1 引言  

      鋁合金（jīn）是重要的工業材料，特（tè）別被廣泛用（yòng）於航空宇航工業，被用於製作飛機、火箭的（de）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（yòng）於桁條、蒙皮、接頭，活（huó）塞杆等[1]。由於使用常規方法加工零件表麵精度的提高會導致加（jiā）工費用和時間的（de）成倍提高，所以（yǐ），我們需要采用新的加工手段以改變這種狀況，超聲波（bō）表麵光飾加工就是其中一種可行的方法，它可（kě）以使回轉體零件的表（biǎo）麵粗糙度一次性提（tí）高三級以上，並顯著提高表層硬度（dù），提高表麵的耐磨性及耐腐蝕（shí）性能（néng），但由於航空產（chǎn）品所受的環境條件和載荷非常嚴酷，對結構的可（kě）靠性、安全（quán）性要求也越來越高，要求安全服役（yì）的疲勞壽命也越來越長，因此我們有必（bì）要對鋁合金超聲波加工對材料疲勞性能和表麵處理性（xìng）能的影（yǐng）響做一下研究和分析，以利於這種加工方法的推廣和應用[2]。

      2 超（chāo）聲波表麵光飾加工的原理

      超（chāo）聲波表麵光飾（shì）加（jiā）工（gōng）原理圖（tú），如圖1 所示。由超聲波發生（shēng）器產生超聲振蕩波（bō），經換能器（qì）轉換成超聲機械（xiè）振動（dòng），這種超（chāo）聲機械震動被變幅杆放大振幅，通過加工頭（滾輪狀）與工件接觸，使（shǐ）加工頭不（bú）斷（duàn）地撞擊加工表麵，在加工頭（tóu）瞬間正負交替的正壓衝擊波作用下。將被加工零件表麵因刀具產生的微觀輪廓峰頂壓平，如圖2 所（suǒ）示。並使表（biǎo）層組織更細密。因此，超聲波表（biǎo）麵光飾加工實質上是被加工零件受加工（gōng）頭高頻機械衝擊和擠壓作用的綜合結果[3-4]。

      3 試驗（yàn）內容及考核項目

      采用航空（kōng）工業常用材料LC9 及2D12 為試驗用料，每種材料各製兩組試（shì）料，一組采用常規車工拋光為最（zuì）終加工方式，另一組采用（yòng）超聲波表麵光飾加工為最終加工方式，要求達到IT7 級的尺寸精度及Ra≤0.1μm 表麵粗糙度[3]。對（duì）每種材料（liào）的兩組試料（liào）進行以下方麵（miàn）的對比試驗：金相組織（zhī）對比（bǐ）分析，鍍鉻層對比分（fèn）析，疲勞性能對比，壽命檢（jiǎn）查。

      3.1 加（jiā）工後的（de）試件材料檢查

      3.1.1 裂紋（wén）檢查

      檢查方式為熒光檢查，檢查（chá）所有被加工試件表麵有無裂紋及其它缺陷，經（jīng）檢查（chá），被加工件表麵無裂紋。

      3.1.2 表（biǎo）層金相（xiàng）分析

      經過對材料相同、加（jiā）工方式各為常規加工和超聲波加工的兩（liǎng）組試樣的加工表麵金相對比，在500 倍顯（xiǎn）微鏡下進行（háng）發現經超聲波加工的試樣表麵組（zǔ）織較常規加工細密[5]。

      3.1.3 耐腐蝕性（xìng）檢查

      經過對材料相同、加工方式各為（wéi）常規加工和超聲波（bō）加工的兩組的（de）加工表麵用5%稀鹽酸20℃室溫下進行耐腐蝕性檢查，在稀（xī）鹽（yán）酸中浸泡4h，目（mù）視檢查發現超聲波加工的試（shì）樣表麵腐蝕程度小，證明經（jīng）過超聲波表（biǎo）麵光飾（shì）加工的試件有較高的耐腐蝕性。

      3.2 試件表麵處理

      3.2.1 硬陽極（jí）化（對2D12）

      對材料為2D12 的兩組試樣進行硬質陽極氧化處理（lǐ）至（zhì）硬（yìng）陽（yáng）極化層（céng）厚（hòu）度為（50～60）μm，化後（hòu）進行的外觀質量檢查，對試樣各（gè）20 件進行（háng）100%質量檢查，結果為：（1）兩組試（shì）樣膜層均勻完整，沒有膜層疏鬆、電燒傷及過腐蝕現象；（2）膜層（céng）硬度（dù）均大於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（tuō）落現（xiàn）象，在整個表（biǎo）麵（miàn）上粗糙度可達Ra≤1.6μm，其中，經超聲波加工後的試樣表麵粗糙度可達Ra≤0.8μm。（1）兩組試樣鍍層厚度均（jun1）勻。（2）兩組試樣鍍層結合力相近，且符合HB 5041 的規定。

      3.3 鍍（化）後加工

      材料為2D12 並進行硬質陽極氧化的兩組試樣在化後進（jìn）行了表麵拋光加工以使表麵粗糙度達（dá）到Ra≤0.1μm 的要求。加工過程中膜層均無脫落現象。材料為LC9 並進行表麵鍍（dù）鉻處理的（de）兩組試樣（yàng）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（jun1）無脫落、起皮的現象[6]。

      3.4 疲勞對比試驗（yàn）

      每組試（shì）樣（yàng）各10 件進行同載荷、同頻率下的疲（pí）勞壽命對比。試驗條件：（1）試驗機：EHF-EG100KN 型電液司（sī）服疲勞試驗（yàn）機；（2）加載（zǎi）方式：軸向加載；（3）應力比：R=0.1；（4）頻率：10Hz；（5）波形：正弦波；（6）試驗溫度及環境：在室溫（wēn）空氣中進行。試樣的外形尺寸，如圖3 所示。

      在疲勞試（shì）驗之（zhī）前，4 組試樣中各選大於3 件試樣進行靜拉伸試驗，確定抗拉強度δb 值，取其平均值（zhí）用於（yú）確（què）定試驗載荷，抗（kàng）拉強度δb 試驗結果，如表1 所示。

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

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

      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，得出試件疲勞試（shì）驗數據，如表2 所示。

      表中：X—對數平均（jun1）值；S—標準方差（chà）；Cv—變異係數；N50—中值壽命。四組疲勞試驗試樣斷口（kǒu）處疲勞源與斷裂形式大致相同，材料為2D12 並經過超聲波表麵光飾加工的試樣斷口圖片，如圖4所示。

      3.5 壽命（mìng）試驗

      針對LC9，使用某型飛機主係統液壓（yā）油箱活塞杆，該活塞杆（gǎn）材料為LC9，熱處（chù）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（róng）：經超聲（shēng）波表麵光飾加工並鍍（dù）鉻的（de）活塞杆裝入（rù）主係統液壓油箱，在室溫下進行活塞杆（gǎn）往複運動500 次，常溫試驗後進行高溫100±5℃和低溫（wēn）-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（wēn）試（shì）驗，在進行高（gāo）溫每1000 次後，進行一次（cì）低溫和常（cháng）溫的氣（qì）密性檢（jiǎn）查，應密封。試驗後分解檢查活塞杆應無損傷（shāng）、無變形（xíng），鍍層無脫落現象[8]。被試件（jiàn）受力狀況：每往複一次（cì），活塞（sāi）杆在液壓力的作用（yòng）下尺寸Φ36f7處受到F=15300N 和F=365～700N 各一次的交變載荷。試驗結果：常溫及高低溫壽命試驗後油箱密封性（xìng）檢查性能合格，壽命試驗後分（fèn）解檢查活塞杆無損傷，無變形，Φ36f7 表麵鉻層無（wú）脫落現象（xiàng）。

      4 結論

      （1） 超聲波表麵光（guāng）飾加工（gōng）是對金屬零件表麵進行無研磨劑的研磨（mó）和微（wēi）小變形處理，使金屬零（líng）件表（biǎo）麵（miàn）達到更理想的表麵粗（cū）糙度要求。（2）超聲（shēng）波表（biǎo）麵（miàn）光飾加工使表麵產生壓應（yīng）力，提（tí）高表麵的（de）顯微硬度、耐磨性及耐腐蝕性。（3）經過超聲波表麵光飾加工的鋁合金試件表麵硬質陽極氧化和鍍鉻後，鍍（化）層質量不低（dī）於常規（guī）加工的試（shì）樣。（4）經過（guò）超聲波表麵光飾加工的試件疲勞壽命有較（jiào）大（dà）幅度的提高。（5）超聲波（bō）表麵（miàn）光（guāng）飾加工技術（shù）可代替常（cháng）規加工完成鋁合金零件光飾表麵的加工。