【摘 要】
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铝合金金属反射镜因其质量轻、反射率好等特点被广泛的应用空间天文科学领域。在金属反射镜加工过程中,由于铝合金材料表面表面硬度低、表层晶粒粗大,在加工过程中存在黏刀等现象,造成加工表面质量差无法满足反射镜光学性能要求。因此本文利用旋转超声滚压加工的方法对铝合金6061材料表面进行强化。其通过滚压加工和超声辅助相结合的方法在材料基体组织保持原有状态下,使表面发生强塑性形变,形成细晶粒层改善表层力学性能。
【基金项目】
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天津市自然科学基金:基于微观组织结构演变的铝合金反射镜SPDT加工表面完整性及光学性能研究（18JCZDJC10050）； 天津市自然科学基金（面上项目）:钛合金复杂薄壁件超声辅助铣削过程变形和振动控制理论与关键技术研究（20JCYBJC00490）；
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铝合金金属反射镜因其质量轻、反射率好等特点被广泛的应用空间天文科学领域。在金属反射镜加工过程中,由于铝合金材料表面表面硬度低、表层晶粒粗大,在加工过程中存在黏刀等现象,造成加工表面质量差无法满足反射镜光学性能要求。因此本文利用旋转超声滚压加工的方法对铝合金6061材料表面进行强化。其通过滚压加工和超声辅助相结合的方法在材料基体组织保持原有状态下,使表面发生强塑性形变,形成细晶粒层改善表层力学性能。为了制备高性能铝合金6061材料表面,探究铝合金6061材料表面质量与旋转超声滚压加工工艺之间的关系,本文主要的研究内容及成果如下:（1）设计了一种考虑滚子接触方式和加工效率的平面多滚柱型滚压加工刀具。该刀具所采用的接触方式为线接触,在进行旋转滚压加工过程中可以有效的增大滚子与工件表面的接触面积,提高了其加工效率。（2）基于正交实验,分析不同加工参数对粗糙度、硬度、晶粒尺寸的影响;通过计算极差得到最优材料表面粗糙度、表面硬度、表面晶粒尺寸的实验组参数。最优粗糙度工艺参数:ω=1000rpm、Vc=40mm/min、F=600N、n=2;最优硬度工艺参数:ω=2500rpm、Vc=80mm/min、F=800N、n=4;最优晶粒尺寸工艺参数:ω=1500rpm、Vc=40mm/min、F=400N、n=1。（3）开展了旋转超声滚压加工实验,分析加工参数对表面形貌、粗糙度及晶粒尺寸的影响。实验结果表明:旋转超声滚压加工时滚压次数的增多会造成粗糙度值先减小再增大;施加压力值增大时会造成粗糙度数值先减小再增大;滚压头横向进给速度增加时会造成粗糙度值先减小后增大再减小;主轴转速增加后会造成粗糙度值逐渐增大。不加超声辅助时滚压次数的增多会造成粗糙度值逐渐增大;施加压力值增大会造成粗糙度值先增大再减小;横向速率增加时会使得粗糙度逐渐减小;增加机床主轴的旋转速度时会造成粗糙度先变小再变大。超声滚压加工材料表面形貌相对较好,产生的凹坑和表面裂纹缺陷少,非超声辅助滚压加工材料表面会形成相对较多的裂纹和凹坑状脱落组织。在不同的加工条件下,旋转超声滚压加工表面晶粒尺寸在32-45nm之间,晶粒尺寸减小了17-30nm;非超声滚压加工表面晶粒尺寸在35-48nm之间,晶粒尺寸减小了14-27nm。（4）开展了旋转超声滚压加工实验,分析实验过程中参数对硬度、弹性模量、残余应力的影响。实验结果表明:材料表面硬度随着滚压次数的增大趋于平缓,比滚压前硬度提高了19-22.9%;随静压力的增大先增大后减小,比滚压前硬度提高12-21%;当横向速率增加时造成硬度先变小后变大,比滚压前硬度提高21-23%;随主轴转速的增大先增大后减小,比滚压前硬度提高16.5-22%。当滚压次数增加弹性模量值会缓慢变小,其减小速率并不明显,与滚压前相比弹性模量增加了13.3-18.83%;增加表面固定压力时弹性模量先变大后变小,与滚压前相比弹性模量增加了3.43-18.83%。此方法加工后表面组织内应力由拉应力转变为压应力。当不断的增加往复次数时应力也随之变大,最大值为-724MPa,最大应力层约为0.65mm;当增加表面固定压力值时应力也会随之变大,最大应力为-752MPa,最大应力层约为0.8mm。
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