何聲馨, 劉坤坤, 王 銳, 張二亮, 李延民
(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)
噴丸硬化是一種常用的機(jī)械表面處理方法,廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天領(lǐng)域,以提高長(zhǎng)期服役于高應(yīng)力工況下金屬零件的抗疲勞性能,如飛機(jī)引擎壓氣機(jī)葉片、汽車傳動(dòng)系統(tǒng)零件等的抗疲勞性能[1-3].在噴丸過程中,無(wú)數(shù)鋼丸連續(xù)且高速噴射,錘打到零件表面,從而在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力層.每當(dāng)一顆鋼丸撞擊金屬零件表面上時(shí),都會(huì)形成一個(gè)凹陷,改變材料表面形貌.在噴丸技術(shù)的研究過程中,研究人員對(duì)使用的各種表面變形技術(shù)和表面變形材料的表面粗糙度的演變的研究越發(fā)感興趣,例如噴丸硬化、球拋光、激光沖擊噴丸[4-6]和超聲波噴丸硬化[7-9],進(jìn)行了特定變形過程加工參數(shù)對(duì)材料表面粗糙度影響的研究,例如Mordyuk等[10]評(píng)估了超聲噴丸硬化的持續(xù)時(shí)間對(duì)材料粗糙度的影響.
表面測(cè)量學(xué)是當(dāng)今制造業(yè)一個(gè)非常重要的領(lǐng)域,對(duì)于高精密儀器的零部件,其表面測(cè)量就顯得尤為重要.二維平均粗糙度是描述粗糙度時(shí)最常使用的參數(shù).然而,這一參數(shù)無(wú)法全面地表征復(fù)雜表面輪廓的所有特征,因此,對(duì)三維粗糙度評(píng)定參數(shù)的研究就成了必然,并且已成為當(dāng)今粗糙度研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要方向.同樣地,表面形貌從傳統(tǒng)的二維表征轉(zhuǎn)變?yōu)槿S綜合表征,研究人員針對(duì)各種特定的表面應(yīng)用,提出了許多三維粗糙度參數(shù),形成了所謂的“參數(shù)爆炸”的局面[11-12],這妨礙了表面形貌評(píng)價(jià)工作的開展.因此,需要選擇最合適的表面粗糙度參數(shù)來(lái)表征已經(jīng)表面變形的材料的表面性狀.
本研究采用多尺度分析的方法,搜索最佳的表面粗糙度參數(shù)和最佳評(píng)價(jià)尺度.多尺度分析方法可以更好地反映材料的表面性能,并找到最佳評(píng)價(jià)尺度,同時(shí)有助于尋找噴丸表面最佳粗糙度表征參數(shù)與材料硬度之間的關(guān)系.
實(shí)驗(yàn)使用的材料為316、2205、420不銹鋼,樣品規(guī)格為25 mm×10 mm×10 mm.其化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))如表1所示.
首先將所有樣品研磨、拋光以獲得鏡面效果,然后使用轉(zhuǎn)臺(tái)式噴丸機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行噴丸處理.噴丸工藝參數(shù)如下:壓力0.15 MPa,流量5 kg/min,丸粒參數(shù)CCW23/0.6 mm/670 HV,角度85°,噴丸距離220 mm,覆蓋率100%.噴丸強(qiáng)度:316為0.086 mmA;420為0.088 mmA;2205為0.089 mmA.
表1 材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of material %
使用三維非接觸式光學(xué)輪廓儀(NPFLEX,Bruker Nano Inc,USA)測(cè)量噴丸表面粗糙度,選擇2.5倍目鏡,測(cè)量工作距離為3.48 mm,使用白光光源,掃描速度為1倍.為獲取可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)特征,對(duì)每個(gè)試樣的表面形貌進(jìn)行多次采樣,以1.2 mm×0.9 mm的區(qū)域作為基本圖元,由16個(gè)基本圖元以20%的重疊度拼接在一起,構(gòu)成尺寸為 2.2 mm×1.8 mm 的大尺寸拼接測(cè)量圖像,每個(gè)試樣均拍攝10張大尺寸拼接測(cè)量圖像.
使用微米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(PB1000,NANOVEA,USA),在室溫下對(duì)每個(gè)未噴丸樣品表面分別進(jìn)行3次壓痕測(cè)試,得到原材料硬度值.
材料表面的輪廓特征在數(shù)學(xué)本質(zhì)上可視為一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過程,其由不同頻帶的諧波分量構(gòu)成,具有多尺度特征.表面形貌中的粗糙度、波紋度和形狀誤差成分主要區(qū)別在于其所占的頻帶不同,利用不同的帶通濾波器可以將粗糙度、波紋度和形狀誤差從表面形貌中分離出來(lái).通過非下采樣Contourlet分解變換,表面形貌可被分解成不同尺度、不同方向的子帶,各尺度上的子帶表示相應(yīng)頻帶的表面形貌信息[13].取出的表面形貌的微觀幾何特征用于各種形貌評(píng)定參數(shù)的計(jì)算,這有效克服了傳統(tǒng)評(píng)定方法單一性缺陷.
本研究為了描述試樣的形貌,使用商用表面分析軟件MountainsMap進(jìn)行分析處理,得到表面形貌圖片,從中選擇最佳評(píng)價(jià)尺度,并計(jì)算了27個(gè)表面粗糙度參數(shù),主要分為:幅度參數(shù)[14]、功能體積參數(shù)[15]、空間參數(shù)[15]、混合參數(shù)[14]、特征參數(shù)[15],具體如表2所示.
表2 表面形貌參數(shù)
采用方差分析[16]確定描述噴丸表面的最優(yōu)形貌參數(shù).獲得各形貌參數(shù)的統(tǒng)計(jì)量F值,對(duì)得到的F值進(jìn)行排序,得到如圖1所示的統(tǒng)計(jì)量的數(shù)值對(duì)形貌參數(shù)的排序.由圖中可知排序第一的參數(shù)是均方根偏差Sq,表明Sq是表征噴丸表面形貌的最優(yōu)參數(shù).
使用表面分析軟件MountainsMap分析處理得到的表面形貌圖片,填充非測(cè)量點(diǎn),去除形狀并設(shè)置界限.在此基礎(chǔ)上,選擇不同的評(píng)價(jià)尺度并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的表面三維粗糙度參數(shù)組.選擇最基本的兩個(gè)粗糙度參數(shù)Sq(均方根偏差)和Sa(算術(shù)平均偏差),研究其與評(píng)價(jià)尺度之間的關(guān)系,結(jié)果如圖2所示.從圖2中可以看出,當(dāng)評(píng)價(jià)尺度小于800 μm 時(shí),Sq和Sa的數(shù)值隨著評(píng)價(jià)尺度的增大而明顯增大,當(dāng)評(píng)價(jià)尺度大于800 μm 時(shí),Sq和Sa趨于穩(wěn)定,不再有顯著變化.故選擇800 μm作為最佳評(píng)價(jià)尺度.
圖1 表征噴丸表面的形貌參數(shù)的排序Fig.1 Classification order of the morphological parameters of the shot peening surface
圖2 Sa和Sq隨評(píng)價(jià)尺度的變化Fig.2 Varieties of Sa and Sq with evaluation scales
在最佳評(píng)價(jià)尺度800 μm下生成3D表面圖像并對(duì)其進(jìn)行motif分形處理,結(jié)果如圖3所示.分析表明,噴丸處理后的樣品,在同樣大小的觀測(cè)區(qū)域內(nèi),316的撞擊坑明顯偏深,平均深度為5.34 μm,其次為420,深度為5.09 μm,2205不銹鋼最淺,深度為4.68 μm.
圖3 3種試樣的3D表面圖像和分析Fig.3 3D images and corresponding graphical analysis of three samples
使用微米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(PB1000,NANOVEA,USA),在室溫下對(duì)每個(gè)未噴丸樣品表面分別進(jìn)行3次硬度測(cè)量,求其平均值,測(cè)量結(jié)果如表3所示.因此,316、420、2205不銹鋼的原始硬度分別為224、325、336 Hv.
表3 樣品材料原始硬度Tab.3 Hardness of sample material Hv
均方根偏差Sq屬于幅度參數(shù).綜合分析每個(gè)試樣拍攝的10張大尺寸拼接圖像,提取每張圖像中的Sq數(shù)值,與樣品材料原始硬度結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖4所示,316、420和2205 3種不銹鋼的Sq分別為9.70、8.61、6.96 μm.由圖4可以看出,Sq與未經(jīng)處理的原始材料硬度之間存在線性關(guān)系,隨著材料硬度的增加,Sq會(huì)隨之減小.
圖4 最優(yōu)形貌參數(shù)Sq與硬度之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the optimal morphological parameters Sq and the hardness
筆者基于多尺度分析了不同型號(hào)不銹鋼經(jīng)噴丸處理后表面的最優(yōu)形貌表征參數(shù)的選擇,考慮了6個(gè)評(píng)價(jià)尺度和27個(gè)常規(guī)的三維粗糙度參數(shù).以不同評(píng)價(jià)尺度下各粗糙度參數(shù)的變化規(guī)律和表面形貌圖像選取最優(yōu)評(píng)價(jià)尺度800 μm,并在最優(yōu)評(píng)價(jià)尺度下,采用方差分析確定描述噴丸表面的最優(yōu)形貌參數(shù).根據(jù)統(tǒng)計(jì)量F的數(shù)值對(duì)形貌參數(shù)進(jìn)行排序.排序第一的參數(shù)是均方根偏差Sq,表明Sq是表征噴丸表面形貌的最優(yōu)參數(shù),與廣泛使用的算術(shù)平均偏差Sa相比,Sq能更好地刻畫噴丸表面形貌.同時(shí)發(fā)現(xiàn)Sq與未經(jīng)處理的原始材料硬度之間存在反比關(guān)系,隨著材料硬度的增加Sq會(huì)隨之減小.