林曉輝，楊帆，陳博倫，劉建春，M.Saleh

（廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024）

鋁合金密度只有鋼的1/3左右，被認(rèn)為是輕量化的重要材料，特別在汽車和航空工業(yè)制造中尤為明顯。此外，由于鋁合金擁有從紫外線到紅外線的極寬頻譜反射率，被視為下一代大型反射鏡的重要材料[1]。相對(duì)鋼來說，普通鋁合金的硬度偏軟，提高鋁合金硬度和抗疲勞性最常見的方式是噴丸和陽極氧化。然而噴丸和陽極氧化后，表面粗糙度會(huì)升高，且無法控制零件的面形精度，不適合高精度鋁合金零件[2-5]。另一方面，磨拋加工雖能控制表面的面形精度，但卻無法繼續(xù)提高表面的力學(xué)性能。另外，鋁合金由于其材料特性，極易使磨屑粘貼磨具，導(dǎo)致砂輪磨刃鈍化，故磨削不易，且加工效率低下[6-7]。機(jī)械錘擊是一種機(jī)械式的表面平整方法，最初由德國(guó)KWL公司提出，用于提高平整效率和表面完整性[8]。機(jī)械錘擊原理是利用球形碳化鎢工具頭進(jìn)行一定頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過不去除材料的方法降低表面粗糙度和提高表面硬度，甚至可以形成壓應(yīng)力層以提高耐磨性。F.Bleicher[9-10]研究了機(jī)械錘擊的加工機(jī)理，展示了機(jī)械錘擊具有良好的表面平整能力。J.Berglund[11]研究大尺寸球墨鑄鐵的機(jī)械錘擊，認(rèn)為機(jī)械錘擊完全可以替代人工平整。C.Lechner[12]分析了錘擊參數(shù)對(duì)表面紋理的影響，并優(yōu)化了錘擊參數(shù)，用于 45#鋼的錘擊加工。V.Schulze[13]、T.Chen[14]和 D.Trauth[15]分析了機(jī)械錘擊后壓模的殘余應(yīng)力和潤(rùn)滑性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械錘擊后其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度得到一定的提升。R.R.MANEL[16]通過機(jī)械錘擊技術(shù)將碳化鎢顆粒附著于零件表面，使零件鍍上一層碳化鎢涂層，大大提高了耐磨性。不同于噴丸路徑的隨機(jī)性，機(jī)械錘頭可安裝于任何機(jī)床或者機(jī)器人手臂上，實(shí)現(xiàn)確定的錘擊路徑，因此可用于自由曲面的零件平整。S.Krall[17]利用 6軸工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了鋼的機(jī)械錘擊，并評(píng)價(jià)了機(jī)器人機(jī)械錘擊路徑的確定性和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械錘擊的自動(dòng)化加工，KUKA與Sematek GmbH兩家公司合作開發(fā)了機(jī)器人錘擊系統(tǒng)，將錘擊后的表面粗糙度控制在0.1 μm左右。綜上所述，機(jī)械錘擊是一項(xiàng)新興的平整技術(shù)，國(guó)外在這方面展開了一定的研究，國(guó)內(nèi)則相對(duì)較少。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)記錄來看，機(jī)械錘擊在提高表面完整性和力學(xué)性能方面表現(xiàn)良好。不過，目前大多數(shù)機(jī)械錘擊的應(yīng)用對(duì)象材料基本上為鋼，少有涉及鋁合金，有必要開展鋁合金的機(jī)械錘擊平整研究。

本文采用電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)械錘擊技術(shù)，研究了機(jī)械錘擊對(duì)6016鋁合金表面完整性和硬度的影響。設(shè)計(jì)了由音圈電機(jī)和碳化鎢錘頭組成的機(jī)械錘擊裝置，將其安裝于數(shù)控銑床上進(jìn)行錘擊實(shí)驗(yàn)，揭示機(jī)械錘擊的表面紋理形成機(jī)理，并進(jìn)行了仿真。獲取機(jī)械錘擊后6016鋁合金的表面粗糙度、表面形貌以及硬度，討論主要錘擊參數(shù)的選取對(duì)表面紋理形成的影響，并分析錘擊參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。

1 機(jī)械錘擊機(jī)理

機(jī)械錘擊是一種類似噴丸但可控制路徑的表面處理方法，是在不去除材料的前提下對(duì)表面進(jìn)行平整，提高其力學(xué)性能。主要的錘擊參數(shù)包括錘擊頻率、錘頭尺寸、進(jìn)給速度以及節(jié)距。工件的表面紋理形貌由這些參數(shù)組合經(jīng)錘擊形成，如圖1所示。在碳化鎢錘頭尺寸固定的情況下，誤差的峰谷值（Peak and Valley，PV）由節(jié)距和相鄰錘擊距離決定。相鄰錘擊距離可以表示為：

根據(jù)機(jī)械錘擊原理，誤差PV是表面粗糙度的主要成分，因此可近似地利用PV值來代替表面粗糙度值，從理論上探討錘擊參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系，可得到PV值大小為：

式中的s可為節(jié)距，也可為相鄰錘擊距離s′。

如圖1所示，錘擊路徑采用直線光柵式，機(jī)床進(jìn)給方向?yàn)閄軸，節(jié)距方向?yàn)閅軸。根據(jù)式(2)可知，節(jié)距和相鄰錘擊距離對(duì)表面形貌影響最大，兩者不同形式的組合形成不同的表面形貌，主要表現(xiàn)錘擊殘留痕跡，可為三種類型，如圖2所示。當(dāng)X軸相鄰錘擊距離遠(yuǎn)小于節(jié)距時(shí)，誤差在垂直于錘擊方向上較大，形成的錘擊殘留痕跡與X軸方向平行。當(dāng)X軸相鄰錘擊距離遠(yuǎn)大于節(jié)距時(shí)，則錘擊殘留痕跡與Y軸方向平行。當(dāng)相鄰錘擊距離與節(jié)距大小相當(dāng)，則錘擊殘留痕跡在X、Y兩個(gè)方向都存在，形成柵格狀分布。錘擊頻率和進(jìn)給速度對(duì)表面形貌的影響在X軸方向上，而節(jié)距則體現(xiàn)在Y軸方向上。同時(shí)根據(jù)式(2)可得出結(jié)論：增加節(jié)距和進(jìn)給速度或降低錘擊頻率會(huì)導(dǎo)致PV值增大，相應(yīng)的粗糙度增加。

2 試驗(yàn)

機(jī)械錘擊的樣品來自銑削后的6016鋁合金，尺寸為60 mm×60 mm×15 mm。在機(jī)械錘擊前，對(duì)樣品的表面粗糙度、硬度以及表面形貌分別測(cè)量和觀測(cè)，以便后期進(jìn)行對(duì)比。

電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)械錘擊的驅(qū)動(dòng)源來自音圈電機(jī)系統(tǒng)，音圈電機(jī)系統(tǒng)包括音圈電機(jī)主體、驅(qū)動(dòng)器以及控制軟件。音圈電機(jī)由北京星微自動(dòng)化科技有限公司設(shè)計(jì)，型號(hào)為XVLC180-005-00N，行程為5 mm，峰值推力為180 N，電機(jī)常數(shù)為15.1N/W1/2。錘頭材料采用碳化鎢，錘頭與音圈電機(jī)及其附屬連接件組成錘擊裝置，安裝于數(shù)控銑床主軸上，如圖3所示。節(jié)距和進(jìn)給速度由數(shù)控銑床通過NC編程設(shè)定，而錘擊頻率和深度由音圈電機(jī)系統(tǒng)控制。機(jī)械錘擊軌跡為典型的直線光柵式，同樣由數(shù)控銑床設(shè)定。采用單因素實(shí)驗(yàn)，以得出各個(gè)單因素錘擊參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)中碳化鎢錘頭直徑采用10 mm，進(jìn)給深度為1.5 mm，其余的錘擊參數(shù)見表1。

表1 錘擊參數(shù)Tab.1 Peening parameters

錘擊后6016鋁合金樣品表面粗糙度通過泰勒霍普生輪廓儀Dimension 3測(cè)量，探針半徑為2 μm，掃描速度為 0.25 mm/s，取樣間距為 2 μm，分辨率為0.2 nm。為盡量避免接觸材料的親和性，不采用紅寶石探針，而采用金剛石探針。分別在X軸和Y軸兩個(gè)方向測(cè)量數(shù)據(jù)，取較大數(shù)值作為表面粗糙度值。表面粗糙度測(cè)量結(jié)果用軟件Ultra 5.24進(jìn)行分析，并以輪廓算術(shù)平均差Ra表征，最終的表面粗糙度值為4次測(cè)量結(jié)果的平均值。利用基恩士超景深光學(xué)顯微鏡VHX-2000C觀測(cè)表面形貌，觀察對(duì)象主要包括加工殘留軌跡、表面劃痕缺陷等。采用HV-10B硬度儀測(cè)量硬度，壓頭力為5 N，并持續(xù)15 s，通過測(cè)量壓痕對(duì)角線尺寸，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算獲得硬度值，最終的硬度值為4次測(cè)量結(jié)果的平均值。

3 結(jié)果及分析

機(jī)械錘擊后的6016鋁合金如圖4所示。該樣品上有3個(gè)錘擊的矩形區(qū)域，可以明顯區(qū)分錘擊區(qū)域與銑削區(qū)域。銑削區(qū)域銑削痕跡明顯，表面較為粗糙，不能成像。通過對(duì)比，可見錘擊區(qū)域表面較為平整，部分區(qū)域已看不出錘擊痕跡，呈現(xiàn)出類似鏡面的效果。

3.1 表面粗糙度

經(jīng)過銑削后，6016鋁合金樣品的表面粗糙度值Ra大約在0.6 μm左右。相對(duì)銑削的表面粗糙度，機(jī)械錘擊后，鋁合金的表面粗糙度Ra大幅降低（如圖5所示），可達(dá)到約0.05 μm。這個(gè)粗糙度值是常規(guī)磨削難以達(dá)到的，達(dá)到了粗拋光的效果。從圖5中也可看出，表面粗糙度值隨著節(jié)距和進(jìn)給速度的增加而增加，隨著錘擊頻率增加而減小。表面粗糙度對(duì)節(jié)距十分敏感，節(jié)距的小幅增大會(huì)極大提高表面粗糙度。當(dāng)節(jié)距從0.1 mm增加到0.3 mm，表面粗糙度增加了大概 200%。進(jìn)給速度和錘擊頻率的變化對(duì)表面粗糙度的影響相對(duì)較為平緩。高的錘擊頻率、小的節(jié)距和進(jìn)給速度有利于降低表面粗糙度，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致。

3.2 表面形貌

經(jīng)過銑削后，6016鋁合金的表面形貌如圖6所示，可以清晰看出銑削的刀痕。對(duì)比銑削后的 6016鋁合金表面形貌，機(jī)械錘擊后的表面形貌明顯平滑，銑削痕跡已消除，如圖7所示。存在錘擊殘留痕跡，即顏色較淺偏白的區(qū)域。這些痕跡相互平行，與錘擊路徑對(duì)應(yīng)。圖7a、b所選參數(shù)計(jì)算得到的s′分別為0.08 mm和0.05 mm，由于所選參數(shù)中節(jié)距明顯大于相鄰錘擊距離，因此呈現(xiàn)出來的錘擊殘留痕跡沿著X軸方向，這與圖2的仿真結(jié)果一致。與圖7a相比，圖7b采用更高的錘擊頻率，可以看出，高頻率錘擊會(huì)使表面形貌更加平滑，但節(jié)距形成的錘擊痕跡仍然較為明顯。圖7c采用的節(jié)距為0.1 mm，錘擊痕跡進(jìn)一步減少，表面形貌進(jìn)一步平順，可見節(jié)距對(duì)表面形貌有極大的影響作用。除了錘擊殘留痕跡外，圖7中未發(fā)現(xiàn)其他明顯的表面缺陷及劃痕，說明只要合理選擇節(jié)距參數(shù)，機(jī)械錘擊具有良好的表面平順能力。

3.3 硬度

如圖8所示，銑削后，6016鋁合金的硬度約為68HV。經(jīng)過機(jī)械錘擊后，表面硬度可提高25%～32%。減小節(jié)距和進(jìn)給速度，增加錘擊頻率，可提高硬度。錘擊頻率和進(jìn)給速度對(duì)硬度影響較大，節(jié)距對(duì)硬度的影響較小。同時(shí)硬度隨著表面深度的增加而降低，大約在表面深度100 μm恢復(fù)到6016鋁合金的本體硬度值。相對(duì)噴丸和超聲表面納米化技術(shù)，電磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)械錘擊對(duì)表面硬度提升和硬化深度的影響有限[18-19]。這與錘擊力和錘擊頻率有關(guān)，采用的音圈電機(jī)峰值推力為180 N，而實(shí)際上工作時(shí)推力保持在110 N左右。另外受到音圈電機(jī)頻率的限制，本次實(shí)驗(yàn)采用的錘擊頻率最高達(dá)到25 Hz，因此限制了表面硬度的進(jìn)一步提高。

3.4 錘擊參數(shù)的影響規(guī)律

綜上分析，小節(jié)距、慢進(jìn)給速度和高錘擊頻率有利于提高錘擊表面完整性和硬度。節(jié)距是影響表面粗糙度和形貌的最重要錘擊參數(shù)，而對(duì)表面硬度的影響有限。不過實(shí)際加工中還應(yīng)考慮加工效率，小節(jié)距和慢進(jìn)給速度將導(dǎo)致錘擊效率的下降，應(yīng)合理安排錘擊參數(shù)。

根據(jù)圖1的機(jī)械錘擊原理，不恰當(dāng)?shù)腻N擊參數(shù)不僅得不到好的錘擊表面，甚至導(dǎo)致錘擊的失效。基于錘擊后表面成形幾何關(guān)系，推導(dǎo)有效錘擊的條件，即相鄰錘擊點(diǎn)距離與其他錘擊參數(shù)的關(guān)系必須符合如下幾何關(guān)系：

倘若所選錘擊參數(shù)不滿足上述公式的要求，工件表面的部分區(qū)域?qū)⑽幢诲N擊而導(dǎo)致錘擊的不完整。利用式（3）對(duì)有效錘擊條件進(jìn)行仿真，得到基于錘擊頻率、進(jìn)給速度、錘擊深度和錘頭直徑的有效錘擊區(qū)域，如圖9所示。位于三個(gè)曲面之下的區(qū)域?yàn)楦髯杂行уN擊范圍，只有選擇的錘擊參數(shù)位于有效區(qū)域內(nèi)，才是有效的機(jī)械錘擊。

4 結(jié)論

研究電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)械錘擊方式對(duì)6016鋁合金表面質(zhì)量的提升作用，并分析主要錘擊參數(shù)的影響規(guī)律。通過試驗(yàn)探究，表明機(jī)械錘擊是一種新穎、有效、綠色的表面平整技術(shù)。主要結(jié)論如下：

1）電磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)械錘擊具有很好的表面平整效果，平整后的6016鋁合金表面粗糙度可達(dá)到0.05 μm左右，接近粗拋的水平，且表面呈現(xiàn)一定的鏡面效果。

2）通過觀察表面形貌，發(fā)現(xiàn)機(jī)械錘擊后的表面存在光柵痕跡。不過相對(duì)銑削表面明顯的加工軌跡，機(jī)械錘擊后的表面整體上比較光滑，未見明顯的表面缺陷和劃痕。機(jī)械錘擊后，6016鋁合金的表面硬度可提升25%～32%。

3）錘擊參數(shù)的選擇決定錘擊的有效性，因此應(yīng)在有效錘擊參數(shù)范圍內(nèi)選取參數(shù)。節(jié)距是影響表面粗糙度和形貌的最重要參數(shù)，同時(shí)也極大地影響平整效率。小節(jié)距、慢進(jìn)給速度和高錘擊頻率有利于提高表面完整性和硬度。