二维超声滚压加工技术是将二维复合超声振动技术与表面滚压加工技术相结合,实现工件表面强化的一种新工艺。高速加工技术可以提高加工的效率,改善加工表面质量,但也会产生较高的加工温度,引起应力应变场的变化和工件表层硬度的变化。将二维超声滚压加工技术和高速加工技术相结合,有可能在提高强化效率的同时可进一步提高工件强化质量。本文通过理论分析、有限元模拟和工艺试验等方法,研究热力耦合作用下高速二维超声滚压加工的表面强化机理。主要研究内容包括:(1)基于二维超声滚压加工表面强化的工作原理,研究了二维超声滚压加工过程中工件塑性变形与热量之间的转换关系,以及温度梯度效应与内部微观组织变化的关系。研究表明,二维超声滚压加工过程中,温度场和应力场是相互作用和影响的,塑性变形和摩擦作用产生热量使工件表面温度升高,而温度场通过改变与温度相关的材料特性来影响应力场。(2)对高速二维超声滚压加工过程进行了热力耦合数值模拟,研究了试件表面温度场和等效应力应变场随时间的变化情况,以及残余应力沿深度方向上的分布规律。研究表明,表面温度场、等效应力应变场随时间的增大而增大,而等效应力值最终趋于稳定,各方向残余压应力值随着深度的增大逐渐减小。在热力耦合作用下,铝合金表面各方向残余应力均为残余压应力,残余压应力层的厚度约为1.2mm,且温度场与应力应变场是相互影响的。(3)采用单因素试验方法对7050铝合金进行高速二维超声滚压加工试验,研究滚压工艺参数对表面粗糙度、显微硬度、残余应力和表面微观形貌的影响。研究表明,经过二维超声滚压加工后,铝合金表面粗糙度值大幅度降低,显微硬度明显提高,并形成残余压应力。通过对表面微观形貌的观察,发现铝合金表面较为平整光滑,表层材料组织明显被压缩,且形成加工硬化层。选择合适的静压力、转速、进给量和振幅,可提高滚压表面质量。