發布日期：2025-11-14 9:34:12
1、引言
撓性膜盤聯軸器為旋轉機械提供一種高性能的聯接方式，它可以在傳遞扭矩的同時，依靠特定型面的金屬膜盤的變形來吸收機組不對中所產生的不規則應力，具有補償不對中能力強，對機組產生的附加應力小等優點。廣泛應用于由燃氣輪機，蒸汽機組和電動機組驅動的各類泵，風機，壓氣機組。
薄壁零件－膜盤為撓性膜盤聯軸器的核心部件，工作中承載高頻交變應力。隨著各種技術指標，尤其是產品壽命的大幅提高，對膜盤的疲勞壽命與承載能力提出了更高的要求。功率分出軸在線測試結果表明，功率分出軸工作時，膜盤型面轉角處應力水平最高，為膜盤聯軸器的薄弱環節，刀痕在此處易引發應力集中，導致裂紋形成，因此需要通過降低膜盤表面粗糙度并提高硬度與硬化層厚度的方式來強化膜盤以抑制此現象。
對于提高TC4鈦合金表面質量，各學者進行了大量研究。Bozadna等[1]對TC4鈦合金進行超聲振動表面強化加工實驗，實驗小組對超聲振動表面強化加工中的靜壓力進行分析，證明其是提高材料表面硬度的關鍵因素之一，并且能夠有效提高材料表面質量。Liu等[2]基于多物理場耦合仿真，揭示了預壓力與振動幅值對殘余應力場的協同調控機制，為本研究參數優化提供了理論參考。吳杰等人[3]提出單軸拉伸彈性應力場的輔助可增強超聲滾壓所產生的表面壓縮殘余應力，進一步驗證了表面殘余應力與硬度的正向關系。鄭開魁等人[4]研究了超聲振動滾壓與材料的表面摩擦磨損性能的關系，結果表明超聲滾壓有效提升了材料的摩擦磨損性能。
綜合現有的研究，超聲振動滾壓技術被證實對TC4鈦合金表面具有顯著的強化效果。但針對撓性膜盤聯軸器TC4鈦合金膜盤的強化研究仍存在不足：
其一，現有參數優化多聚焦于單一性能指標（如粗糙度或硬度），缺乏對型面精度控制（輪廓度、壁厚均勻性）的系統性分析；其二，工程應用中效率與性能的平衡機制尚未明確。因此現通過調整超聲電源功率、加工表面線速度、進給速度、預壓力和表面強化次數等關鍵加工參數，針對上述問題進行單因素實驗，揭示這些參數對TC4鈦合金膜盤表面粗糙度、硬度、硬化層厚度、型面輪廓度和壁厚控制點等多方面的影響。這些研究結果有助于優化TC4鈦合金膜盤的超聲滾壓強化工藝。
2、超聲振動滾壓表面強化原理
如圖1所示，超聲振動振子系統中的滾珠將高頻振動作用于工件表面，將較高的微觀凸起通過塑性流動對較低的微觀凹陷進行填充，從宏觀和微觀方面同時作用于加工材料[5]。超聲振動與靜壓力會在部件表層引入殘余應力場（CRSF）[6]，其能改變疲勞循環的平均應力幅值，使疲勞的應力循環次數曲線上移。
最終達到降低零件表面粗糙度、提高表面硬度的效果，顯著提高了零件的抗疲勞性能[7]。與傳統表面強化加工相比，加入超聲振動進行表面強化加工能夠大大減小對工件表面的壓力，減少表面強化頭與被加工工件之間的磨損[8]，改善表面強化頭與被加工工件之間的接觸條件，延長加工質量與表面強化加工設備的壽命[9]。
3、實驗細節
3.1實驗材料
實驗對象為薄壁零件-膜盤，材料為TC4鈦合金。經過車削加工后，膜盤內沿的表面粗糙度達到了Ra0.752μm，硬度則測得為302.8HV。如圖2所示為鈦合金膜盤零件，其化學成分如表1：
表 1 TC4 鈦合金材料成分表
（Tab.1 Composition Table of TC4 Titanium Alloy Material）
| 元素 | 質量分數 /% |
| Ti（鈦） | 89.239 |
| Al（鋁） | 6.170 |
| V（釩） | 4.230 |
| Fe（鐵） | 0.150 |
| C（碳） | 0.030 |
| N（氮） | 0.020 |
| H（氫） | 0.001 |
| O（氧） | 0.160 |
| 注：原表格僅標注 “組成 /%” 及對應數值，結合 TC4 鈦合金（Ti-6Al-4V）常規成分及行業標準，補充元素名稱以明確成分對應關系。 |
3.2實驗平臺與檢測方法
實驗裝置搭載于如圖3所示的HARDINGEELITE65ULTRA數控車床上。
該機床采用FANUC系統，雙速電機驅動，手動有極換擋調速，可以手動調節12檔，并對應著不同的主軸轉速，其具體參數信息如表2所示。
表 2 HARDINGE ELITE 65 ULTRA 數控車床技術參數表
（Table 2 Technical Parameters of HARDINGE ELITE 65 ULTRA CNC Lathe）
| 技術規格 | 參數詳情 |
| 主傳動 | 3kW/4.5kW 雙速電機，手動有極換擋調速（12 檔） |
| 床身最大工件回轉直徑 | φ400mm |
| 刀架橫向（X 軸）最大行程 | 230mm |
| 刀架縱向（Y 軸）最大行程 | 625mm |
| 刀架最大工件回轉直徑 | φ200mm |
| 主軸參數 | 主軸孔直徑 φ52mm；主軸孔錐度莫氏 6 號；主軸前端軸承直徑 φ90mm；主軸轉速范圍 32~2000r/min |
| 加工長度 | 最大工件長度 750mm；最大加工長度 620mm |
| 快速進給速度 | 橫向：4000mm/min；縱向：5000mm/min |
| 切削進給范圍 | 0.01~500mm/r |
| 工件表面粗糙度（加工能力） | Ra1.6μm |
| 主軸中心高 | 200mm |
超聲振動滾壓實驗加工前后，分別采用日本基恩士超景深顯微鏡、美國布魯克白光干涉儀對鈦合金膜盤表面粗糙度值、硬度值、硬化層厚度、型面輪廓度以及型面壁厚控制點進行檢測，對比超聲振動滾壓前后測得的各項數值，分析超聲振動滾壓處理對鈦合金膜盤的表面質量提升效果。
3.3實驗設計
改變超聲電源功率、加工表面線速度、進給速度、預壓力與表面強化次數五個加工參數，實施了針對TC4鈦合金膜盤的表面超聲振動滾壓單因素實驗，深入探究了各參數對膜盤表面質量的獨立影響，以期確定最佳的加工參數組合。實驗參數如表3所示。
表 3 超聲滾壓加工參數
（Tab.3 Parameters of Ultrasonic Rolling Processing）
| 組號 | 超聲功率（W） | 加工表面線速度（m/min） | 進給速度（mm/r） | 預壓力（N） | 加工次數（次） |
| A | 50、100、150、200、250 | 10（固定） | 0.01（固定） | 20（固定） | 1（固定） |
| B | 150（固定） | 8、10、12、14、16 | 0.01（固定） | 20（固定） | 1（固定） |
| E | 150（固定） | 10（固定） | 0.01（固定） | 20（固定） | 1、3、5 |
| 注：表格按單因素實驗設計邏輯整理，每組僅改變 1 個變量（標注為 “50、100、150、200、250” 等），其余參數保持固定。 |
4、實驗結果與討論
4.1超聲振動功率對表面強化效果的影響
選取超聲功率范圍為50W至250W，加工表面線速度為10m/min，進給速度為0.01mm/r，預壓力為20N。不同超聲功率下滾壓加工后試樣各表面質量參數如圖4所示。隨著超聲振動功率從50W到250W的不斷增強，膜盤表面粗糙度值（Ra）先減小后增大，在超聲振動功率為150W時，膜盤表面粗糙度達到最低為Ra0.227μm，與加工前（0W）相比降低了69.8%，硬度（HRC）、硬化層厚度（μm）、型面輪廓度與型面壁厚控制點均增大。上述結果表明，合適的超聲功率可以有效降低膜盤表面粗糙度，提升材料的硬度與硬化層厚度，功率過高（>150W）時，超聲振幅的過度增大導致材料表面塑性流動失衡，引發微裂紋與不均勻形貌[11]，導致粗糙度顯著升高，綜合性能表現選取超聲電源功率為150W。
圖5為不同超聲功率下試樣表面微觀形貌。如圖5(a)(b)所示，此時超聲功率較低時，滾珠振幅較小，加工區域表面的微觀凸起發生塑性形變被擠向較淺的微觀凹陷，而較深的凹陷無法得到有效填充。如圖5(c)所示，隨著超聲功率的提升，振幅隨之增大，之前較深的未被填充的凹陷被填平，因此粗糙度降低，具有較好的光整效果。如圖5(e)(f)所示，此時超聲功率過大導致振幅過大，使得平整部分重新形成凹陷與凸起，從而粗糙度增大[12]。
4.2加工表面線速度對表面強化效果的影響
選取加工表面線速度范圍為8～16m/min，超聲功率為150W，進給速度為0.01mm/r，預壓力為20N。不同線速度下滾壓加工后試樣各表面質量參數如圖6所示。與未加工前相比，表面粗糙度大幅下降。隨著加工表面線速度從8—16m/min的不斷提高，膜盤表面粗糙度值（Ra）先減小后增大，在加工表面線速度為10m/min時達到最低值Ra0.232μm，膜盤表面硬度（HRC）與膜盤表面硬化層厚度（μm）接近線性降低，型面輪廓度接近線性增加，型面壁厚控制點先降低后增加，在加工表面線速度12m/min時達到最低值0.008mm。上述結果表明，該小節實驗與4.1小節實驗類似都具有閾值效應，過高的參數會造成加工表面二次粗糙化，而合適的線速度可以降低粗糙度的同時保持較好的型面質量，過高的線速度則會使得材料的硬度與硬化層厚度急劇下降。因此選取線速度10m/min作為最佳參數。
4.3進給速度對表面強化效果的影響
選取進給速度范圍為0.01～0.04mm/r，超聲功率為150W，加工表面線速度為10m/min，預壓力為20N。不同進給速度下滾壓加工后試樣各表面質量參數如圖7所示。與加工前相比，粗糙度下降，硬度與硬化層厚度提高，膜盤得到一定程度強化。隨著進給速度從0.01-0.04mm/r的不斷提高，膜盤表面硬度（HRC）與硬化層厚度接近線性降低，膜盤表面粗糙度（Ra）、型面輪廓度與型面壁厚控制點接近線性升高。上述結果表明，較低的進給速度可以保證良好的表面質量與疲勞強度，同時鈦合金膜盤對進給速度的敏感性較高，需采用低進給策略（0.01mm/r)確保均勻強化。
在加工表面線速度較低時，工具與工件接觸時間較長，超聲振動的高頻沖擊和預壓力能夠更充分的作用于材料表面，促進晶粒細化和深層塑性變形[13]，從而提高表面硬度和殘余壓應力層的深度，且能較好地保證型面輪廓度。線速度的提升導致接觸時間縮短，每次超聲沖擊的作用時間也隨之減少，進而減弱了表面硬化效果，硬度因此下降，硬化層厚度也相應減小。同時工具頭與材料的接觸狀態從滾動摩擦變成滾滑動復合摩擦，摩擦力增加，導致材料表面劃傷，并且重復加工與未加工區域將變多，使得粗糙度增加。
在較低進給速度時，工具在單位面積上的停留時間較長，超聲振動的高頻沖擊和預壓力能夠充分傳遞能量，促進膜盤表層晶粒細化并形成均勻的深層塑性變形層[14]，從而使得硬度與硬化層厚度增加。隨著進給速度的增加，單位面積的作用時間縮短，表面強化效果減弱，導致塑性變形局限于表層，造成硬化層厚度與硬度降低，同時軌跡重疊率降低，形成周期性振紋，使得膜盤表面加工不均勻，造成表面粗糙度增大。
4.4預壓力對表面強化效果的影響
選取預壓力范圍為10～50N，超聲功率為150W，加工表面線速度為10m/min，進給速度為0.01mm/r。不同預壓力下滾壓加工后試樣各表面質量參數如圖8所示。隨著預壓力從0-50N的不斷提高，膜盤表面硬度、表面硬化層厚度、型面壁厚控制點、型面輪廓度均呈現接近線性升高，膜盤表面粗糙度先大幅下降再上升。上述結果表明，一定的預壓力可以提供加工后的膜盤硬度與硬化層厚度，但是不利于對型面輪廓度的控制。綜合加工表面質量與型面控制，選取最佳預壓力為20N。
在較低預壓力時，滾珠對膜盤表面的預壓與高頻沖擊總體作用較小，工具對膜盤表面的削峰填谷作用減弱，塑性變形局限于表層，晶粒細化效果弱[15]，硬度提升有限。隨著預壓力的提升，增大了工具與膜盤的接觸面積和初始變形量，迫使材料表層發生更劇烈的塑性流動，促進位錯運動和動態再結晶[16]，形成更細的納米晶或亞晶結構，顯著提高表面硬度。但過高的預壓力會對材料造成壓潰，形成微型裂紋，增大粗糙度[17]。
4.5表面強化次數對表面質量的影響
選取強化次數范圍為1~5次，超聲功率為150W，加工表面線速度為10m/min，進給速度為0.01mm/r，預壓力為20N。不同強化次數下滾壓加工后試樣各表面質量參數如圖9所示。隨著表面強化次數從1-5的不斷提高，膜盤表面粗糙度值（Ra）、型面輪廓度與型面壁厚控制點呈現接近線性降低，膜盤表面硬度（HRC）與硬化層厚度線性提升。上述結果表明，多次強化可以有效提高膜盤的硬度與硬化層厚度，同時對于降低粗糙度與控制型面輪廓有很好的作用。考慮到加工效率，選取加工次數為1次，若加工零件有高疲勞壽命要求，則可以提高加工次數至3到5次。
低強化次數（1~2次）時，首次滾壓引發的塑性流動初步細化晶粒，但位錯密度尚未飽和，硬化層較淺。隨著次數增加至5次，累積沖擊能量促使晶粒尺寸從亞微米級（≈500nm）向納米級（<100nm）轉變[18]，同時位錯纏結與動態再結晶協同作用[19]，形成均勻的梯度硬化層（深度>300μm），塑性變形逐漸向材料深層擴展，硬度與硬化層厚度進一步增加。表明強化次數的增加通過累積位錯密度促進深層納米化[20]。
5、結論
通過改變超聲電源功率、加工表面線速度、進給速度、預壓力與表面強化次數五個加工參數，進行膜盤表面超聲振動滾壓單因素實驗研究，并總結各加工參數對膜盤表面粗糙度、硬度、硬化層厚度、型面輪廓度與壁厚控制點的影響規律進行總結分析，獲得了改善TC4鈦合金膜盤表面質量的最佳加工參數，本研究的主要研究結論如下：
1）工藝參數對表面質量為非線性影響：超聲電源功率與線速度具有閾值效應，超聲電源功率>150W時，振幅過大導致塑性流動逐漸失衡，表面粗糙度反彈至0.4μm；線速度>10m/min時，工具-工件接觸時間縮短，表面硬化層厚度從6.1μm降至3.2μm，硬度由HRC38.1降至HRC32.5；預壓力與進給速度為線性負相關，預壓力>20N時，型面輪廓度超差風險增加，最高達0.026mm，進給速度>0.01mm/r時，軌跡重疊率降低，周期性振紋使粗糙度由Ra0.286μm升至0.438μm；強化次數具有累積效應，隨著強化次數從1增加到5，膜盤表面粗糙度從Ra0.752μm一直提升至Ra0.201μm。
2）超聲振動滾壓可以顯著改善TC4鈦合金膜盤的表面性能：表面粗糙度優化：通過高頻沖擊誘導塑性流動，表面粗糙度由車削后的Ra0.752μm降至最低Ra0.201μm（降幅73.2%）微觀形貌從原始刀痕（圖2）轉變為均勻納米晶結構；硬度與硬化層提升：表面硬度由302.8HV提升至HRC41.3（增幅35.4%），硬化層厚度由2.9μm增至6.1μm；型面精度控制：型面輪廓度由0.012mm升至0.018mm，壁厚控制點由0.011mm升至0.015mm，表明USRP在強化表面的同時，未顯著降低幾何精度。
3）在實際工程應用中TC4鈦合金膜盤的最佳強化參數：超聲電源功率為150W，加工表面線速度為10m/min，進給速度為0.01mm/r，預壓力為20N，表面強化次數為1次。此條件下，表面粗糙度Ra0.227μm，硬度HRC38.1，型面輪廓度0.013mm，若對零件有較高疲勞壽命要求，強化次數增至3-5次，硬度可提升至HRC41.3，犧牲效率換取更高的抗疲勞性能。若批量生產時：可適度提高進給速度至0.02mm/r（粗糙度Ra0.321μm，），加工效率提升50%，同時保證硬度HRC36.2。
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（注，原文標題：TC4鈦合金膜盤表面超聲振動滾壓強化實驗研究）