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，被用於製作飛機、火箭的表麵蒙皮、承力結（jié）構和連接緊固（gù）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，活塞杆等[1]。由於（yú）使用常規方法加工（gōng）零件表麵精度（dù）的提高會導致加工費用和時間的成倍提高，所以（yǐ），我們需要采用新的加工手段以改變這種狀況，超聲波表麵光飾加（jiā）工就是其中一種可行的方法，它可以使（shǐ）回轉體零（líng）件的表麵粗糙度一次性提高（gāo）三級以上，並顯著提高表層（céng）硬（yìng）度，提高表麵的耐磨性及耐腐蝕性能，但由於航空產品（pǐn）所（suǒ）受的環境條件和載荷非常嚴酷，對結構（gòu）的可靠性、安全性（xìng）要求也越來越高，要求安全服（fú）役的疲勞壽命也越來越長，因此我們有必要對鋁合金超聲波加工對材料（liào）疲勞性能和表麵處理（lǐ）性能的影響做一下研究和（hé）分析，以利於這種加工方法的（de）推（tuī）廣和應用（yòng）[2]。

      2 超聲波表麵光飾加工的原理

      超聲波表麵光飾加工原理圖，如圖1 所示。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大振幅（fú），通過加工頭（滾輪狀）與工件接觸，使加工（gōng）頭不斷（duàn）地撞擊加（jiā）工表麵，在加（jiā）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（guān）輪廓峰（fēng）頂壓平，如圖2 所示。並（bìng）使（shǐ）表層組織更細（xì）密。因此，超聲波（bō）表麵光飾加工實質上是被加（jiā）工零（líng）件受加工頭高頻機械（xiè）衝擊（jī）和擠壓作用的綜合結果[3-4]。

      3 試（shì）驗內容（róng）及考核項目

      采用航空工業常用材料LC9 及2D12 為試驗用料，每種（zhǒng）材料各製兩組（zǔ）試料，一組采用常規車工（gōng）拋光（guāng）為最終加工方式，另一組采（cǎi）用超（chāo）聲波表麵光飾加（jiā）工為（wéi）最終加（jiā）工（gōng）方式，要求達到IT7 級的尺寸精度及Ra≤0.1μm 表麵粗糙度[3]。對每種（zhǒng）材料的兩組（zǔ）試料進行以下（xià）方麵的對比試驗：金相（xiàng）組織對比分析，鍍鉻（gè）層對比分析（xī），疲勞性能對比，壽命檢查。

      3.1 加工後的試（shì）件（jiàn）材料檢查

      3.1.1 裂紋檢查

      檢查方式（shì）為熒光檢查，檢查所有被加工試件表麵有無裂紋及其（qí）它缺陷，經檢查，被加工件表（biǎo）麵無裂紋。

      3.1.2 表層金相（xiàng）分析

      經過對材料相同、加工方式各為常（cháng）規加工和超聲波加工的（de）兩組試樣的加工表麵金相對比，在500 倍顯微鏡下進行發現（xiàn）經超聲波加工的試樣表麵組織較常規加工細密[5]。

      3.1.3 耐腐蝕性檢查

      經過對（duì）材（cái）料相同、加工方式各為常規加工和超（chāo）聲波加工的兩組的加工表麵用5%稀（xī）鹽酸20℃室溫下進行（háng）耐腐蝕性檢查，在稀鹽酸中浸泡4h，目視檢查發現超聲波加工的試樣表麵腐蝕程度小，證（zhèng）明經過超聲波表麵光飾加（jiā）工的試件有較高的耐腐蝕性。

      3.2 試件表麵處理（lǐ）

      3.2.1 硬陽極化（對2D12）

      對材料為2D12 的兩組試樣進行硬質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%質量檢查，結果為：（1）兩（liǎng）組試（shì）樣膜層均勻完整，沒有膜層疏鬆、電（diàn）燒傷及過腐蝕現象；（2）膜層硬度均大於250HV。

      3.2.2 鍍硬鉻（對LC9）

      兩組試樣鍍（dù）後外觀檢查，鍍層無分層、脫落現（xiàn）象，在整個表麵（miàn）上粗糙度可達Ra≤1.6μm，其（qí）中，經超聲波加（jiā）工（gōng）後的試樣表麵粗糙度（dù）可達（dá）Ra≤0.8μm。（1）兩組試樣鍍層厚度均勻。（2）兩（liǎng）組試（shì）樣（yàng）鍍層結合力相近，且符合HB 5041 的規定。

      3.3 鍍（化）後加工

      材料（liào）為2D12 並進行硬質陽極氧化的兩組試樣在化後（hòu）進行（háng）了表麵拋光加工以使表麵粗糙度達到Ra≤0.1μm 的（de）要求。加工過程中（zhōng）膜層均無（wú）脫落現象。材（cái）料為LC9 並（bìng）進行表（biǎo）麵（miàn）鍍鉻處理的兩組試樣在鍍後進行（háng）外圓磨（mó）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、起皮的現象[6]。

      3.4 疲勞對（duì）比試驗

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

      在疲勞試驗之前，4 組（zǔ）試樣中各選大於3 件（jiàn）試樣（yàng）進行（háng）靜拉伸試驗，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，如表1 所示。

      疲勞試驗采用非對稱循環，取（qǔ）應力比R=0.1，應力水（shuǐ）平取0.65δb（該數據以前兩根試樣（yàng）取0.6δb 時的試驗結果確定），試驗頻率根據所（suǒ）用的疲勞試（shì）驗機選（xuǎn）用（10～15）Hz[7]，根據此，材料為LC9的試樣疲（pí）勞試驗（yàn）載荷計算為：

      最大載荷：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（hé）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，得出試件疲勞試驗數據，如表2 所示。

      表中（zhōng）：X—對數平均值；S—標準（zhǔn）方差；Cv—變異係數；N50—中值壽命。四組疲勞（láo）試驗試樣（yàng）斷口（kǒu）處疲勞源與斷裂（liè）形式大致相同，材料為2D12 並經過超聲波表麵光（guāng）飾加工（gōng）的試（shì）樣斷口圖片，如圖4所示（shì）。

      3.5 壽命試驗

      針對LC9，使用某型飛機主係（xì）統液壓（yā）油箱活塞杆（gǎn），該活（huó）塞杆（gǎn）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（tú），如圖5 所示。試驗內容：經超（chāo）聲（shēng）波表麵（miàn）光飾加工並鍍鉻的活塞杆裝入主係統液壓油箱，在室溫下進行活塞杆往複運動500 次，常溫試驗後進行高溫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（wēn）試（shì）驗，在（zài）進行高溫每1000 次後，進行一次低溫和常溫的氣密性檢查，應（yīng）密封。試驗後分解檢查活塞杆（gǎn）應無損傷、無變形，鍍層無脫落現象[8]。被試件受力狀況：每往複一次，活（huó）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（hé）。試驗結果：常溫及高低溫（wēn）壽命（mìng）試驗後油箱密封性檢查性能合格，壽命試驗後分解檢查活塞（sāi）杆無損傷，無變形，Φ36f7 表麵鉻層無脫落現象。

      4 結論

      （1） 超聲波表麵光飾加工是對金屬零件表麵進行無研磨劑的研磨和（hé）微小變形處理，使金屬零件表麵達到（dào）更（gèng）理想的表麵（miàn）粗糙度要求。（2）超聲波表麵光飾（shì）加（jiā）工使表麵產生壓應力，提高（gāo）表麵的顯微硬度、耐磨性（xìng）及耐腐蝕性。（3）經過超聲波表麵（miàn）光飾加工的鋁合金試件表麵（miàn）硬質陽極氧化和鍍鉻（gè）後，鍍（化）層（céng）質（zhì）量不（bú）低於常規加工的試樣。（4）經過超聲波表麵光（guāng）飾加工的試件疲勞壽命有較（jiào）大幅度的提（tí）高。（5）超聲波表麵光飾加工（gōng）技術可代替常規加工完成鋁（lǚ）合金零件光飾表麵的加工。