凯发国际首页 噴丸強化效果和質量的表征指標及影響因素

摘要:對表征噴 丸強化效果和質量的指標和影響因素進行了研究, 為噴丸機設計要求和噴丸強化工藝的制定奠定了理論基礎。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
關鍵詞:噴丸強化效果;工藝參數;噴丸強度;覆蓋率;粗糙度
分類號:T K 266 文獻標識碼:A 文章編號:1001-5884(2003)04-0255-02

0 前 言
直接檢測工件的噴丸強化效果是比較困難的, 主要是通過噴丸強度和覆蓋率來間接地控制噴丸工藝過程和檢驗噴丸質量, 保證噴丸強化效果。 噴丸強度和覆蓋率兩項指標取決于材料的性能和噴丸工藝參數。 只有在*定的噴丸工藝參數下達到規定的噴丸強度, 才能較大限度地提高材料的抗疲勞能力。 根據材料性能和零件結構來選擇噴丸強度, 根據試驗來確定合理的噴丸工藝參數, 是噴丸強化的主要工作內容。
1 噴丸強度及其選擇和影響因素
1 .1 噴丸強度定義
噴丸強度是噴丸處理過程中動能轉化的*個指標, 轟擊工件的彈流總動能決定噴丸作用區的強化程度和效果。 工件的噴丸強化效果是通過測量用同樣參數噴丸強化的平板條(試片)的撓曲變形量而間接得到的。 試片固定在夾具上經單面噴丸后, 會發生凸向噴丸面的球面彎曲變形, 如圖 1所示,

圖 1 試片經單面噴丸后變形圖

 試片厚度 b , 變形后弧高度值 h , 則試片殘余壓應力深度 δr 和強化層內平均殘余壓應力σmr之間有以下關系:

式中, E 為彈性模數, r 為泊松比, a 為測量弧高度值基準圓直徑。 此式說明, 在*定的噴丸工藝參數下, 當試片厚度*定時弧高度值 h 僅決定于強化層內平均殘余壓應力σmr和殘余壓應力深度δr , 是表征金屬材料噴丸強化層殘余壓應力的分布和大小及噴丸強化層深度的綜合值。 因而可以用弧高度值 h 來衡量和表征零件的噴丸強化的程度效果。 在*定的噴丸工藝參數下, 對相同的試片進行單面噴丸, 初期弧高度值急劇變化, 隨后變化趨緩。 當彈痕覆蓋整個表面時, 弧高度 h 不再明顯變化, 如圖 2 所示。

圖 2 弧高度曲線

在 h -t 曲線中, 在某*點處再延長*倍的噴丸時間, 其弧高度值增量小于10 %。 則該點為飽和點, 其對應的弧高度值 h 定義為噴丸強度。 任何*組噴丸工藝參數都只有*條 h - t曲線, 都只能產生*個噴丸強度。 噴丸強度雖不能完全表征噴丸強化效果, 但卻是綜合評價*組噴丸工藝參數, 表征零件表面金屬塑性變形程度的*個重要參數。
1 .2 不同材料噴丸強度的選擇

金屬材料的疲勞強度和抗應力腐蝕性能,只有在較佳的噴丸強度下, 才能獲得較大限度的提高。 過高或過低的噴丸強度, 均不會得到良好的噴丸強化效果。
較佳噴丸強度是通過試驗得到的, 圖 3 給出了噴丸強度與零件壁厚和材料抗拉強 度間的 關系, 可以參照圖 3 并根據試驗來選定某種零件的較佳噴丸強度。
1.3 噴丸強度的影響因素
影響噴丸強度的工藝參數, 主要有彈流速度、彈丸直 徑、彈丸 流量、噴丸時間、噴射角度、噴嘴距工件表面距離。 彈丸與工件表面碰撞時具有的動量 mv 越大, 表面強化層越深, 噴丸強度越大, 通常是通過改變彈丸直徑和彈丸速度來調節噴丸強度。
2 表面覆蓋率和粗糙度及其影響因素
覆蓋率和表面粗糙度都是以檢查工件為準, 只有達到100 %的覆蓋率并有較好的表面粗糙度, 才能實現噴丸強化
效果。 因此表面覆蓋率和粗糙度, 也是表征噴丸強化效果的主要參數。
2 .1 覆蓋率的影響因素
影響覆蓋率的因素主要有噴丸時間、零件硬度以及彈丸的直徑。
2 .1 .1 噴丸時間的影響
覆蓋率與噴丸時間的關系與弧高度曲線相同, 當達到飽和點時, 噴丸強度達到要求值, 覆蓋率理論上達到 100 %。 零件表面達到 100%覆蓋率所需的時間并不等于達到 50%覆蓋率所需時間 t 0 的 2 倍。 經過 n 個 t0 時間后, 所達到的覆蓋率 C 與噴丸時間的關系為 :C =1 -(1 -0.5)n 。 可見經6 t0 后, 覆蓋率達 98%, 這*點對于補救噴丸時噴丸時間的確定十分重要。
2 .1 .2 零件材料硬度的影響
在達到規定噴丸強度的條件下, 零件的硬度低于或等于標準試片硬度 HRC44 ～ 45 時, 覆蓋率能夠達到 100%;零件硬度大于試片硬度時, 零件覆蓋率會低于 100%。
2 .1 .3 彈丸直徑的影響
在相同彈丸流量下 , 小直徑彈丸分布密度大, 能較快地達到覆蓋率要求。
相同的噴丸強度下, 使用直徑大的彈丸, 達到 100 %覆蓋率的飽和噴丸時間迅速增加。 噴丸強化時應選擇合適大小的彈丸, 使噴丸強度和覆蓋率同時達到要求值。
2.2 噴丸強化表面粗糙度影響因素
零件噴丸強化后, 表面粗糙度有所降低, 這種降低對噴丸強化的有益作用有*定的弱化, 因而零件表面噴丸強化后的粗糙度也是評定噴丸強化效果及工藝參數選擇是否合理的重要參數。
2.2 .1 零件材料性能和原始表面狀態的影響
零件材料的強度和表面硬度越高, 塑性變形越困難, 在相同的噴丸強度下, 丸粒沖擊彈坑淺, 表面粗糙度降低越小。零件原始表面粗糙度也對噴丸后的表面粗糙度有*定影響, 原始表面越粗糙, 噴丸后粗糙度降低越小, 相反, 原始表面越光滑, 噴丸后粗糙度降低越大。
2.2 .2 彈丸流速度的影響
表 1 是 2Cr13 試樣噴丸強化粗糙度測量結果。
表 1 2Cr13 試樣噴丸強化前后粗糙度

可以看出:相同的條件下, 噴丸強度越高, Ra 增加越大,而在丸粒相同時, 噴丸強度高, 則意味著丸粒速度大。 因而在其它參數相同時, 彈丸速度越大, 表面粗糙度 Ra 升高越大。 采用小彈丸、大彈速, 高強度噴丸強化, 會使表面粗糙度變差, 形成較大的應力集中, 嚴重削弱噴丸強化效果。
2.2 .3 彈丸直徑的影響
彈丸直徑加大, 將使彈丸動能增加, 加大噴丸強度, 在其它工藝參數不變時, 沖擊彈痕深度增加, 故彈丸直徑加大, 粗糙度 Ra 升高, 彈丸越細, 粗糙度越好。
如噴丸強度不變, 則意味著彈丸動能不變, 這時彈丸直徑加大, 沖擊彈痕深度會減小, 粗糙度反而會提高。 大彈丸小強度噴丸強化, 也是提高表面粗糙度的有效方法。
2.2 .4 噴射角度的影響
噴射角度越大, 彈丸速度的法向分量越小, 沖擊力越小,彈痕越淺;而彈丸速度的切向分量越大, 彈丸對表面的研磨作用越大, 故表面粗糙度越好。 噴射角度是由設備決定的。
3 結 論
*定的噴丸強化工藝參數產生*定噴丸強度、表面覆蓋率和粗糙度。 噴丸工藝參數包括:彈丸直徑、彈丸硬度、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度和噴嘴到工件表面的距離。 通過實驗 , 針對不同的零件和材料選擇確定噴丸強度后, 即通過調整工藝參數, 制定噴丸強化工藝來達到設計要求的噴丸強度, 表面覆蓋率和粗糙度。 這些工藝參數中, 彈丸直徑和硬度是通過合理選擇彈丸得到的, 彈丸速度和流量是通過調節噴丸時的工作壓力得到的, 而噴射角度和噴嘴到零件表面距離是由噴丸機設計決定的。 通常通過調整彈丸直徑、硬度、速度和流量來滿足噴丸強化的要求。本文由 吊鉤式拋丸機 整理