N、滚压次数3次。。。。。。。。

（3）外貌超声滚压加工是一种有用的提升TC4钛合金外貌质量的处置惩罚工艺。。。。。。。。接纳最佳工艺计划处置惩罚的试样，，，，，，，，其外貌粗糙度值相较于未处置惩罚的有显着降低，，，，，，，，由原始的Ra0.8μm将至最低的Ra0.079μm，，，，，，，，同时摩擦系数约降为一半，，，，，，，，其耐磨性显著提升，，，，，，，，故以为该工艺计划在提升TC4钛合金叶片的使用寿命方面，，，，，，，，具有一定的参考意义。。。。。。。。

参考文献：

[1] LI G，，，，，，，，QU S G，，，，，，，，XIE M X，，，，，，，，et al. Effect of ultrasonic surface rolling at low temperatures on surface layer microstructure and properties of HIP Ti-6Al-4V Alloy [J]. Surface and Coatings Technology，，，，，，，，2017，，，，，，，，316：75-84.

[2] MEI G Y，，，，，，，，ZHANG K H，，，，，，，，DING J F. Study on the effect of ultrasonic surface rolling processing parameters on the surface roughness of Q345 hydraulic prop [J]. Advanced Materials Research，，，，，，，，2010，，，，，，，，910（260）：591-594.

[3] GAO Y，，，，，，，，NI S，，，，，，，，LIAO X Z，，，，，，，，et al. Structural evolutions of metallic materials processed by severe plastic deformation [J]. Materials Science and Engineering：R：Reports，，，，，，，，2018，，，，，，，，133：1-59.

[4] YIN M G，，，，，，，，GAI Z B，，，，，，，，ZHANG Z X，，，，，，，，et al. Effect of ultrasonic surface rolling process on impactsliding wear behavior of the 690 alloy [J]. Tribology international，，，，，，，，2020，，，，，，，，147：1-12.

[5] 唐洋洋，，，，，，，，李林波，，，，，，，，王超，，，，，，，，等. 超声外貌滚压纳米化手艺研 究现状[J]. 外貌手艺，，，，，，，，2021，，，，，，，，50（2）：160-169.

[6] WANG C，，，，，，，，LUO T，，，，，，，，LIU Y，，，，，，，，et al. Microstructure and mechanical properties of Mg-5Zn-3.5Sn-1Mn-0.5Ca-0.5Cu alloy[J]. Materials Characterization，，，，，，，，2019，，，，，，，，147：406-413.

[7] YAN Z F，，，，，，，，WANG D H，，，，，，，，HE X L，，，，，，，，et al. Deformation behaviors and cyclic strength assessment of AZ31B magnesium alloy based on steady ratcheting effect [J]. Materials Science and Engineering：A，，，，，，，，2018，，，，，，，，723：212-220.

[8] MENG Y，，，，，，，，DENG J X，，，，，，，，ZHANG Y，，，，，，，，et al. Tribological properties of textured surfaces fabricated on AISI 1045 steels by ultrasonic surface rolling under dry reciprocating sliding[J]. Wear，，，，，，，，2020，，，，，，，，460-461：203488.

[9] WANG T，，，，，，，，WANG D P，，，，，，，，LU G，，，，，，，，et al. Investigations on the nanocrystallization of 40Cr using ultrasonic surface rolling processing [J]. Applied Surface Science，，，，，，，，2008，，，，，，，，255 （5）：1824-1829.

[10] 高心寰，，，，，，，，潘金芝，，，，，，，，陈春焕，，，，，，，，等. GCr15SiMn 轴承钢超声滚 压表 层 组 织 及 性 能 分 析 [J]. 外貌 技 术 ，，，，，，，，2022，，，，，，，，51（3）：262-270.

[11] 刘森忠. 超声滚压对 GCr15 质料的外貌性能影响[D].南昌：南昌大学，，，，，，，，2019.

[12] 杨细莲，，，，，，，，邹宇，，，，，，，，黄文婷，，，，，，，，等． 超声外貌滚压对 AZ31B 镁合 金 摩 擦 磨 损 性 能 的 影 响 [J].特 种 铸 造 及 有 色 合 金 ，，，，，，，，2020，，，，，，，，40（11）：1214-1218.

[13] 耿纪龙，，，，，，，， 闫志峰，，，，，，，， 张红霞，，，，，，，， 等. 超声外貌滚压处置惩罚对AZ31B 镁合金组织和性能的影响 [J]. 外貌手艺，，，，，，，，2022，，，，，，，，51（1）：368-375.

[14] 蒋书祥，，，，，，，， 郑建新． 二维超声滚压 7050 铝合金的微观组 织与力学性能[J]. 金属热处置惩罚，，，，，，，，2018，，，，，，，，43（5）：116-119.

[15] TSUJI N，，，，，，，，TANAKA S，，，，，，，，TAKASUGI T. Effect of combined plasma -carburizing and deep -rolling on notch fatigue property of Ti -6A1 -4V alloy [J]. Material Science and Engineering：A，，，，，，，，2009，，，，，，，，499（1-2）：482-488.

[16] 蔡振. 外貌超声滚压对 Ti-6Al-4V 合金多标准疲劳裂 纹扩展行为的影响[D]. 上海：华东理工大学，，，，，，，，2017.

[17] WANG F，，，，，，，，MEN X H，，，，，，，，LIU Y J，，，，，，，，et al. Experiment and simulation study on influence of ultrasonic rolling parameters on residual stress of Ti -6Al -4V alloy [J]. Simulation Modelling Practice and Theory，，，，，，，，2020，，，，，，，，104：1- 11.

相关链接