指导教师：汪 炜 教授
论文题目：航空铝合金超声冲击强化关键技术研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：康 敏 教授/博导 南京农业大学
云乃彰 教授/博导 南京航空航天大学
陈明和 教授/博导 南京航空航天大学
肖 冰 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：刘 壮 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2019年3月22日上午9:00
地 点：南航明故宫校区15#425
铝合金具有密度低、强度高、塑性好等特点，在汽车、高铁、船舶、航空、航天等领域得到了广泛应用。在航空工业中，铝合金主要用于制作飞机的机身结构件、蒙皮、支撑梁、桁条和接头等。航空铝合金结构件因工作在交变载荷下，其应力集中处最容易发生疲劳裂纹。为了改善结构件表面的材料性能，提高结构件使用寿命，常采用表面强化技术。超声冲击技术属于表面形变强化，常用于铝合金焊缝处理及板料试件成形校正，已取得良好的应用效果。但超声冲击设备稳定性较差、撞针形状单一、工艺参数难控制等缺点而难以对深孔、窄槽等结构件进行表面强化。本文在研究现有超声冲击技术及超声喷丸强化的基础上，提出了以恒流式超声波发生器构建超声振动系统，采用基于等效阻抗控制的策略实现自动进给，通过不同形式的工具冲击金属表面，实现了对孔、槽结构的关键部位进行强化，从而提高了结构件的疲劳强度。主要研究内容与成果如下：
1、利用力电声类比的方法，理论分析了超声振动系统，得到了冲击作用力与力阻抗成正相关关系。研究了金属材料的本构关系，建立了超声冲击强化模型。采用数值模拟的方法，借助ABAQUS/Explicit显式动力学模块仿真分析不同形式的工具的冲击效果。从仿真结果来看，残余应力成梯度分布，试件在冲击垂直作用方向上的平均应力要大于其他方向的平均应力。
2、根据超声冲击强化工艺的需要，设计并研制了振动系统、进给系统及测量系统。振动系统以恒流超声波发生器为核心，运用了恒流技术、频率自跟踪技术及换能器保护技术；进给系统基于等效阻抗控制策略进行设计，实现了自动进给。测量系统基于虚拟仪器理念设计，其主要功能包含图形显示模块、参数设置模块、功能设置模块、数据记录存储模块，实现了冲击强化过程可视化。
3、针对孔、槽等结构件，提出了变幅工具杆一体化设计方法。孔结构试件采用的工具形状为圆锥形，而槽结构试件采用的工具形状为球形。对于槽结构试件而言，为了适应不同加工尺寸的要求，提出了轨迹运动成形的冲击强化方法。为了节约成本，提高效率，先利用ANSYS有限元软件对所设计的工具进行模态分析，比较了理论计算与有限元分析结果，然后制作工具并进行振动测试，测量结果均满足冲击强化要求。
4、为了验证等效阻抗控制策略的可行性，以球形工具为冲击工具头，采用“回”字形轨迹对铝合金试件进行表面冲击强化。其结果表明：阻抗阈值对改善试件表面质量起到非常重要的作用。为了降低试件表面粗糙度值且提高残余应力，阻抗阈值应略大于空载阻抗；在输出电流值一定的情况下，为了提高试件表面显微硬度，应适当提高阻抗阈值。
5、以7075-T651铝合金为试验材料，制作了中心带孔的疲劳试样、圆形横截面试样和矩形横截面试样，采用基于等效阻抗控制的方法对试样进行了超声冲击强化，利用表面粗糙度、显微硬度、残余应力、疲劳试验、SEM、EDS等表征手段，分别从宏观及微观上分析强化效果。试样经过超声冲击强化后，其表面显微硬度及残余应力得到了不同程度提高，疲劳寿命相比原试样均提高1.5倍以上。微观组织分析显示：超声冲击强化细化了金属表面的晶粒，阻碍了裂纹扩展，从而提高试样的疲劳强度及疲劳寿命。
主要创新点如下：
（1）针对航空铝合金结构件中深孔、窄槽等结构，采用超声冲击、喷丸强化等技术难以进行强化的问题，提出了采用超声冲击强化方法，改善了孔边缘及槽底部等关键部位的残余应力分布，从而提高了结构件的抗疲劳寿命；
（2）针对常规超声冲击设备稳定性差和超声冲击以手动操作为主的缺点，提出了采用恒流式超声波发生器以及基于等效阻抗控制的自动进给方法，该方法既提高了加工效率同时又保证了冲击强化效果的一致性；
（3）针对不同形式的航空铝合金结构，提出了一体式工具的设计方法，利用ABAQUS有限元软件研究了结构件在不同振幅下超声冲击强化后的残余应力场分布规律，仿真结果的变化趋势与试验结果基本一致，为航空铝合金深孔、窄槽结构的超声冲击强化提供了实验依据。
