鈦合金超聲振動滾壓裝置研制及實驗研究.pdf

1、鈦合金因其高的比強度和優(yōu)良的抗腐蝕性能，是理想的航空結(jié)構(gòu)材料。但是，與不銹鋼和高溫合金相比，鈦合金零件對表面損傷和缺陷具有更大的敏感性。據(jù)統(tǒng)計，鈦合金工件發(fā)生的事故大約25％是由于表面質(zhì)量引起的。而滾壓加工通過適當?shù)膲毫κ沟帽患庸ぜ砻娼饘佼a(chǎn)生彈塑性變形進而形成塑形流動，將工件材料微觀輪廓凸峰填入凹谷，從而可以提高表面質(zhì)量。但傳統(tǒng)滾壓加工易在工件表層形成加工硬化層，與內(nèi)部基體材料有明顯分層現(xiàn)象，易造成表層脫落。將超聲加工技術(shù)與普通滾壓相

2、結(jié)合既能增強滾壓強化效果，又能解決工件表面的分層現(xiàn)象。本文首先使用PZFlex有限元軟件設計并制作了超聲振動滾壓裝置，然后利用該滾壓裝置，通過設置不同實驗工藝參數(shù)研究了超聲滾壓對TC4鈦合金金相組織及其力學性能的影響規(guī)律。本文主要完成了以下工作：
　　1.首先根據(jù)機械振動學基本理論，在諧振條件下基于一維縱振波動方程對超聲振子結(jié)構(gòu)尺寸及節(jié)面位置進行理論計算，分析了相應的應力及振速分布。然后，利用聲傳播專業(yè)領(lǐng)域有限元軟件PZFlex，

3、采用時域瞬態(tài)分析方法對所設計的超聲振子進行瞬態(tài)動力學分析和仿真。仿真分析了超聲振子的不同階次振型，發(fā)現(xiàn)第一階諧振頻率符合設計需要，且與理論設計符合較好。并分析了其穩(wěn)態(tài)響應、振動位移及截面位置。根據(jù)理論計算及仿真結(jié)果制造了相應的壓電超聲振子，并采用頻率特性分析儀測量得到其實際諧振頻率，采用多普勒測振儀測量得到其端面位移振動情況，結(jié)果表明仿真結(jié)果與實際測量值符合較好。
　　2.設計制造了與數(shù)控車床刀架相匹配的夾具，利用所開發(fā)的超聲振子

4、，在車床上搭建了超聲滾壓實驗系統(tǒng)。采用不同的工藝參數(shù)，對TC4鈦合金軸外圓表面分別進行了傳統(tǒng)滾壓及超聲滾壓。并對滾壓后的工件進行制樣，采用XJP-3A型金相顯微鏡及Agilent Technologies Inc G200型納米壓痕測試儀分別進行了金相組織觀察和工件表層材料力學性能測試。
　　3.金相觀察結(jié)果顯示滾壓后試樣表層晶粒明顯細化，6遍滾壓較3遍滾壓對零件表層金屬材料作用更明顯，超聲滾壓較傳統(tǒng)滾壓變形層深度更大且分層現(xiàn)象有