鈦合金超聲振動(dòng)滾壓裝置研制及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鈦合金因其高的比強(qiáng)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(duì)表面損傷和缺陷具有更大的敏感性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dāng)?shù)膲毫κ沟帽患庸ぜ砻娼饘佼a(chǎn)生彈塑性變形進(jìn)而形成塑形流動(dòng)，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(qiáng)滾壓強(qiáng)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(shè)計(jì)并制作了超聲振動(dòng)滾壓裝置，然后利用該滾壓裝置，通過設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)研究了超聲滾壓對(duì)TC4鈦合金金相組織及其力學(xué)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(jī)械振動(dòng)學(xué)基本理論，在諧振條件下基于一維縱振波動(dòng)方程對(duì)超聲振子結(jié)構(gòu)尺寸及節(jié)面位置進(jìn)行理論計(jì)算，分析了相應(yīng)的應(yīng)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(shí)域瞬態(tài)分析方法對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲振子進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)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(shè)計(jì)需要，且與理論設(shè)計(jì)符合較好。并分析了其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、振動(dòng)位移及截面位置。根據(jù)理論計(jì)算及仿真結(jié)果制造了相應(yīng)的壓電超聲振子，并采用頻率特性分析儀測量得到其實(shí)際諧振頻率，采用多普勒測振儀測量得到其端面位移振動(dòng)情況，結(jié)果表明仿真結(jié)果與實(shí)際測量值符合較好。
　　2.設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用不同的工藝參數(shù)，對(duì)TC4鈦合金軸外圓表面分別進(jìn)行了傳統(tǒng)滾壓及超聲滾壓。并對(duì)滾壓后的工件進(jìn)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(jìn)行了金相組織觀察和工件表層材料力學(xué)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(xì)化，6遍滾壓較3遍滾壓對(duì)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