以玻璃彈丸為強(qiáng)化介質(zhì)的噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)研究*

盛湘飛 夏琴香? 陳志超 程秀全

(1．華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640;2．廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣東廣州510403)

作為一種常用于改善零件抗疲勞斷裂和抗應(yīng)力腐蝕斷裂性能的表面冷加工強(qiáng)化工藝，噴丸強(qiáng)化目前在航空、航天及汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］．噴丸強(qiáng)化就是由大量高速彈丸(多為球體)循環(huán)撞擊零件表面，并在零件表層形成殘余壓應(yīng)力場，從而起到延緩零件表面微裂紋萌生和減緩表層裂紋擴(kuò)展速率的作用［3-5］．噴丸強(qiáng)度(當(dāng)噴丸時(shí)間由tp增加到2tp時(shí)，其弧高度的增幅不超過原來的10%，則tp對應(yīng)的弧高度即為噴丸強(qiáng)度［6］)與覆蓋率是確保噴丸強(qiáng)化效果與再現(xiàn)性的兩個(gè)可控參數(shù)．其中噴丸強(qiáng)度與彈丸撞擊靶材表面過程中的動能轉(zhuǎn)化相關(guān)，噴丸強(qiáng)度的改變會影響到表層殘余壓應(yīng)力場特征(強(qiáng)化機(jī)制)和表面形貌特征(弱化機(jī)制)，通常噴丸強(qiáng)化效果需考慮強(qiáng)化機(jī)制與弱化機(jī)制之間的權(quán)衡關(guān)系．因此，在噴丸強(qiáng)化工藝過程中需將噴丸強(qiáng)度嚴(yán)格控制在允許范圍之內(nèi)［7-9］．

目前獲取噴丸強(qiáng)度的方法主要包括試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬計(jì)算．前者以Almen試片作為受噴材料，采用弧高度儀進(jìn)行測量，如Biggs等［10］以鋼絲切割丸為強(qiáng)化介質(zhì)，通過大量試驗(yàn)(1200片Almen試片)分析了試片硬度、預(yù)彎曲量和噴射角度對噴丸強(qiáng)度的影響．后者采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測，如Al-Hassani［11］和 Guagliano［12］基于 Herz 靜態(tài)彈性接觸理論推導(dǎo)出噴丸殘余應(yīng)力場與弧高度之間的關(guān)系:HA=(3Mxl2)/(2Ebt3)，其中 HA為弧高度，Mx為彎矩，l為參考長度，E為材料彈性模量，b和t分別為試片的寬度和厚度;Miao 等［13］和 Guagliano［12］分別采用單彈丸和5個(gè)彈丸的數(shù)值模型，對以不銹鋼丸和陶瓷丸為強(qiáng)化介質(zhì)的噴丸強(qiáng)度進(jìn)行了研究，分析了彈丸速度對噴丸強(qiáng)度的影響規(guī)律．

噴丸強(qiáng)度數(shù)值模擬研究耗時(shí)較長，僅獲得一條弧高度曲線就需超過一周左右的時(shí)間［13］，同時(shí)不同殘余應(yīng)力場可能會得到相同的弧高度，從而給噴丸強(qiáng)度的理論計(jì)算增加了不確定性［12］．傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究對Almen試片的消耗量較大，為獲得穩(wěn)定可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要較高的試驗(yàn)成本．為此，文中以玻璃彈丸為強(qiáng)化介質(zhì)，提出了試片重復(fù)使用的試驗(yàn)方法，通過對噴丸強(qiáng)度的精確求解，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了彈丸直徑d、噴射壓力p及噴嘴至受噴表面的距離D等工藝參數(shù)對噴丸強(qiáng)度的影響規(guī)律，獲得了噴丸強(qiáng)度的預(yù)測模型．

1 試驗(yàn)條件與方案

1．1 試驗(yàn)條件

文中所有試驗(yàn)均是在對圖1所示的噴丸強(qiáng)化設(shè)備進(jìn)行數(shù)控改造后完成的，正交試驗(yàn)所用工藝參數(shù)及水平見表1．噴丸強(qiáng)化介質(zhì)選用玻璃彈丸，主要是因?yàn)樵搹椡枇６容^好，基本上以圓形為主，而且經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，留在靶材表面的碎屑不會誘導(dǎo)電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)生．目前，該類彈丸在有色金屬及不銹鋼零件(鋁合金、鎂合金、鈦合金及鎳基合金等)的噴丸強(qiáng)化過程中得到了廣泛的應(yīng)用［14］．文中選用航空級N型Almen試片(美國EI公司生產(chǎn)，其材料為SAE1070)，其基本尺寸如下:長(76±0．2)mm、寬190-0．1mm、厚(0．79 ±0．025)mm．并選用 μMaxμm-Ⅱ型高級弧高度測量儀(美國EI公司生產(chǎn))對弧高度進(jìn)行測量，其測量精度為±0．002 mm．Almen試片弧高度測量的具體流程包括試片裝夾、試片受噴、夾緊螺栓移除和弧高度測量，在試片受噴過程中，噴嘴固定不動，夾具循環(huán)往返移動，移動速度為4 mm/s．文中同時(shí)選用7075鋁合金作為受噴件，以探究不同彈丸直徑對表面覆蓋率的影響．

圖1 噴丸強(qiáng)化設(shè)備Fig．1 Equipment for shot peening

表1 試驗(yàn)所用各種工藝參數(shù)及水平Table 1 Processing parameters and levels for experiment

1．2 試驗(yàn)方案

在Almen試片經(jīng)彈丸均勻撞擊后，試片表層會產(chǎn)生如圖2(a)所示的殘余應(yīng)力，試片在作用下發(fā)生彎曲，以達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)．當(dāng)噴丸強(qiáng)化后的試片仍由螺栓固定在夾具上時(shí)，其受力狀態(tài)可簡化(見圖2(a))，視為試片在力F'x和力矩Mx的共同作用下保持平面狀態(tài);當(dāng)螺栓移除后，試片會受到反方向的力和力矩的作用，并沿噴嘴方向凸起．相比而言，F(xiàn)'x對試片彎曲的作用較小，可以忽略．

通常在弧高度的測量過程中，某組工藝參數(shù)需測量5～10個(gè)不同噴丸時(shí)間點(diǎn)的弧高度，用于弧高度曲線的擬合，每測量一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)就要更換新的試片，這不僅會將試片本身的誤差引入到試驗(yàn)中，而且會增加試驗(yàn)成本．為此，文中在測量某一組工藝參數(shù)的弧高度時(shí)，采用單試片重復(fù)使用的試驗(yàn)方案，即經(jīng)過噴丸的Almen試片在卸下并測量其弧高度之后，再裝回夾具上繼續(xù)下一次噴丸．以HA=0．5 mm的試片為例進(jìn)行分析，如圖2(b)所示，在A'、B'處施加垂直向下的力，令已變形試片恢復(fù)到虛線位置的形狀，假設(shè)在恢復(fù)過程中A、B處位置固定，由弧高度測量儀測量得到AB之間的距離為31．8mm，可計(jì)算出試片從彎曲狀態(tài)恢復(fù)到水平狀態(tài)所發(fā)生的最大塑性變形，即εmax=6．6×10-4，故該形變過程可視為彈性形變，且試片在實(shí)際恢復(fù)過程中A、B處是自由延伸的．另外，由公式［6］

圖2 試片經(jīng)噴丸后形成的殘余應(yīng)力截面及再加載恢復(fù)示意圖Fig．2 Residual stress profile and reloading restore schematic diagram of Almen strip after shot peening

可知，Mx只與、t和b相關(guān)．對于同一試片和相同的工藝參數(shù)，、t和b基本相同，故試片在A'、B'處施加力的作用下發(fā)生的變形，仍可視為試片在力矩M'x作用下的變形．

文中以 d=0．2 mm、p=0．5 MPa、D=120 mm 的工藝參數(shù)組合為例對文中方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示，n為受噴循環(huán)次數(shù)(即噴丸時(shí)間)．文中方案與傳統(tǒng)試驗(yàn)方案測量的弧高度結(jié)果吻合較好，最大誤差控制在5%左右．故弧高度的測量可按文中方案進(jìn)行．

圖3 兩種試驗(yàn)方案的結(jié)果對比Fig．3 Comparison of experimental results between two schemes

2 弧高度擬合曲線及噴丸強(qiáng)度求解

文中采用式(1)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合

式中，c1、c2為可變參數(shù)．因?yàn)槭?2)對5個(gè)以上數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合具有較高的擬合精度，為提高擬合精度，根據(jù)殘差平方和最小值原則，文中借助Matlab規(guī)劃求解算法對

進(jìn)行規(guī)劃求解，可獲得擬合參數(shù)c1、c2的最佳取值．其中，Ri為殘差，n'為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)．

基于上述擬合曲線，由

可求出弧高度曲線中最先達(dá)到飽和的點(diǎn)，該點(diǎn)所對應(yīng)的弧高度即為噴丸強(qiáng)度．其中，HA1是噴丸時(shí)間為n1時(shí)的實(shí)測弧高度，HA2是噴丸時(shí)間為2n1時(shí)的實(shí)測弧高度．文中以 d=0．2mm、p=0．5MPa、D=120mm的參數(shù)組合對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)為例，弧高度擬合曲線及噴丸強(qiáng)度求解結(jié)果如圖4所示，其中試片移動速度為4mm/s．

圖4 弧高度擬合曲線及噴丸強(qiáng)度的求解Fig．4 Fitting curve of arc height and soltion to Almen intensity

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用正交實(shí)驗(yàn)對3種因素(d、p及D)5種不同水平組成的工藝參數(shù)組合分別進(jìn)行試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示．令Sj為因素j的誤差平方和，Se為誤差項(xiàng)的誤差平方和，fj為因素j的自由度，fe為誤差項(xiàng)的自由度．依據(jù)F檢驗(yàn)，當(dāng)Fj＞F1-a(fj，fe)時(shí)，在給定顯著水平 a下，該因素對結(jié)果的影響具有顯著作用，否則認(rèn)為不顯著．文中取 a=0．01，經(jīng)查表 F0．99(4，4)=16，計(jì)算可得 d、p和 D因素對應(yīng)的 Fj值分別為258．23、23．60和1．74．故在以玻璃彈丸為噴丸強(qiáng)化介質(zhì)時(shí)，d對噴丸強(qiáng)度的影響具有高度顯著性，p的影響具有顯著性，而D的影響則不顯著．該結(jié)果與文獻(xiàn)［15-16］得到的結(jié)論相似．故文中僅就d和p對弧高度的影響進(jìn)行分析．

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 2 Variance analysis for orthogonal experiment results

3．1 噴射壓力與彈丸直徑對弧高度的影響

試片經(jīng)彈丸10次循環(huán)撞擊后噴射壓力p和彈丸直徑d對弧高度的影響如圖5所示．從圖5(a)可知，在其他參數(shù)不變的情況下，弧高度隨p的增大呈線性增加趨勢．從圖5(b)可知，在其他參數(shù)不變的情況下，弧高度隨d的增大而增加，但d在0．20～0．65mm之間時(shí)弧高度的增速明顯放緩．這是因?yàn)楫?dāng)d＜0．20mm時(shí)，噴射出來的彈丸一部分會懸浮在噴丸設(shè)備工作室內(nèi)，而后續(xù)噴射出來的彈丸會受到懸浮在空氣中的彈丸的影響，導(dǎo)致彈丸流不穩(wěn)定，從而削弱彈丸對試片表面的撞擊能量，d越小這種削弱作用越明顯．當(dāng)d繼續(xù)增大到0．20～0．65 mm之間時(shí)，彈丸質(zhì)量相對較大，彈丸撞擊試件后在重力作用下直接掉落，基本上不受懸浮在空氣中的彈丸的影響．在壓力不變情況下，當(dāng)d增大時(shí)，彈丸質(zhì)量的增加導(dǎo)致噴射出來的彈丸數(shù)量減少，從而出現(xiàn)了圖6所示的彈坑面積占被噴表面面積的比例(c)逐漸下降的現(xiàn)象，此時(shí)彈丸直徑增大對弧高度的影響受到彈坑覆蓋面積減少的影響，從而導(dǎo)致弧高度增速變緩．

圖5 噴射壓力與彈丸直徑對弧高度的影響Fig．5 Effects of shot pressure and shot diameter on arc height

圖6 噴射壓力為0．30 MPa時(shí)彈丸直徑對7075鋁合金表面彈坑覆蓋率的影響Fig．6 Effects of shot diameter on surface indentation coverage of 7075 aluminum alloy as shot pressure is 0．30MPa

3．2 噴射壓力與彈丸直徑對噴丸強(qiáng)度的影響

噴丸強(qiáng)度Q除了與試片本身的材料及尺寸有關(guān)外，還與噴射壓力p和彈丸直徑d等工藝參數(shù)相關(guān)．在其他工藝參數(shù)不變的情況下，噴射壓力與彈丸直徑對噴丸強(qiáng)度的影響如圖7所示．從圖7(a)可知，噴丸強(qiáng)度隨p的增大呈線性增加趨勢．從圖7(b)可知:當(dāng)d從0．10mm增大到0．65mm時(shí)，噴丸強(qiáng)度隨d的增大而變化的趨勢與圖5(b)所示的弧高度的變化趨勢接近一致;當(dāng)d=0．05mm時(shí)出現(xiàn)了圖7(b)所示的奇異點(diǎn)．噴射壓力p=0．30 MPa時(shí)弧高度隨受噴循環(huán)次數(shù)的變化如圖8所示，當(dāng)受噴循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，d=0．10mm對應(yīng)的弧高度比d=0．05 mm時(shí)大，并未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，但噴丸強(qiáng)度并非試片經(jīng)噴丸強(qiáng)化后所能達(dá)到的最大弧高值．按噴丸強(qiáng)度的定義，由于d=0．05mm時(shí)弧高度達(dá)到飽和狀態(tài)所需受噴循環(huán)次數(shù)(時(shí)間)比d=0．10mm時(shí)大數(shù)倍甚至數(shù)十倍(見圖8)，從而出現(xiàn)同一時(shí)間弧高度較小但最終噴丸強(qiáng)度較大的奇異現(xiàn)象．

圖7 噴射壓力與彈丸直徑對噴丸強(qiáng)度的影響Fig．7 Effects of shot pressure and shot diameter on Almen intensity

圖8 噴射壓力為0．30MPa時(shí)受噴循環(huán)次數(shù)對弧高度的影響Fig．8 Effect of shot peening cycle times on arc height as shot pressure is 0．30MPa

3．3 噴射壓力與彈丸直徑對受噴循環(huán)次數(shù)的影響

圖9 噴射壓力與彈丸直徑對nsat的影響Fig．9 Effect s of shot pressure and shot diameter on nsat

噴丸強(qiáng)度對應(yīng)的受噴循環(huán)次數(shù)nsat亦稱飽和時(shí)間，反映試片在一定工藝參數(shù)組合下弧高度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的速度［11］．噴射壓力與彈丸直徑對nsat的影響如圖9所示．從圖9(a)可知，在其他工藝參數(shù)不變情況下，nsat隨噴射壓力p的增大呈緩慢減小的趨勢，當(dāng)d=0．05mm時(shí)，其nsat隨噴射壓力增加的變化情況與其他4種彈丸直徑對應(yīng)的nsat變化情況相比存在較大波動，最大波動達(dá)到35．16．這主要是因?yàn)樵跍y量弧高度的過程中，高強(qiáng)度氣壓會導(dǎo)致噴丸設(shè)備工作室內(nèi)(處于密封狀態(tài))的空氣流動紊亂，當(dāng)d較小時(shí)，彈丸流受空氣影響的程度增大．從圖9(b)可知，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，nsat隨d的增大呈先急劇減小后基本保持不變的趨勢．這是因?yàn)楫?dāng)d過小(0．05mm)時(shí)，彈丸流極不穩(wěn)定，撞擊試片表面的有效能量嚴(yán)重降低，從而導(dǎo)致飽和時(shí)間延長;當(dāng)d＞0．10mm時(shí)，在壓力不變的情況下，隨著d的增大，單個(gè)噴丸循環(huán)的弧高度會隨之增加(見圖5(b))，而噴丸強(qiáng)度也會隨之增加(見圖7(b))，因此達(dá)到飽和狀態(tài)所需循環(huán)次數(shù)變化不大，即d對nsat基本上沒有影響．

3．4 噴丸強(qiáng)度預(yù)測模型

文中根據(jù)圖7中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以彈丸直徑d和噴射壓力p為自變量，分別采用對數(shù)函數(shù)和三次多項(xiàng)式對噴丸強(qiáng)度Q進(jìn)行擬合，結(jié)果如式(5)-(14)(去除了奇異點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù))，相應(yīng)的擬合回歸系數(shù)r2分別為 0．967、0．980、0．959、0．950、0．922、0．998、0．999、0．989、0．992 和 0．991．

4 結(jié)論

文中以玻璃彈丸為強(qiáng)化介質(zhì)，基于試片重復(fù)使用的試驗(yàn)方案、規(guī)劃求解和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了彈丸直徑、噴射壓力及噴嘴至試片受噴表面的距離對噴丸強(qiáng)度的影響權(quán)重，討論了噴射壓力、彈丸直徑對弧高度、噴丸強(qiáng)度及飽和時(shí)間的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論:

(1)文中提出的試驗(yàn)方案經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證具有較高的可靠性，對弧高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合及飽和點(diǎn)求解的方法具有較高的精度．

(2)彈丸直徑d對噴丸強(qiáng)度的影響具有高度顯著性，噴射壓力p對噴丸強(qiáng)度的影響居其次，噴嘴至受噴表面的距離D對噴丸強(qiáng)度的影響不大．

(3)在其他工藝參數(shù)不變的情況下，經(jīng)過相同噴丸時(shí)間，弧高度和噴丸強(qiáng)度隨p的增大均呈近似線性增加趨勢，噴丸強(qiáng)度對應(yīng)的受噴循環(huán)次數(shù)nsat隨p的增大呈緩慢減小趨勢，但d=0．05 mm時(shí)，nsat隨噴射壓力的增加出現(xiàn)較大的波動．

(4)在其他工藝參數(shù)不變的情況下，經(jīng)過相同噴丸時(shí)間，弧高度隨d的增大呈前期快速增加而后期緩慢增加趨勢;噴丸強(qiáng)度總體上隨d的增大而增加，但d=0．05mm時(shí)出現(xiàn)了奇異點(diǎn);nsat隨d的增大呈先急劇減小而后基本保持不變的趨勢．

(5)文中以玻璃彈丸為強(qiáng)化介質(zhì)所獲得的各噴丸工藝參數(shù)對噴丸強(qiáng)度影響的基本規(guī)律對其他材質(zhì)彈丸同樣適用．但常用的其他彈丸基本上為金屬材質(zhì)，彈丸直徑不會太小、彈丸重量較大，不會出現(xiàn)文中所述的d=0．05mm時(shí)所對應(yīng)的特殊情況．文中獲得的不同噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)對噴丸強(qiáng)度的影響規(guī)律，可用于指導(dǎo)噴丸強(qiáng)化工藝的生產(chǎn)實(shí)踐．

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