清华大学冯平法教授团队：钛合金孔滚压过程中结构形状和表面完整性的协同改进|CJME论文推荐

引用论文

Liu, J., Feng, P., Wang, Z. et al. Collaborative Improvement of Structure Shape and Surface Integrity in Titanium Alloy Hole Burnishing. Chin. J. Mech. Eng. 38, 14 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01164-9

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关于文章

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研究背景及目的

钛合金因具有良好的比强度、断裂韧性、耐腐蚀性和热硬性，被广泛应用于航空航天等众多领域的关键零部件制造。在飞机上，大量零部件通过内孔装配，在飞机服役过程中，装配孔承受大应力、大应变和冲击载荷。为了满足承力孔的装配精度和强度，有必要同时考虑形状精度和表面完整性，对承力孔进行形性协同制造。而钛合金的加工性能相对较弱，容易发生变形，表面容易产生缺陷，在外部载荷的作用下容易发生疲劳失效。因此，对内孔的制造质量，即形状精度和表面完整性提出了更高的要求。

滚压作为一种高效可靠的表面强化工艺，相比于其他强化工艺，在表面粗糙度改善和表面质量提高方面具有非常明显的优势。而影响使役性能的不只有表面完整性，形状精度也是重要因素，形状精度不好可能会影响装配性能，容易发生表面磨损等，影响产品质量。然而，当前的研究大多独立研究了滚压后的形状精度和表面完整性，并未验证其与使役性能的关系。为了进一步理解滚压工艺特点，提升滚压内孔的使役性能，本文研究了研究滚压工艺的形状精度和表面完整性协同优化技术。

02

试验方法

对滚压过程芯轴和滚柱的状态进行了运动学分析，建立了如图1-2所示的滚压过程滚柱与孔壁作用的轴向二维简化模型，基于单个粗糙峰刚塑性变形建立了粗糙峰高度改善比与滚压量之间的关联关系，并考虑滚柱形状和运动参数，将其扩展至整个滚压过程。同时分析并建立了在滚压初始阶段上表面材料堆积量与滚压量之间的关联关系。根据理论分析可以得到，表面粗糙度的改善和形状精度的提高对滚压量的要求是截然相反的。

图1 滚压过程轴向二维简化模型

图2 滚压入口处二维简化模型

进一步通过试验研究滚压过程中滚压量等工艺参数对形状精度和表面完整性的影响规律，验证其与使役性能的关系。滚压试验使用的工件为钛合金TB6耳片试件，每个耳片上均设计有两个直径20 mm的通孔，耳片厚度为30 mm。滚压刀芯轴周围均匀分布有4个滚柱，其工作直径调节范围为20.0 mm至20.4 mm。所有试验均在CHEVALIER QP2033-L型立式加工中心完成，如图3所示。

图3 滚压试验现场图

03

结果

试验结果表明，滚压后在工件上表面产生了明显的三角形材料堆积区。同时，滚压后的内孔直径发生塑性扩张，且沿轴向呈现两端大、中间小的“沙漏”形状。随着滚压量的增大，材料堆积量显著增大，孔径塑性扩张量增大，且“沙漏”形状愈发明显，如图4-5所示。主轴转速和进给量对形状精度的影响相对较小，但进给量为0.1 mm/r时是个特例，滚压后的孔径呈现入口大、出口小的“漏斗”形状。内孔圆度几乎未发生变化。

图4 滚压后孔入口处材料堆积结果

图5 20 mm滚压量滚压后内孔孔径

滚压后的表面粗糙度显著改善，且改善效果随滚压量的增大明显提高，甚至可以达到镜面效果，如图6所示，而随主轴转速和进给量的增大有所降低（进给量0.1 mm/r除外）。但表面残余压应力随滚压量的增大而有所减少，且受主轴转速和进给量的影响未表现出明显规律，如图7所示。表面硬度几乎未发生变化。

图6 滚压后表面粗糙度照片及孔壁三维形貌

图7 滚压后表面残余应力结果

研究了滚压量对疲劳寿命的影响规律，试验发现疲劳寿命改善效果随滚压量增大并非单调提升，而是呈现先增大后减小的趋势，如图8所示，同时分析了疲劳断口形貌特征。

图8 滚压后疲劳寿命结果

研究发现滚压量对滚压强化后的形状精度和表面完整性提高存在矛盾，讨论总结了滚压量对形状精度和表面完整性的影响规律，提出了不同应用场景下的滚压量选用准则。

04

结论

（1）滚压量是滚压形性协同优化过程中影响形状精度和表面完整性的关键因素，而主轴转速和进给量的影响相对较小。

（2）随着滚压量的增大，入口处径向塑性变形量增大，孔壁材料向上表面流动作用增强，材料堆积体积增大，同时也使得孔壁变形和“沙漏”形状加剧。进给量增大会导致材料堆积体积有所减少，而主轴转速对形状精度几乎没有影响。

（3）随着滚压量的增大，滚柱对孔壁表面的径向作用力增大，微粗糙峰高度改善比增大，表面粗糙度显著降低，表面残余压应力呈减小趋势。而随着主轴转速和进给量的增大，表面粗糙度略有提高（0.1 mm/r除外）。

（4）在试验参数范围内，最佳主轴转速和进给量分别为200 r/min和0.2 mm/r，而滚压量应当根据形状精度和表面完整性的设计要求谨慎选择。当滚压量取0.20 mm时，孔壁轮廓精度和表面粗糙度分别可以达到IT11级和0.086 μm，疲劳寿命提高最多可以达到162%。

关于作者

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作者团队介绍

冯平法（团队带头人），清华大学长聘教授，深圳市鹏城学者特聘教授，中国金属切削刀具协会切削先进技术研究分会常务理事，中国机械工程学会特种加工分会理事，超声加工委员会副主任委员。主要从事智能制造与精密加工领域的教学和科研工作，国家级精品课、国家一流本科课程“制造工程基础”负责人，获北京市优秀教师、清华大学良师益友等荣誉。主持完成国家973计划、重大专项、自然科学基金、国际合作及企业合作课题20余项，获中国机械工业科学技术进步奖1项，北京市科技发明奖1项，发表论文200余篇，授权发明专利50余项。

张翔宇（通讯作者），男，1990 年生，工学博士，现任清华大学机械工程系助理研究员。主要从事智能制造和超声精密加工相关技术等研究工作。主持和参与多项国家重点项目，发表 SCI/EI 收录期刊论文60余篇、参与出版专著1部、授权发明专利10余项和省部级奖励1项。

刘嘉辉（第一作者），1998年生，工学学士，现任清华大学机械工程系博士研究生。主要研究方向为抗疲劳强化和表面微织构制造。

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近年团队代表性文章

[1] Bai Z., Feng F., Xiong X., Tang M., Feng S., Zhang J., Feng P., Wang J., Zhang X*.(2025) Improvement of surface integrity and precision by ultrasonic peening hole edge chamfer of aluminum 7050. J All Comp, 1015(2025):178904.

[2] Bai Z., Feng F., Feng S., Zhang J., Feng P., Wang J., Zhang X*.(2025) Application of governable high‑coverage ultrasonic peening method on hole edge chamfer. Int J Adv Manuf Technol, 137(2025):185-198.

[3] Lan T, Feng P, Zhang J, et al. Digital twin-driven senseless cutting force monitoring and vibration stability control of a rotary ultrasonic machining system[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2025, 223: 111922.

[4] Zheng Z, Zhang J, Li Z, et al. Development of a transverse-feeding vibration chiseling process for ultrafast and flexible texturing of metallic micropillars[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 133: 734-753.

[5] Jiang E, Yue Q, Xu J, et al. A wear testing method of straight blade tools for Nomex honeycomb composites machining[J]. Wear, 2024, 546: 205325.

[6] Yu C, Wang J, Zhao G, et al. A Novel Method of Multitarget Augmented Reality Assembly Result Inspection for Large Complex Scenes[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2024, 20(5): 7282-7291.

[7] Xiao X, Wang J, Feng P, et al. Fast Human Motion reconstruction from sparse inertial measurement units considering the human shape[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 2423.

[8] Liu J., Lin X., Feng F., Wang Z.*, Zhao Z., Bai Z., Zhang J., Feng P., Zhang X.*(2023) Study on the surface defect of Aluminum alloy hole burnishing. Tribol Int,184(2023):108490.

[9] Feng F., Zhao Z., Wang Z., Li B., Lin X., Zhang J., Feng P., Zhang X*. (2023) A calculation method of residual stress of cold expanded hole based on measured springback. Measurement,218(2023):113262.

实验室官网：

作 者：刘嘉辉

责任编辑：谢雅洁

责任校对： 向映姣

审 核：张 强

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