1 引言  

      铝合金是重要的工业材料，特别被广泛用于航空宇航工业，被用于制作飞机、火箭的表面蒙皮、承力结构和连接紧固件。例如2D12 常用于制造摇臂、拉杆，LC9 主要用于桁条、蒙皮、接头，活塞杆等[1]。由于使用常规方法加工零件表面精度的提高会导致加工费用和时间的成倍提高，所以，我们需要采用新的加工手段以改变这种状况，超声波表面光饰加工就是其中一种可行的方法，它可以使回转体零件的表面粗糙度一次性提高三级以上，并显著提高表层硬度，提高表面的耐磨性及耐腐蚀性能，但由于航空产品所受的环境条件和载荷非常严酷，对结构的可靠性、安全性要求也越来越高，要求安全服役的疲劳寿命也越来越长，因此我们有必要对铝合金超声波加工对材料疲劳性能和表面处理性能的影响做一下研究和分析，以利于这种加工方法的推广和应用[2]。

      2 超声波表面光饰加工的原理

      超声波表面光饰加工原理图，如图1 所示。由超声波发生器产生超声振荡波，经换能器转换成超声机械振动，这种超声机械震动被变幅杆放大振幅，通过加工头（滚轮状）与工件接触，使加工头不断地撞击加工表面，在加工头瞬间正负交替的正压冲击波作用下。将被加工零件表面因刀具产生的微观轮廓峰顶压平，如图2 所示。并使表层组织更细密。因此，超声波表面光饰加工实质上是被加工零件受加工头高频机械冲击和挤压作用的综合结果[3-4]。

      3 试验内容及考核项目

      采用航空工业常用材料LC9 及2D12 为试验用料，每种材料各制两组试料，一组采用常规车工抛光为最终加工方式，另一组采用超声波表面光饰加工为最终加工方式，要求达到IT7 级的尺寸精度及Ra≤0.1μm 表面粗糙度[3]。对每种材料的两组试料进行以下方面的对比试验：金相组织对比分析，镀铬层对比分析，疲劳性能对比，寿命检查。

      3.1 加工后的试件材料检查

      3.1.1 裂纹检查

      检查方式为荧光检查，检查所有被加工试件表面有无裂纹及其它缺陷，经检查，被加工件表面无裂纹。

      3.1.2 表层金相分析

      经过对材料相同、加工方式各为常规加工和超声波加工的两组试样的加工表面金相对比，在500 倍显微镜下进行发现经超声波加工的试样表面组织较常规加工细密[5]。

      3.1.3 耐腐蚀性检查

      经过对材料相同、加工方式各为常规加工和超声波加工的两组的加工表面用5%稀盐酸20℃室温下进行耐腐蚀性检查，在稀盐酸中浸泡4h，目视检查发现超声波加工的试样表面腐蚀程度小，证明经过超声波表面光饰加工的试件有较高的耐腐蚀性。

      3.2 试件表面处理

      3.2.1 硬阳极化（对2D12）

      对材料为2D12 的两组试样进行硬质阳极氧化处理至硬阳极化层厚度为（50～60）μm，化后进行的外观质量检查，对试样各20 件进行100%质量检查，结果为：（1）两组试样膜层均匀完整，没有膜层疏松、电烧伤及过腐蚀现象；（2）膜层硬度均大于250HV。

      3.2.2 镀硬铬（对LC9）

      两组试样镀后外观检查，镀层无分层、脱落现象，在整个表面上粗糙度可达Ra≤1.6μm，其中，经超声波加工后的试样表面粗糙度可达Ra≤0.8μm。（1）两组试样镀层厚度均匀。（2）两组试样镀层结合力相近，且符合HB 5041 的规定。

      3.3 镀（化）后加工

      材料为2D12 并进行硬质阳极氧化的两组试样在化后进行了表面抛光加工以使表面粗糙度达到Ra≤0.1μm 的要求。加工过程中膜层均无脱落现象。材料为LC9 并进行表面镀铬处理的两组试样在镀后进行外圆磨削加工，以使表面粗糙度达到Ra≤0.1μm 的要求。加工过程中镀层均无脱落、起皮的现象[6]。

      3.4 疲劳对比试验

      每组试样各10 件进行同载荷、同频率下的疲劳寿命对比。试验条件：（1）试验机：EHF-EG100KN 型电液司服疲劳试验机；（2）加载方式：轴向加载；（3）应力比：R=0.1；（4）频率：10Hz；（5）波形：正弦波；（6）试验温度及环境：在室温空气中进行。试样的外形尺寸，如图3 所示。

      在疲劳试验之前，4 组试样中各选大于3 件试样进行静拉伸试验，确定抗拉强度δb 值，取其平均值用于确定试验载荷，抗拉强度δb 试验结果，如表1 所示。

      疲劳试验采用非对称循环，取应力比R=0.1，应力水平取0.65δb（该数据以前两根试样取0.6δb 时的试验结果确定），试验频率根据所用的疲劳试验机选用（10～15）Hz[7]，根据此，材料为LC9的试样疲劳试验载荷计算为：

      最大载荷：Pmax=0.65δb=0.65×571≈370.7MPa最小载荷：Pmin=0.1 Pmax=0.1×370.7=37.1MPa材料为2D12 的试样疲劳试验载荷计算为：

      最大载荷：Pmax=0.65δb=0.65×518.6≈337.6MPa最小载荷：Pmin=0.1 Pmax=0.1×337.6=33.8MPa经过疲劳试验，得出试件疲劳试验数据，如表2 所示。

      表中：X—对数平均值；S—标准方差；Cv—变异系数；N50—中值寿命。四组疲劳试验试样断口处疲劳源与断裂形式大致相同，材料为2D12 并经过超声波表面光饰加工的试样断口图片，如图4所示。

      3.5 寿命试验

      针对LC9，使用某型飞机主系统液压油箱活塞杆，该活塞杆材料为LC9，热处理至CGS1 状态，表面粗糙度Ra≤0.1μm，表面镀硬铬（40～60）mm。活塞杆简图，如图5 所示。试验内容：经超声波表面光饰加工并镀铬的活塞杆装入主系统液压油箱，在室温下进行活塞杆往复运动500 次，常温试验后进行高温100±5℃和低温-45℃下的活塞杆往复运动各3000 次。先进行高温试验，后进行低温试验，在进行高温每1000 次后，进行一次低温和常温的气密性检查，应密封。试验后分解检查活塞杆应无损伤、无变形，镀层无脱落现象[8]。被试件受力状况：每往复一次，活塞杆在液压力的作用下尺寸Φ36f7处受到F=15300N 和F=365～700N 各一次的交变载荷。试验结果：常温及高低温寿命试验后油箱密封性检查性能合格，寿命试验后分解检查活塞杆无损伤，无变形，Φ36f7 表面铬层无脱落现象。

      4 结论

      （1） 超声波表面光饰加工是对金属零件表面进行无研磨剂的研磨和微小变形处理，使金属零件表面达到更理想的表面粗糙度要求。（2）超声波表面光饰加工使表面产生压应力，提高表面的显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性。（3）经过超声波表面光饰加工的铝合金试件表面硬质阳极氧化和镀铬后，镀（化）层质量不低于常规加工的试样。（4）经过超声波表面光饰加工的试件疲劳寿命有较大幅度的提高。（5）超声波表面光饰加工技术可代替常规加工完成铝合金零件光饰表面的加工。