凯发国际 噴丸強化連桿殘余應力的測試與分析

摘要：為比較 滾筒拋丸機 噴丸和 懸掛式拋丸機 噴丸在連桿表面產生的殘余壓應力的大小，用鉆孔貼應變片法對噴丸強化連桿的表面殘余應力進行了測試. 結果表明：噴丸強化 能夠有效地在連桿表面產生殘余壓應力，且懸掛式拋丸機噴丸在連桿表面產生的殘余壓 應力大于滾筒拋丸機噴丸引起的殘余壓應力. 文中對測試誤差來源也進行了探討.
 關鍵詞：殘余應力；鉆孔法；噴丸強化 中圖分類號：TB 302 文獻標識碼：A

殘余應力與外力無關，是一種內部自應力，在構 件內自相平衡，并引起構件變形. 一般認為，機械零 部件中存在的殘余應力不影響零部件的靜力強度， 但會降低構件的剛度、抗疲勞強度和抗應力腐蝕的 能力. 對于大型鑄、焊部件，鑄造、焊接或熱處理過程 中產生的殘余應力常常造成部件在工作過程中的早 期失效. 精密機械和儀器中的零件在工作過程中殘 余應力會逐漸松弛，造成零件變形和尺寸變化，從而 降低儀器的精度. 殘余應力也有其有利的一面. 半個多世紀前，人 們就用噴丸方法對汽車發動機的閥門彈簧進行強 化，以延長其使用壽命. 噴丸就是將大量彈丸流高速 噴射到零件表面，對零件表面進行錘擊，以冷加工的 方式使金屬零件表面產生極為強烈的塑性變形（凹 點），即在零件表面產生一定厚度的冷作硬化層（也 稱表面強化層），從而在強化層內形成較高的殘余 壓應力 〔1，2〕 噴丸強化層內所具有的這種壓應力狀態，是提高零部件抗疲勞強度及抗應力腐蝕能力的 主要因素之一. 目前，受控噴丸技術已經發展成一種 先進的加工工藝，常應用于汽車、航空、化工、石油和 電力等工業領域，用以防止因金屬疲勞和應力侵蝕 造成的斷裂.

 某型汽車的連桿由于承受著復雜的交變載荷， 設計者采用了噴丸表面強化工藝來提高它的抗疲勞 強度. 為了比較滾筒拋丸機噴丸和懸掛式拋丸機噴 丸在連桿表面產生的殘余壓應力的大小，筆者用鉆孔貼應變片法對2個試件的殘余應力進行了測試。

1 測試原理

鉆孔貼應變片法測試殘余應力的原理是采用應 變電測的方法，通過鉆孔將殘余應力全部或部分釋 放，測出某些點在鉆孔前后應變值的變化，再由力學 分析推算出殘余應力.

 圖1 鉆孔應力釋放示意圖

如圖1 所示，假定一塊各向同性的平板中存在 某一殘余應力 ，若鉆一小孔，則孔邊的應力下降為零，小孔附近應力場重新分布. 中右邊陰影區代表了鉆孔后應力的變化，該部分應力變化稱為釋放應力，由應變計感受它的應變，應變計離孔邊愈近，則感受的應變愈大，靈敏度也愈高. 測量時只需 在每個測點粘貼一枚三軸應變花，使應變花每個敏 感柵的中心布置在同一半徑上，如圖2 所示. 采用極

圖2、應變計的布置

由廣義胡克定律




 方程求得. 通常采用如圖2 所示的按3 個特殊角度


2 測點布置

測點布置如圖3 所示. 在兩個連桿的 方向分別布置3 由于連桿的厚度比孔徑大很多，所以鉆成盲孔，孔徑為2 mm，孔深為4 mm. 有關研究表明 〔3，4〕 當孔深大于孔徑時，應力松弛較徹底，即可認為應力松弛系數A 與孔深無關，由此產生的誤差不超過4%，因此可以用通孔時的應力計算公式來計算 殘余應力.

圖3 測點布置（單位：mm）

3測試結果及分析測試結果
列于表I，表中“ 此可知，采用噴丸強化方法確實能夠有效地在連桿表面產生殘余壓應力，雖然表面殘余壓應力的分布 沒有良好的規律性（即表面殘余壓應力的分布不均勻），但可以知道懸掛式拋丸機噴丸在連桿表面產 生的殘余壓應力較大，即懸掛式拋丸機噴丸優于滾 筒拋丸機噴丸.

表1殘余應力測試結果

表面殘余壓應力的分布沒有良好規律性的原因，主要在于以下幾方面：首先是試件數量太少，以 致難以得到規律性的結果；其次測試方法本身也存 在一些誤差；還有就是噴丸強化及其應用在我國起 步較晚，相關設備及技術尚需進一步完善. 鉆孔貼應變片法測量殘余應力的誤差來源于以 下幾個方面： （1）應變計靈敏系數及其分散度； （2）應變計熱輸出（應采用溫度自補償應變計， 控制鉆孔速度以及進刀量，以盡量減少熱輸出）； （3）鉆孔對中偏心； （4）孔徑分散度、孔的不圓度以及孔深尺寸的 誤差； （5）鉆孔時引起的附加應變； （6）被測試件表面或者厚度方向存在的應力 梯度.
 參考文獻： 斯太爾連桿噴丸強化工藝攻關試驗〔J〕.機電 工程，2001，18（1）：45 -48. 噴丸工藝的現狀及其發展〔J〕.鑿巖機械氣動 工具，1997（2）：57 -59. 應變電測與傳感器〔M〕.北京：清華 大學出版社，1999. 西北工業大學學報，1998，16