纵-扭复合振动超声滚压加工技术是将二维超声振动加工工艺与滚压加工工艺深度融合,实现优势互补,用以提高材料表面的综合性能。本文对7050航空铝合金进行二维超声(纵-扭复合振动)滚压加工,通过理论分析、数值模拟和工艺试验与测试分析对二维超声滚压铝合金表面纳米化成形机理展开研究。主要研究内容如下:(1)基于金属材料表面塑性变形强化机理和金属材料表面自纳米化机理,结合二维超声滚压加工原理,研究二维超声滚压加工过程表面自纳米化机理。铝合金二维超声滚压加工过程中,产生的最大应力远大于铝合金的屈服强度,材料发生塑性变形的同时,在扭转振动作用下,金属材料表面粗晶组织产生不同方向的强塑性变形,以产生高密度的晶体缺陷,这些缺陷相互作用,不断地湮没和重组,使晶粒逐渐细化至纳米量级。(2)基于二维超声滚压加工过程运动分析,建立了轴类零件二维超声滚压加工运动学模型与应力模型。研究发现,二维超声滚压加工时滚压工具头运动轨迹为椭圆形;试件产生的内应力不仅与滚压工具头和试件的物理力学性能有关,而且与超声振动参数和滚压工艺参数有关。(3)对7050铝合金表面进行二维超声滚压加工处理,研究工艺参数对加工后的表面粗糙度值、表层硬度和残余应力的影响规律,并观测分析试样表面微观组织形貌。结果表明:二维超声滚压加工后,试样表面形成光洁的表面,表面粗糙度值明显降低;试样表面产生了加工硬化层,表层硬度显著提高;试样表层产生了较大的残余压应力,对比残余应力试验值与模拟值,其影响规律基本一致,残余应力试验值略大于残余应力模拟值;铝合金表层发生塑性流变,表层晶粒被挤压、拉长并细化。本研究有助于进一步完善二维超声滚压加工铝合金表面纳米化机理,为该技术工程应用提供参考。