1 引言  

      鋁合金是重要的工業材料，特別被廣泛用於航空宇航工業，被用（yòng）於製作飛機、火箭的表麵蒙皮、承力結構和連接緊固件。例如2D12 常用於製造搖臂、拉杆，LC9 主要用於桁條、蒙（méng）皮、接頭，活塞杆等[1]。由於（yú）使用常規方法加工零件表麵精度的提高會導致加工費用和時間的成倍提高，所以，我（wǒ）們需要采用新的加工（gōng）手段以改變這種狀況，超聲波表麵光飾（shì）加工就是其中一種可行的方法，它可以使（shǐ）回轉體零件的表麵粗糙度一次性提高三級以上，並顯（xiǎn）著提高表層硬度，提高（gāo）表麵的耐磨性及耐腐蝕性能（néng），但（dàn）由（yóu）於航空產品所受的環境條件和載荷非常嚴酷，對結構的（de）可靠性、安全性要求也越來越高，要求安全（quán）服役的疲勞壽命也越來越長，因此我們（men）有必要對鋁合金超聲波加（jiā）工對材料疲（pí）勞性能和表麵處理性能的影響做一下研究和分析，以利於（yú）這（zhè）種加工方法的（de）推廣和應用[2]。

      2 超聲波表麵光飾加工（gōng）的原理

      超聲（shēng）波表麵光飾加工原理圖，如圖（tú）1 所示（shì）。由超聲波發生器產生超聲振蕩波，經換能器轉換成超聲機械振動，這種超聲機械震動被變幅杆放（fàng）大（dà）振幅，通過加（jiā）工頭（滾輪狀）與工件接觸，使加工頭不斷地撞擊（jī）加工表麵，在加工頭瞬間正負交替的正壓衝擊（jī）波作用下。將被加工零件表（biǎo）麵因刀具產生的微觀輪廓峰頂壓（yā）平，如（rú）圖2 所示。並使表（biǎo）層組織更細密（mì）。因此，超聲波（bō）表（biǎo）麵光飾（shì）加（jiā）工實質上是被加工零件受加工頭高頻機械衝擊和擠壓作用的綜合結果（guǒ）[3-4]。

      3 試驗內容及考核項（xiàng）目

      采用航空工業常用材料LC9 及2D12 為試（shì）驗用料，每種材料各製兩組試料，一組采用常規車工拋（pāo）光為（wéi）最終（zhōng）加工方式，另一組采用超聲波表麵光飾加工（gōng）為最終加工方式，要求達到IT7 級（jí）的尺寸精度及Ra≤0.1μm 表麵粗糙度[3]。對每種材（cái）料的兩組試料進行以下方麵的對比試驗：金相組織對比分析（xī），鍍鉻層對比分析，疲勞性能對比，壽命檢查。

      3.1 加工後的（de）試件材料檢查

      3.1.1 裂（liè）紋檢查

      檢查方式為熒（yíng）光檢查，檢查所有被加工試件表麵有無裂紋及其它缺陷，經檢（jiǎn）查，被加工件表麵無裂紋。

      3.1.2 表層金相分析（xī）

      經過對材料相同、加工方（fāng）式各為常規加工和超（chāo）聲波加工的兩組（zǔ）試樣的加工表麵金相（xiàng）對比，在500 倍顯微鏡下進行發現經超聲波加工的試樣表麵組織較常規加（jiā）工細密（mì）[5]。

      3.1.3 耐腐蝕性檢查

      經過對材（cái）料（liào）相（xiàng）同、加工方式各為常（cháng）規加工和超聲波加工的兩組的加（jiā）工表麵用5%稀鹽酸（suān）20℃室（shì）溫下進（jìn）行耐腐（fǔ）蝕性檢查，在稀鹽酸中（zhōng）浸泡4h，目（mù）視檢查（chá）發現超聲波加（jiā）工（gōng）的試樣表麵腐蝕程度小，證明（míng）經過超聲波表麵光飾加工的試（shì）件有較高的耐腐蝕性。

      3.2 試件表麵處理

      3.2.1 硬陽極化（對2D12）

      對材料為2D12 的兩組試樣進行硬質（zhì）陽極氧化處理至硬陽極化層厚度為（50～60）μm，化後進行的外觀質量檢查，對試樣各20 件進行100%質量檢（jiǎn）查，結果為：（1）兩組試樣膜層均勻完整，沒有膜層疏（shū）鬆、電燒傷及過腐蝕現象；（2）膜層硬度均大於（yú）250HV。

      3.2.2 鍍硬鉻（對LC9）

      兩組試樣鍍後外觀檢查，鍍層無分層、脫落現象，在整個表麵上粗糙度可達Ra≤1.6μm，其中，經超聲（shēng）波加工後的試樣表麵（miàn）粗糙度可達Ra≤0.8μm。（1）兩組（zǔ）試樣鍍層（céng）厚（hòu）度均勻。（2）兩組試樣鍍層結合力相近，且（qiě）符合HB 5041 的規定。

      3.3 鍍（化）後加工（gōng）

      材料為2D12 並進行硬（yìng）質陽極氧化的兩組試樣在化後進行了表麵拋光加工以使（shǐ）表麵粗糙度達（dá）到Ra≤0.1μm 的要求。加工過程中（zhōng）膜層均（jun1）無脫落現象。材料為LC9 並進行表麵鍍鉻處理的兩組試樣在鍍後進行外圓磨削加工，以使表麵粗糙度達到Ra≤0.1μm 的要求。加工過程中鍍層均無脫落（luò）、起皮的現象[6]。

      3.4 疲勞對比試驗

      每組試樣各10 件進行（háng）同載（zǎi）荷、同頻（pín）率下的疲勞壽命對比。試驗條件：（1）試驗機：EHF-EG100KN 型電液司服疲勞試驗機；（2）加（jiā）載方式：軸向加載；（3）應力（lì）比：R=0.1；（4）頻率：10Hz；（5）波形：正弦波（bō）；（6）試驗溫度及環境：在室溫空氣中進行。試樣的外形尺寸，如圖3 所示。

      在（zài）疲勞試驗之前，4 組試樣中各選大於3 件試樣進行靜拉（lā）伸試驗，確定抗拉強度δb 值，取其平均值用於確定試驗載荷，抗拉強度δb 試驗結果（guǒ），如表1 所示。

      疲勞試驗采用非對稱循環，取應力比R=0.1，應力（lì）水平取（qǔ）0.65δb（該數據以（yǐ）前兩根試樣取0.6δb 時的試驗（yàn）結果確定（dìng）），試驗頻率根據所用的疲勞試驗機選用（10～15）Hz[7]，根據此，材料為LC9的試樣疲勞試驗載荷計算為（wéi）：

      最大載荷：Pmax=0.65δb=0.65×571≈370.7MPa最小（xiǎo）載（zǎi）荷：Pmin=0.1 Pmax=0.1×370.7=37.1MPa材料為2D12 的試樣疲（pí）勞試（shì）驗載荷計算為：

      最大載荷：Pmax=0.65δb=0.65×518.6≈337.6MPa最小載荷：Pmin=0.1 Pmax=0.1×337.6=33.8MPa經過疲勞試驗，得出（chū）試件疲勞試驗數據（jù），如表2 所示。

      表中：X—對數平均值；S—標（biāo）準方差；Cv—變異係數（shù）；N50—中值壽命。四組疲勞試驗試樣斷（duàn）口處疲勞源與斷裂形式大致相（xiàng）同（tóng），材料為2D12 並經過超聲（shēng）波表麵光飾加工的試樣斷口圖片，如圖4所（suǒ）示。

      3.5 壽命試驗

      針對LC9，使用某型飛機（jī）主係統液壓油（yóu）箱（xiāng）活（huó）塞杆，該活（huó）塞杆材料為LC9，熱處理至CGS1 狀態，表麵粗糙度Ra≤0.1μm，表麵鍍硬鉻（40～60）mm。活塞杆簡圖，如圖5 所示。試驗內容：經超聲波表麵光飾加工並鍍鉻的活塞杆裝入主係統（tǒng）液壓油箱，在室溫下進行活塞杆往複運動500 次，常溫（wēn）試（shì）驗後進行高溫100±5℃和低溫-45℃下的活塞杆往複運動各3000 次。先進行高溫試驗，後進行低溫試驗，在進行高溫每1000 次後，進行一次低溫和常溫的氣密性檢查，應密（mì）封（fēng）。試驗後分解檢查活塞杆應無損（sǔn）傷、無變形，鍍層無脫落（luò）現象[8]。被試件受力狀況：每往複一（yī）次，活塞杆在液壓力的作用下尺寸Φ36f7處受到F=15300N 和F=365～700N 各一次的交變載（zǎi）荷。試驗結果：常溫及高低溫壽命試驗後油（yóu）箱密封性檢查性能合格，壽命試驗後分解檢查活塞杆無（wú）損傷，無變形，Φ36f7 表麵鉻（gè）層無脫（tuō）落現象。

      4 結論

      （1） 超聲（shēng）波表麵光（guāng）飾加工是對金（jīn）屬零件表麵進行無研磨劑的研磨和微小變形（xíng）處理，使金屬零件表麵達到更理想的表麵粗糙度要求。（2）超聲波表麵光飾加工使表麵產生壓應力（lì），提高表麵的顯微硬度、耐磨性及耐（nài）腐蝕性。（3）經過超聲波表麵光飾加工的鋁（lǚ）合金試件表麵硬質陽極氧化和（hé）鍍鉻後，鍍（化）層質量不低（dī）於（yú）常規加（jiā）工（gōng）的試樣。（4）經過超聲波表麵光飾加工（gōng）的試件疲勞壽（shòu）命（mìng）有較大幅度的提高。（5）超（chāo）聲波表麵光飾加工技術（shù）可代替常規加工（gōng）完成鋁合金零件光飾表麵的加工。