航空齿轮钢强化工艺与表面完整性关联规律研究

目的 探究不同加工工艺与表面完整性的关联规律。方法 对渗碳航空齿轮钢AISI9310 进行常规喷丸、二次喷丸、微粒喷丸、滚磨光整、喷丸光整等齿轮高表面完整性强化加工工艺处理,使用白光干涉仪、X射线衍射应力仪和显微硬度计对不同工艺状态下的试件进行表面形貌、表面粗糙度、残余应力和显微硬度等表面完整性表征。结果 喷丸能使得航空齿轮钢的表面粗糙度Sa值由磨削状态的0.68 μm增加到0.96 μm,而光整处理后,Sa下降到0.2 μm以下;微粒喷丸使表面残余压应力提升到–1 300 MPa,相比于常规喷丸和磨削状态,其幅值分别增加了450、800 MPa;滚磨光整使得表面残余压应力幅值进一步增加到1 400 MPa以上;二次喷丸及喷丸光整能显著提升表面硬度,相比磨削状态的645HV分别提升到718HV、721HV。 结论 二次喷丸、微粒喷丸、光整等工艺通过影响齿轮表面粗糙度、残余应力、硬度梯度等表面完整性参数,从而影响润滑状态、受力状态、应力集中、失效风险等,直接影响齿轮的服役性能。     

复合喷丸强化对A-100钢旋转弯曲疲劳寿命的影响

对未喷丸、一次喷丸和复合喷丸的A-100钢试样进行了表面形貌、表面粗糙度、残余应力场及旋转弯曲疲劳寿命的测试,研究表面形貌、表面粗糙度、残余应力场和旋转弯曲疲劳寿命的关系,揭示A-100钢复合喷丸强化机理。结果表明：与一次喷丸相比,在表面形貌方面,复合喷丸可获得更为平整的表面形貌和更低的表面粗糙度值,复合喷丸后,Rz值较一次喷丸降低24%~47%;在残余应力方面,复合喷丸的最大残余压应力值、最大残余应力值深度和最大残余应力场深度基本无变化,而近表层（0~100 μm）的残余压应力值增大。表面形貌的改善及残余压应力场是复合喷丸强化效果的两个主要成因。在一次喷丸的基础上,复合喷丸可进一步提高A-100钢的疲劳寿命,且可以在较低的喷丸强度下获得更优的强化效果。在σ_max=1000 MPa,R=-1条件下,其旋转弯曲疲劳寿命较未喷丸试样可提高50倍以上,较一次喷丸试样可提高5倍以上。     

基于DEM-FEM的微粒喷丸仿真分析

微粒喷丸作为一种新兴的喷丸工艺,由于工艺试验数据与仿真技术的缺失,其作用机理尚未探明。基于 ABAQUS 二次开发,采用离散元与有限元(DEM-FEM)相结合的方法,构建考虑初始残余应力与硬化层梯度的随机多弹丸微粒喷丸弹塑性模型,探究微粒喷丸的喷射速度与覆盖率对残余应力分布和表面粗糙度的影响规律。发现随着微粒喷丸喷射速度的增加, 靶体表面粗糙度的算术平均偏差 Sa 线性增加;覆盖率达到 100%后,覆盖率大小对 Sa 与残余压应力分布影响不大;喷射速度对于微粒喷丸的最大残余压应力值影响不大,但对残余应力层的厚度有显著影响。通过 DEM-FEM 耦合方法对微粒喷丸机理进行探究,为工艺参数的制定提供理论支撑。     

工艺参数对激光清洗GFRP脱模剂层影响研究

目的 有效去除GFRP表面的脱模剂,保证对玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度。方法 运用正交试验法,采用红外脉冲激光对玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)表面喷覆黑漆层的脱模剂层进行去除试验,研究激光的平均功率(15、20、25、30 W)、激光扫描速度(240、250、255、260 mm/s)和激光脉冲频率(70、80、90、100 kHz)对清洗后试件表面形貌和微观组织的影响规律,分别探讨不同激光参数下对GFRP材料表面粗糙度及胶接强度的影响规律。结果 在激光参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f=100 kHz下,可将脱模剂有效去除,且保留了玻璃纤维的完整性,同时表面粗糙度值Sa由原来的0.684 μm增加到稳定值(4.5±0.3)μm。随着平均功率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐增大,其胶接强度高于未表面处理的胶接强度。随着扫描速度的增大,试件表面粗糙度值Sa先减小、后增大。随着脉冲频率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐减小。结论 最佳试验制备激光清洗工艺参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f =100 kHz,在此参数下能有效去除脱模剂,玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度,有效保证GFRP板材表面质量,同时还有利于提高复合材料之间的胶接强度。该研究结果可为航空领域复合材料脱模剂的激光清洗提供工艺参数参考。     

GCr15轴套纵扭超声磨削表面形貌预测及试验研究

目的 构建纵扭超声磨削(LTUG)表面形貌预测模型,分析工艺条件和参数对表面粗糙度Ra值的影响,揭示GCr15轴套LTUG内圆表面形成机理。方法 基于弹性变形对LTUG单颗磨粒运动轨迹的影响,根据切削厚度概率密度函数和相邻磨粒轨迹重叠效应,建立了多磨粒超声振动作用下的最大未变形切削厚度模型,利用表面残余材料高度公式建立了GCr15轴套内圆磨削形貌预测模型,以LTUG和普通磨削(OG)方式对GCr15轴套内圆进行试验,采用正交试验验证表面形貌模型的准确性,观察并分析LTUG和OG作用后的GCr15轴套内圆表面形貌,最后利用所建立的表面形貌模型,研究磨削参数和超声振幅对表面Ra值的影响。结果 结果表明,基于所建立的表面形貌模型计算而得的表面Ra值与试验结果间的误差在13.2%以内,与OG相比,LTUG作用下的表面沟槽磨痕更均匀;LTUG作用下的表面轮廓呈现规律的周期性波动,且随振幅的增大,表面轮廓顶峰之间的间距逐渐增大;LTUG作用下的表面Ra值均低于OG,表面Ra值的降低幅度最大达到20%,随振动幅值的增大,表面Ra值逐渐减小,当振幅增大到一定程度时,表面Ra值呈现增大趋势。结论 建立的LTUG形貌预测模型具有良好的准确性,在合适的工艺参数下,LTUG可明显降低表面Ra值,与OG相比,在相同时间内,LTUG作用下的磨粒运动轨迹长度更长,且LTUG区域的弹性变形对磨粒运动轨迹和最大未变形切削厚度均有不同程度的影响。     

脉冲电化学光整加工中表面形貌变化试验*

探究脉冲电化学光整（PECF）加工过程中表面形貌变化特性及其工艺能力。在能实现表面良好加工效果的参数范围内, 对 304 不锈钢车削与磨削表面进行脉冲电化学光整加工,通过对加工前后表面微观形貌变化规律的对比分析,研究脉冲电化学光整加工工艺对不同表面的整平能力。试验结果表明：脉冲电化学光整加工车削和磨削表面所能获得的最终表面粗糙度大体相当,加工后两种表面粗糙度 Ra、R_z 和 R_sm值处于同一量级,分别达到 0.09、0.7、50 μm 左右。表面微观形貌趋于一致, 表面完整性良好,表面特征指标不具有显著差异性。脉冲电化学光整加工车削和磨削表面的形貌变化过程有所差别,车削表面存在由原始表面形貌向脉冲电化学光整加工表面形貌转变的一段中间过程,磨削表面形貌则在短时间内迅速转变为脉冲电化学光整加工表面形貌。对原始表面较为粗糙的零件或者难以采用磨削加工的薄壁件,PECF 加工是一种具有实际应用价值的加工方式,且对于一些具有特殊要求的功能性表面形貌,车削后进行 PECF 加工可能成为一种新的加工方法。     

各向异性对IC10高温合金磨削表面完整性的影响

目的 探究IC10单晶高温合金缓进磨削表面完整性的影响因素,提高关键零件的使用性能。方法 通过制备不同晶面、同一晶面不同晶向试块,采用刚玉砂轮在同一工艺参数下开展缓进磨削实验,研究各向异性对工件表面粗糙度、表面形貌、显微硬度和塑性变形层的影响。结果 在vs = 20 m/s,vw = 150 mm/min,ap = 0.2 mm条件下,不同晶面磨削后的平均表面粗糙度Ra为0.3~0.4 μm,其中(001)晶面加工后的平均表面粗糙度Ra为0.32 μm,加工纹理均匀且轮廓起伏变化程度最小,(011)晶面的平均表面粗糙度Ra为0.35 μm,(111)晶面的平均表面粗糙度Ra为0.39 μm,其表面出现了深的犁沟及凹坑等现象;不同晶面加工后工件表面均发生了硬化,硬化程度由强到弱依次为(001)、(011)、(111)晶面;不同晶面磨削后表面存在微米级厚度的塑性变形层,其中(111)晶面塑性变形层最厚,厚度为3.6 μm,(011)和(001)晶面的厚度分别为2.8、2 μm。(001)晶面在不同晶向磨削后工件的表面粗糙度、表面形貌、显微硬度和塑性变形层则无明显的规律性变化。结论 IC10单晶高温合金各向异性对磨削后工件表面完整性具有一定影响,不同晶面由于塑性变形难度存在差异,导致磨削后其表面完整性存在规律性变化,其中(001)晶面加工后的表面粗糙度最低,加工纹理最平整,显微硬度最大,塑性变形层厚度最小。由于显微组织呈现随机分布的圆形、方形、三角形等形态,且不规则,导致同一晶面不同晶向对磨削后工件表面完整性的影响无明显规律。     

热处理对超声喷丸TC4疲劳性能的影响

对TC4进行超声喷丸（USSP）处理得到表面梯度结构,并于350 ℃分别进行60、120、180和240 min热处理。采用光学显微镜（OM）表征其微观组织,X射线衍射仪（XRD）测得残余应力场分布;通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）分别对其疲劳断口形貌、裂纹源组织进行表征。结果表明,超声喷丸处理引入的残余应力场,随热处理时间的延长,残余应力特征参数值（σ_srs、σ_mrs、Z_m和Z₀）逐渐降低。原始试样疲劳裂纹从表层萌生,超声喷丸试样疲劳裂纹以单一裂纹源形式从次表层萌生,超声喷丸+热处理试样以多源裂纹形式从次表层萌生。     

振幅对超声辅助磨削C/SiC复合材料表面形貌的影响

目的 通过超声振动辅助磨削加工技术加工C/SiC复合材料可以改变材料的去除方式,通过改变超声振幅能够提高材料去除率并获得较好的表面质量,从而成为C/SiC复合材料的新型加工方式。方法 采用超声辅助磨削技术对C/SiC复合材料进行加工,通过改变超声振幅,观察C/SiC复合材料在不同切削角度下的纤维去除机理、纤维断裂形式,测量不同切削角度下工件表面粗糙度Sa。结果 磨削过程中C/SiC复合材料的去除方式以脆性去除为主,纤维损伤形式以纤维断裂、纤维破碎为主。增大超声振幅后,纤维断裂形式增大并伴随出现基体破碎现象。随着超声振幅的增大,不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下测得的表面粗糙度Sa显著减小,降低约15%~41%。结论 由于超声振动的作用,C/SiC复合材料在不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下的材料去除方式发生改变,相比于常规磨削的纤维断裂形式,施加超声振动后,磨削过程中产生的纤维折断和基体破碎被去除,在提高材料去除率的同时,表面质量明显提高。随着超声振幅的增大,不同切削角度(0°、45°、90°、135°)下的表面粗糙度Sa都减小,且减小程度也不同,减小程度由大到小的顺序为45°>135°>90° >0°。     

喷丸处理对45钢表面Al+注入层抗高温氧化性的影响

为改善45钢的抗高温氧化性能，在其表面制备单一Al⁺注入层和喷丸+Al⁺注入层。检测表征改性层的表面粗糙度、显微硬度、微观形貌、以及铝元素含量，并进行600℃、200 h下的抗高温氧化性能试验。研究结果表明：喷丸处理45钢表面呈现出凹坑、丘陵状、具有近似等轴状纳米晶结构，Al⁺注入使纳米晶进一步细化。喷丸处理使45钢的表面粗糙度Ra从0.42 μm增至1.15 μm，显微硬度、注入铝元素含量及氧化增重分别从单一Al⁺注入层的257 HV_0.05增至喷丸+Al⁺注入层的最高505 HV_0.05，从3.7%增至4.2%和从14.8 mg·cm^-2降至8.3 mg·cm^-2。即喷丸处理有效增强了45钢表面Al⁺注入层的抗高温氧化性能。     

三维高斯粗糙表面数字化模拟方法

粗糙表面的数字模拟是工件接触性能研究的前提与基础。针对现有粗糙表面模拟方法的不足,提出一种新的三维高斯粗糙表面数字化模拟方法。根据设定的自相关函数矩阵构造求解转换矩阵的非线性方程组,采用改进的非线性共轭梯度法进行求解,根据得到的转换矩阵对随机矩阵进行变换,得到三维高斯粗糙表面的高度分布。最后利用提出的方法模拟了各向同性、异性两种高斯粗糙表面,通过对比分析模拟粗糙表面自相关函数,验证了该方法的有效性。     

The effect of machined topography and integrity on fatigue life

The paper reviews published data which address the effect of machining (conventional and non-conventional processes) and the resulting workpiece surface topography/integrity on fatigue performance, for a variety of workpiece materials. The effect of post-machining surface treatments, such as shot peening, are also detailed. The influence of amplitude height parameters (Ra, Rt), amplitude distribution (Rsk) and shape (Rku) parameters, as well as spatial (Std, Sal) and hybrid (Ssc) measures, are considered.There is some disagreement in the literature about the correlation between workpiece surface roughness and fatigue life. In most cases, it has been reported that lower roughness results in longer fatigue life, but that for roughness values in the range 2.5–5 μm Ra it is primarily dependent on workpiece residual stress and surface microstructure, rather than roughness. In the absence of residual stress, machined surface roughness in excess of 0.1 μm Ra has a strong influence on fatigue life. Temperatures above 400 °C reduce the effects of both residual stress and surface roughness on fatigue, due to stress relieving and the change in crack initiation from the surfaces to internal sites. The presence of inclusions an order of magnitude larger than the machined surface roughness generally overrides the effect of surface topography.     

Anticorrosion property enhancement of Al–Li alloy 2A97 by lowering machined surface roughness

In this study, after face-milling Al–Li alloy 2A97 under dry machining condition, the machined surface roughness S_a and S_z are dealt with statistical analyses. Then, the supplementary face-milling trials are conducted to verify the analyses and gain the effect of the feed rate per tooth (f_z) on S_a and S_z. Lastly, the electrochemical impedance spectroscopy tests are conducted on the machined surfaces to determine their corrosion resistance. The variance analyses show that although f_z and the depth of cut are more important than the width of cut and the cutting speed, each of the four parameters is individually insignificant to S_a and S_z. Therefore, the quadratic regression models that take the interaction effects of the parameters into consideration are established. The validity of the models is proved with the comparisons between the measured and calculated S_a and S_z. The equivalent circuit models are proposed on the basis of the shape characteristics of the impedance spectra for machined surfaces. The estimations from the circuit models reveal the superiority in the corrosion resistances of face-milled surfaces with the optimized surface roughness.     

非对称表面织构表征及动压润滑效应分析

目的 建立具有非对称表面织构的粗糙平面的表征方程,并分析方程参数对其形貌的影响,依托表征方程重建的织构平面研究非对称表面织构在动压润滑条件下的润滑特性.方法 根据非对称织构平面的加工过程,基于W-M函数重构粗糙表面,再叠加非对称织构形貌特征方程,实现不同尺寸非对称表面织构的数学表征,利用Matlab软件对方程中表面织构...     

Accuracy of replica materials when measuring engineering surfaces

This paper presents a comprehensive study of three different materials used for surface roughness replication on five different types of machined surfaces. Steel sheets (electron beam texturing and shot blasted texturing), a cylinder liner, a crankshaft and a face-ground surface. The three different replica materials used were Araldite, Microset and Technovit. The surfaces were measured with the non-contact WYKO interference instrument, zoomed to relocate the same area on the original and on the replicas. Finally, three-dimensional surface parameters were calculated to compare each replica with the original surface.The results show that all materials are possible to use in order to measure and calculate three-dimensional surface parameters, but they have some peculiarities. The three replicas all show good accuracy on all surfaces, with deviations <10%, except for the crankshaft. Only Araldite and Technovit occasionally show S_z values that are >10% too high due to a small number of pores in these materials. Replicas in the Microset material in general show somewhat lower parameter values than the original surface. All replicas showed some problems on the fine-ground crankshaft with an enlargement of the fine structure, resulting in parameters ca 20% too large. The deviation of surface parameters on repeated measuring on replicas is considerably larger than on repeated measuring of the original surfaces.     

Simulation of diamond-ground surfaces

State-of-the-art models available for predicting the characteristics of diamond-ground surfaces entail digitization of wheel topography which limits their practical utility. This paper presents a geometric simulation of surface generation in diamond grinding, that utilizes wheel topography data obtained from simulated three-dimensional structure of the diamond grinding wheel. Simulation results are validated by surface grinding experiments on a variety of materials that exhibit different material removal mechanisms, with the roughness parameters R_a and R_t, the autocorrelation function and the fractal dimension as the comparison indices. A parametric study on the effect of various grinding parameters on surface finish is also reported, with particular emphasis on identifying and minimizing process-inherent variability.     

6016铝合金的电磁驱动机械锤击平整加工

目的探究机械锤击平整加工对提高铝合金表面完整性和硬度的作用效果,研究锤击参数对平整表面质量的影响规律。方法采用电磁驱动机械锤击技术对6016铝合金进行平整加工,研究基于光栅路径的电磁驱动机械锤击加工机理,并提出主要锤击参数,进而分析主要锤击参数对平整表面质量的影响规律。利用泰勒霍普生轮廓仪、光学显微镜和维氏硬度仪分别获得机械锤击后铝合金的表面粗糙度、表面形貌以及硬度。结果电磁驱动机械锤击后,铝合金表面粗糙度达到0.05μm,获得了类似镜面的锤击表面。相对于铣削后的表面,机械锤击可消除铣削痕迹,没有明显的表面缺陷和划痕,具有良好的表面平顺能力,同时硬度可提升大约25%~32%。小节距和进给速度、高锤击频率有助于减小表面粗糙度和提高硬度。此外,节距是最重要的锤击参数,极大地影响表面粗糙度和加工效率。结论电磁驱动机械锤击对6016铝合金具有很好的表面强化和平整能力,可大幅减小表面粗糙度,并适当提高表面硬度,是一种新颖、有效、绿色的平整方式。     

喷丸对DD6单晶合金表层状态及低周疲劳性能的影响

研究喷丸强化对单晶合金表面粗糙度、残余应力及梯度和组织形态等表层性能的影响,并通过低周疲劳性能实验评价喷丸参数的影响,结合表层性能和断口分析,探讨喷丸强化机理。结果表明:改进侧倾法适用于测试DD6单晶喷丸强化后的表面残余应力,极图法适用于测试喷丸强化残余应力梯度;经喷丸强化后,DD6单晶的低周缺口疲劳寿命明显提高,其中采用陶瓷丸、喷丸强度0.20 mmA试样的疲劳寿命最高,其平均寿命较原始试样提高6.5倍;随着喷丸强度提高,虽表面粗糙度增大,但DD6单晶残余压应力深度及表层位错密度增加,使其疲劳寿命延长。