（鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，鄭州 450001）

抗疲勞制造是我國(guó)發(fā)展裝備制造業(yè)、提升關(guān)鍵件競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)保障，是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必由之路。其核心是通過(guò)一定的技術(shù)手段，在零件表層構(gòu)筑具有優(yōu)良組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力分布場(chǎng)、硬度梯度場(chǎng)以及表面質(zhì)量的變質(zhì)層，用以抵卸外界循環(huán)應(yīng)力和損傷累積，抑制表面及內(nèi)部疲勞裂紋的萌生。其工藝流程一般排在熱處理之后及表面精加工之前。表層改性技術(shù)是抗疲勞制造中承上啟下的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。

水射流表層改性是近年來(lái)新興的一種零件表層改性技術(shù)，其具有能量密度高、成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，可以精確控制射流壓力、入射角度以及噴射位置，易于工程應(yīng)用，能夠通過(guò)調(diào)整射流參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)加工難以處理的狹小、彎窄等承受交變載荷的零件部位表層改性，如齒輪根部、軸肩、葉片根部等。通過(guò)一定的組合工藝手段，不但能夠?qū)崿F(xiàn)殘余應(yīng)力場(chǎng)的有效構(gòu)筑，而且在表面質(zhì)量上也能夠達(dá)到一定的指標(biāo)。在某些非接觸表面上，水射流處理過(guò)的表面可以直接應(yīng)用或服役，不需要進(jìn)行后續(xù)的精加工工序，節(jié)約了制造成本。

水射流表層改性的發(fā)展歷程

早在1984年，就有學(xué)者提出將高壓水射流應(yīng)用到零件的表層改性中，以達(dá)到提高疲勞壽命的目的[1]。當(dāng)時(shí)認(rèn)為水射流沖擊與傳統(tǒng)意義上的噴丸很相近，只是用高壓水射流代替了高速固體噴丸[4,7]。2002年美國(guó)Ramulu 等[7–8]采用純水射流表層改性鋁合金7075–T6，指出純水射流表層改性既可以延遲疲勞裂紋萌生，也可以降低裂紋擴(kuò)展速度，最終提高高周疲勞壽命。Arola 等[8]發(fā)現(xiàn)混合水射流也可以引入大小不等的殘余壓應(yīng)力（100~800MPa），隨后在大氣環(huán)境下分別采用純水射流和混合水射流對(duì)工業(yè)純鈦和Ti–6Al–4V進(jìn)行表層改性，發(fā)現(xiàn)無(wú)論純水射流還是混合水射流都可以在金屬表面引入殘余壓應(yīng)力，純水射流可以引入–180MPa，混合水射流可以引入– 400MPa[9]。由此可知，無(wú)論純水射流還是混合水射流，都可以構(gòu)筑一定深度的表面變質(zhì)層，進(jìn)而提高材料疲勞壽命。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)高壓水沖擊改性方法并沒(méi)有明確的分類(lèi)，但根據(jù)水射流的狀況可分為：高壓脈沖水射流、高壓空化水射流、高壓純水射流和高壓磨料水射流。

高壓脈沖水射流是將能量通過(guò)一定的裝置儲(chǔ)存起來(lái)，再將能量間斷地傳遞給水，利用水錘效應(yīng)對(duì)靶體進(jìn)行沖擊。Srivastava 等[10]研究了脈沖水射流對(duì)304 不銹鋼的表面處理效果，運(yùn)用圓形與扁平兩種不同形狀的噴嘴，改性件表面的初始拉伸殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)為殘余壓應(yīng)力，最高可達(dá)–513MPa。隨后研究了脈沖水射流在不同壓力、靶距、噴嘴移動(dòng)速度下對(duì)樣件改性的影響，發(fā)現(xiàn)表面殘余應(yīng)力與硬度均有增加，硬度由347HV最大可增加到570HV。

高壓空化水射流利用空化水射流的基本思想，將氣泡破裂產(chǎn)生的能量作用于材料表面達(dá)到改性的效果。Han 等[11–12]運(yùn)用有限元方法和位錯(cuò)密度方法預(yù)測(cè)了空化水射流噴丸過(guò)程中所能引入殘余應(yīng)力值的大小，然后針對(duì)純鈦合金進(jìn)行空化水射流噴丸試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，空化水射流引入的殘余應(yīng)力值與試樣的塑性變形程度正相關(guān)。

高壓純水射流強(qiáng)化的工作介質(zhì)完全是純水，沒(méi)有添加劑或磨料，僅利用水的集中動(dòng)能束噴向靶體，依靠水流的沖擊使其表面及附近層面產(chǎn)生一定的塑性變形，從而影響和改變零件的力學(xué)特性。Azhari 等[13]研究了水射流強(qiáng)化次數(shù)、進(jìn)給速率、壓力對(duì)304 不銹鋼的影響。水射流往復(fù)沖擊次數(shù)越多，壓力越大，則硬度越高，試驗(yàn)范圍內(nèi)，硬度可提高22%~31%，硬化層深度可達(dá)到150~400μm；噴嘴移動(dòng)速度越慢，硬度越高，試驗(yàn)范圍內(nèi)硬度可提高27%，硬化層深度可達(dá)到300μm。后利用水射流噴丸處理1045 碳鋼表面，研究了射流道數(shù)以及壓力對(duì)表面粗糙度以及硬度的影響，對(duì)沖蝕機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)增加射流道數(shù)和壓力會(huì)產(chǎn)生更高的表面粗糙度和沖蝕，硬度也有所提高，晶界處會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷[14]。董星等[15]應(yīng)用水射流對(duì)鋁合金和45 鋼進(jìn)行噴丸試驗(yàn)，得出結(jié)論：水射流噴丸可以提高鋁合金和45 鋼的表面殘余壓應(yīng)力，其噴丸表面殘余壓應(yīng)力隨噴丸壓力和靶距的增加而迅速增大，隨移動(dòng)速度的增加而減小。Barriuso 等[16]研究了純水射流沖擊AISI316 和Ti–6Al–4V時(shí)的表面硬化現(xiàn)象，在沖蝕表面下方，AISI316 硬度從210HV 提高到300HV，硬化層深度為100μm，而Ti–6Al–4V 沒(méi)有明顯硬化。高壓純水射流強(qiáng)化技術(shù)雖取得了一定進(jìn)展，然而因其工作介質(zhì)完全是水，對(duì)硬質(zhì)材料加工能力有限，但為高壓磨料水射流的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

高壓磨料水射流改性是在純水中添加一定比例的丸粒、提高能量，噴射到材料表面形成一定深度的表面變質(zhì)層。根據(jù)丸?；旌戏绞降牟煌譃榍盎旌吓c后混合磨料水射流兩種形式，如圖1所示。Arola 等[17]采用后混合水射流表層改性304 不銹鋼和Ti–6Al–4V，通過(guò)調(diào)整射流壓力和彈丸直徑，可在304 不銹鋼表面引入–165 ～– 460MPa 的殘余壓應(yīng)力。鄒雄等[18]運(yùn)用后混合磨料水射流噴丸對(duì)GDL–1 鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化與改性，分析了不同壓力水噴后試樣表面粗糙度、組織、硬度和殘余應(yīng)力等的變化規(guī)律，并研究了300MPa 水噴處理后不同保溫溫度和保溫時(shí)間殘余應(yīng)力場(chǎng)的熱松弛行為，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度、殘余壓應(yīng)力以及硬度隨著壓力的增大而增加，表面殘余壓應(yīng)力最大可達(dá)1155MPa，硬度近700HV。Anasiewicz 等[19]應(yīng)用混合水射流對(duì)耐腐蝕鋼的粘接部位進(jìn)行噴射，同時(shí)兼顧表面粗糙度和殘余應(yīng)力，顯著提高了金屬連接部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。董星等[20–21]運(yùn)用前混合磨料水射流裝置對(duì)2Al1 鋁合金以及45 鋼進(jìn)行試驗(yàn)，觀(guān)察不同參數(shù)下表面粗糙度的變化，結(jié)果表明：表面粗糙度隨著噴丸壓力的增大而增大，隨著移動(dòng)速度的增大而減小，并發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)靶距；運(yùn)用前混合水射流噴丸探究了不同噴丸參數(shù)對(duì)2Al1 鋁合金和45 鋼圓棒試樣顯微硬度、表面殘余壓應(yīng)力以及疲勞壽命的影響；在不同噴丸參數(shù)下殘余壓應(yīng)力得到較大提升，顯微硬度也有所提高，45 鋼疲勞壽命為未處理前的18.56 倍，2Al1 鋁合金可達(dá)25.31 倍。可見(jiàn)混合水射流由于水中混合丸粒，其沖擊能量比純水更大，強(qiáng)化效果比純水射流更顯著。后混合由高速水流在混合室內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓作用在一側(cè)卷吸丸粒，因此需要200MPa 以上壓力才能夠使丸粒達(dá)到較大的速度，且丸粒易集中分布在吸附區(qū)域的一側(cè)，不易進(jìn)入射流的中心，從而對(duì)改性效率產(chǎn)生不利影響。而前混合中水對(duì)丸粒預(yù)先在磨料罐及高壓管路內(nèi)形成漿體射流，后在混合室內(nèi)進(jìn)行二次混合，對(duì)丸粒的加速作用較為明顯，且丸粒更易進(jìn)入射流中心，更易獲得較高的動(dòng)能。因此利用前混合磨料水射流對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行表面改性，在較低壓力下丸粒便可達(dá)到較高的速度，可見(jiàn)前混合對(duì)硬質(zhì)合金的改性較后混合改性的穩(wěn)定性和效率有所提高，其結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。此外，由于前混合方式的射流形成壓力條件低于后混合，因此對(duì)于設(shè)備的承壓能力要求降低，對(duì)于承受零部件的設(shè)計(jì)及運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性較為有利。

圖1 后混合與前混合的結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.1 Comparation of injection water jet and suspension water jet

水射流射流束可在已有的零件表層施加作用力或能量，引發(fā)零件表層生成一定深度的塑性變形，形成具有一定幅值和深度的殘余應(yīng)力場(chǎng)，并伴隨微觀(guān)組織和硬度的變化，構(gòu)筑初始變質(zhì)層，集中且高效地達(dá)到改性的目的。此外，水射流的噴頭可以較為靈活地安裝在各類(lèi)平臺(tái)上，如三移動(dòng)+兩擺動(dòng)的五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)，以及多自由度機(jī)械手平臺(tái)等。國(guó)外的OMAX公司以及國(guó)內(nèi)的獅邁、大地水刀等多家公司均推出了機(jī)械手臂及五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)的水切割機(jī)，并在一些專(zhuān)用特殊場(chǎng)合成功實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。圖2是某國(guó)外公司研制的五軸切割設(shè)備。

圖2 五軸水切割機(jī)Fig.2 Five-axis water jet cutting machine

常用表層改性方法與水射流改性的對(duì)比

從加工的方式來(lái)看，表層改性主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式的代表工藝為滾壓，其特點(diǎn)是變質(zhì)層生成效率高，表面質(zhì)量好。Liu等[22]分析了滾壓次數(shù)對(duì)40Cr 表面殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明殘余壓應(yīng)力值隨滾壓次數(shù)的增加而增大，表層殘余應(yīng)力最大可達(dá)–970MPa，與初始相比提高了近2 倍。Zhu 等[23]通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)探究超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)Ti–6Al–4V 疲勞特性的影響，超聲滾壓處理后試樣的疲勞強(qiáng)度達(dá)到了612MPa，相比基體試樣提高了65%。但對(duì)于高硬度表面，需要特殊壓頭以及高噸位裝備，設(shè)備成本較高。此外，對(duì)于狹窄、溝槽以及自由復(fù)雜曲面，如齒輪的根部、軸上的鍵槽底部等，處理起來(lái)難度較大。因此，該方法常用于表面幾何特征簡(jiǎn)單、硬度不高的零件，在工程應(yīng)用上受到一定的限制。

非接觸式是近些年來(lái)新興發(fā)展的表層改性方式，其代表工藝有激光、超聲、氣動(dòng)噴丸、水射流噴丸等。超聲、激光兩種非接觸式改性方式，其應(yīng)用于大功率高頻發(fā)生器一直存在著瓶頸，裝備成本較高，因此在應(yīng)用上受到限制，現(xiàn)在主要針對(duì)特殊材料的零件進(jìn)行小范圍的應(yīng)用。氣動(dòng)噴丸是由壓縮空氣帶動(dòng)丸粒沖擊表面。高玉魁[24–25]對(duì)比了噴丸強(qiáng)化和表面機(jī)械兩種沖擊強(qiáng)化工藝對(duì)304奧氏體不銹鋼的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊強(qiáng)化導(dǎo)致奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而且表層晶粒明顯細(xì)化，從而提高了屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等拉伸性能；隨后又對(duì)比了激光沖擊強(qiáng)化和噴丸強(qiáng)化對(duì)GH742 殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)激光沖擊噴丸能引入更優(yōu)殘余壓應(yīng)力深度、冷作程度、塑性變形及更高溫下更穩(wěn)定的殘余壓應(yīng)力，并且發(fā)現(xiàn)兩種工藝處理后試樣的殘余應(yīng)力存在一個(gè)超過(guò)屈服強(qiáng)度的飽和最大值。趙艷麗等[26]研究了不同噴丸工藝對(duì)A–100 高強(qiáng)度鋼殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行二次噴丸可提高試樣的表面殘余壓應(yīng)力，最大可達(dá)–910MPa，強(qiáng)化深度15μm；但由于存在氣動(dòng)壓力的限制，其丸粒動(dòng)量有一定的上限，丸粒速度一般在100m/s 左右，而拋丸的速度更低，一般在50~60m/s，對(duì)于硬態(tài)零件表面難以實(shí)施有效改性。

水射流表層改性可以避免常規(guī)改性方法的不足。如前所述，采用純水射流可以對(duì)鋁合金等硬度較軟的材料進(jìn)行有效的表層改性，在引入足夠的殘余應(yīng)力條件下又不破壞原有表面形貌。對(duì)于硬度較高的零件表面，可以采用射流中添加丸粒的混合射流方法進(jìn)行改性。該方法最早的設(shè)備是由商用切割水刀演變而來(lái)，不同的是水刀切割添加的固體顆粒是尺寸較小的石榴砂；表層改性則是將石榴砂更換成一定尺寸的金屬丸粒，采用水帶丸粒的方式進(jìn)行表層改性，在引入殘余應(yīng)力場(chǎng)的同時(shí)，表面形貌也會(huì)受到一影響。隨著改性研究深入發(fā)展，為了提高射流效率，前混合方式逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。

混合水射流表層改性重點(diǎn)研究方向

1 射流束的形成及控制

后混合方式是高壓水首先形成高速的射流水柱，在混合室內(nèi)，高速水柱與丸粒進(jìn)行混合，然后通過(guò)混砂管射出。張滕飛等[27]利用Fluent 軟件對(duì)后混合噴嘴磨料顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，探究了磨料運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)磨粒加速運(yùn)動(dòng)的影響。在混合過(guò)程中，丸粒的運(yùn)動(dòng)由靜止到啟動(dòng)加速，在混砂管中校直后，直到形成混合射流，因此丸粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，丸粒之間、丸粒與水之間的相互作用、丸粒與壁面之間的摩擦等均會(huì)影響射流束的形成。當(dāng)采用前混合方式時(shí)，丸粒與水的混合效果更加明顯，且避免了混合過(guò)程中空氣的混入對(duì)射流結(jié)構(gòu)造成的影響，因此在一定程度上提高了射流的集束性，但是在噴嘴外自由射流區(qū)域仍存在霧化以及擴(kuò)散現(xiàn)象。在前混合射流形成研究理論方面，章文峰等[28]以固液兩相流理論為基礎(chǔ)，建立了前混合射流磨料在高壓管路、噴嘴內(nèi)的速度模型，并基于等分法和迭代算法的數(shù)值求解方法，求解了磨料速度模型?；旌仙淞鞯募灾苯佑绊懮淞鞲男阅芰Γ绾斡行?duì)其控制需要進(jìn)一步深入研究。

2 射流束參數(shù)的測(cè)量

高速流束的結(jié)構(gòu)及測(cè)量一直是相關(guān)學(xué)者高度關(guān)注的問(wèn)題。射流束參數(shù)主要包括射流束中液固質(zhì)點(diǎn)的速度分布及丸粒的空間分布。目前主要通過(guò)粒子圖像測(cè)速（Particle image velocimetry, PIV）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)射流束的流場(chǎng)可視化及速度檢測(cè)，如圖3所示。PIV 技術(shù)是一種全新的無(wú)擾、瞬時(shí)、全場(chǎng)速度測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)為非接觸式測(cè)量，在不需要破壞流場(chǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維速度可視化。PIV 測(cè)速的基本原理是在極短脈沖時(shí)間內(nèi)拍攝一對(duì)射流圖像，然后根據(jù)粒子的位移與脈沖間隔計(jì)算出速度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于該技術(shù)在小尺度流場(chǎng)中的適用性均有一定的研究。章文峰等[29]結(jié)合PIV 技術(shù)和圖像處理與濾波分析技術(shù)，測(cè)量出了前混合射流束中磨料沿軸向和徑向的速度分布規(guī)律及磨料在射流中的位置信息。Zeleňák 等[30]結(jié)合PIV 技術(shù)中的PTV 算法和激光誘導(dǎo)熒光（Laser induced fluorescence,LIF）技術(shù)，測(cè)量了一定靶距范圍內(nèi)所有顆粒的平均速度隨壓力和磨料質(zhì)量濃度的變化，并得到了不同速度區(qū)間內(nèi)丸粒的數(shù)量分布。Thongkaew等[31]結(jié)合PIV 技術(shù)及LIF 技術(shù)測(cè)量了軸向平面內(nèi)顆粒的速度分布規(guī)律并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與此前建立的粒子速度模型進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了該技術(shù)的可靠性。

受限于試驗(yàn)條件，目前PIV 技術(shù)只能測(cè)量射流束的二維速度分布。為了充分了解射流束的結(jié)構(gòu)，有必要測(cè)量射流束的三維速度分布。鮑蘇洋等[32]采用體三維速度測(cè)量（Volumetric three-component velocimetry measurements, V3V）技術(shù)測(cè)量了渦輪槳附近區(qū)域的三維流場(chǎng)，得到了尾渦渦對(duì)的三維結(jié)構(gòu)；分析了槳葉附近流體的3 個(gè)方向速度分量u、v、w沿徑向分布情況。這一技術(shù)似乎可以應(yīng)用到小尺度流場(chǎng)的三維速度可視化，比如射流束中，因此有必要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行充分研究。在實(shí)際應(yīng)用中，由于3DPIV 對(duì)測(cè)量環(huán)境有一定的要求，激光器以及相機(jī)對(duì)水汽較為敏感，因此在實(shí)際使用中由于射流反射的水霧影響，不易安裝到實(shí)際平臺(tái)當(dāng)中，必須采用臺(tái)下方式形成小規(guī)模射流，且射流需要無(wú)干擾落入下方容器中，以防濺起水汽的影響。圖3是本課題組搭建的臺(tái)下射流3DPIV 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。

圖3 3DPIV測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)Fig 3 3DPIV test platform

3 噴嘴形狀及壽命

噴嘴是混合射流最終形成的關(guān)鍵，噴嘴的形狀及壽命直接影響到混合射流的改性效果以及應(yīng)用成本。丁祥青[33]設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的噴嘴，對(duì)各噴嘴的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到最佳噴嘴結(jié)構(gòu)。黃飛等[34]設(shè)計(jì)了5種不同形狀的噴嘴進(jìn)行沖擊測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同的工況下,圓形噴嘴水射流的集束性最好且中心壓力最大，橢圓形噴嘴的水射流形態(tài)最為發(fā)散，其中心沖擊壓力最小。

混合射流由于磨料的加入，磨料在噴嘴內(nèi)部會(huì)進(jìn)行一定的無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，與噴嘴壁面發(fā)生碰撞等接觸，使噴嘴產(chǎn)生材料損失。前混合系統(tǒng)中磨料的加速時(shí)間較長(zhǎng)，能量較高，對(duì)噴嘴的磨損加劇，從而對(duì)改性效果產(chǎn)生影響。管金發(fā)等[35]建立了前混合磨料水射流噴嘴物理模型，分析了射流參數(shù)、磨料參數(shù)對(duì)磨料水射流噴嘴內(nèi)表面磨損特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著流量和磨料體積分?jǐn)?shù)的增加、磨料顆粒粒徑的減小，噴嘴內(nèi)表面磨損程度增加。于其明[36]對(duì)磨料射流噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)噴嘴磨損程度受射流時(shí)間、射流速度、磨料尺寸、磨料濃度等影響較為嚴(yán)重。混合射流改性過(guò)程中要合理確定噴嘴結(jié)構(gòu)及材料，在滿(mǎn)足改性要求的同時(shí)提高噴嘴的壽命。

4 改性后變質(zhì)層的表面完整性及后續(xù)加工方法

當(dāng)采用射流改性后，表面完整性參數(shù)與變質(zhì)層主要參數(shù)（殘余應(yīng)力、硬度梯度、微觀(guān)組織）的變化，直接影響到零件的抗疲勞性能。從現(xiàn)有研究情況來(lái)看，射流改性后的表面完整性與變質(zhì)層的變化規(guī)律情況需要深入研究。目前射流工作的主要任務(wù)是形成有效的變質(zhì)層，使產(chǎn)生的殘余應(yīng)力幅值達(dá)到材料表層梯度的屈服強(qiáng)度?；旌纤淞鲊娡钑?huì)造成表面完整性的下降，具體表現(xiàn)為表面會(huì)產(chǎn)生沖擊坑以及表面微裂紋[37]。沖擊坑是噴丸的固有現(xiàn)象，可以通過(guò)后續(xù)的精加工工藝解決。但是如果產(chǎn)生微裂紋，后續(xù)的精加工由于考慮殘余應(yīng)力深度的影響，其磨削余量受到限制而無(wú)法完全去除裂紋，甚至?xí)纬尚碌臐撛诹鸭y，對(duì)零件質(zhì)量的影響較為突出。這說(shuō)明，在采用混合水射引入殘余應(yīng)力形成新的變質(zhì)層同時(shí)，表面完整性的變化規(guī)律也需要關(guān)注?；旌仙淞鲊娡璧闹匾蝿?wù)是在滿(mǎn)足表面變質(zhì)層的量化指標(biāo)條件下也符合表面完整性的相關(guān)要求，即在無(wú)表面裂紋損傷的條件下引入最大的殘余應(yīng)力及其梯度。

改性后殘余應(yīng)力與后續(xù)精加工的矛盾也需要重點(diǎn)關(guān)注。由于殘余應(yīng)力對(duì)溫度較為敏感，甚至在一定溫度下殘余應(yīng)力會(huì)被“清零”，因此表層改性必須在熱處理之后進(jìn)行。但由于改性后表面出現(xiàn)新的應(yīng)力集中點(diǎn)（沖擊坑），對(duì)于接觸表面必須進(jìn)行精加工工序以提高表面質(zhì)量。一般較為通用的方法是磨削。在磨削過(guò)程中，磨削熱的生成與控制將是影響殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素。如何有效提高表面質(zhì)量而不影響已有的殘余應(yīng)力場(chǎng)，是表層改性或抗疲勞制造面臨的一個(gè)難題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾嘗試用特殊的CBN 砂輪，或者CBN 刀具高速切削以及磁力研磨方法進(jìn)行表層改性的后處理，希望能夠解決以上難題。本課題組以水射流表層改性后的滲碳淬火18CrNiMo7–6 為對(duì)象，采用CBN 銑刀小切深高速硬切的方法，將改性后的表面粗糙度Ra由1.204μm 減小到0.02μm，并且原先殘余應(yīng)力場(chǎng)中的最大值保持基本不變[38]。其過(guò)程如圖4所示。

圖4 硬切試驗(yàn)過(guò)程Fig.4 Experiment process of hard milling

5 微細(xì)特征處的改性

混合水射流對(duì)溝槽、曲面等復(fù)雜型面均展現(xiàn)出一定的改性能力，但對(duì)于細(xì)微特征處的改性仍存在問(wèn)題待解決。對(duì)于帶V 形槽的標(biāo)準(zhǔn)試樣，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)Kt=5 時(shí)其槽底圓角半徑很小約為0.05mm，采用混合射流加工時(shí)磨料半徑需小于槽底圓角半徑才有改性的可能性。混合射流丸粒直徑一般在0.2mm 以上，需采用直徑0.1mm 以下的微小丸粒對(duì)細(xì)微處進(jìn)行改性。在改性過(guò)程中由于射流束的擴(kuò)散以及部分丸粒沿流束徑向擴(kuò)散，對(duì)細(xì)微V 形槽的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的破壞，因此需要在改性前對(duì)V 形槽其他區(qū)域進(jìn)行一定的保護(hù)措施?；旌仙淞鞲男赃^(guò)程中會(huì)有丸粒的反彈，當(dāng)對(duì)V 型槽進(jìn)行改性時(shí)，丸粒進(jìn)入槽內(nèi)無(wú)法及時(shí)彈出，將影響后續(xù)射流的改性，對(duì)改性產(chǎn)生不利影響。以上這些問(wèn)題需要深入研究。

6 前混合連續(xù)噴射

前混合水射流一部分高壓水進(jìn)入儲(chǔ)料罐，與儲(chǔ)料罐內(nèi)的磨料初步混合，使丸粒處于流化態(tài)，后進(jìn)入高壓管路在噴頭裝配體內(nèi)與水進(jìn)行二次混合。在此過(guò)程中丸粒與水在通過(guò)管路阻尼時(shí)可能會(huì)發(fā)生堵塞，試驗(yàn)研究表明，高濃度的水丸混合流對(duì)管路內(nèi)的流道尺寸變化比較敏感，任何微小的丸粒流動(dòng)的波動(dòng)都可能會(huì)造成連鎖效應(yīng)，從而形成噴嘴或阻尼孔處的堵塞，影響改性效率以及安全性。因此，應(yīng)研究前混合射流的壓差流量特性，使用一定大小的丸粒與阻尼，射流出流以及混合比均保持穩(wěn)定，以保證射流不發(fā)生堵塞，連續(xù)穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，丸粒處于儲(chǔ)料罐的密閉環(huán)境中，可利用傳感器檢測(cè)罐內(nèi)丸粒的儲(chǔ)存量，以及時(shí)添加丸粒，避免在改性過(guò)程中丸粒供給突然中斷，造成不必要的停機(jī)和工件浪費(fèi)。

混合射流改性發(fā)展方向及應(yīng)用前景

混合射流改性進(jìn)一步發(fā)展的研究方向主要在以下4 個(gè)方面。

（1）前混合代替后混合。當(dāng)前表層改性主要設(shè)備是基于后混合方式，其裝備基于水射流切割機(jī)，經(jīng)簡(jiǎn)單改造升級(jí)后進(jìn)行表層改性研究。前混合在加工效率及加工穩(wěn)定性上均優(yōu)于后混合，且參數(shù)可控性較大。提高加工效率、減少磨料的消耗以及降低能耗是混合射流發(fā)展的方向，前混合射流在今后有更廣闊的應(yīng)用前景。

（2）改性表層初始硬度不斷提高。工件表面硬度高，其沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度以及耐磨性均有所提高，對(duì)高硬表面進(jìn)行強(qiáng)化（HRC60~65）更有利于發(fā)揮材料的潛力，提高零件的使用壽命。對(duì)于某些關(guān)鍵零件如軸承等，由于抗疲勞制造要求，其熱處理后的硬度要達(dá)到HRC65~67 甚至更高。對(duì)于這種高硬材料的表面進(jìn)行處理，混合射流具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，合理優(yōu)化射流改性工藝參數(shù)，丸粒產(chǎn)生的沖擊能夠?qū)τ操|(zhì)表面產(chǎn)生較大影響，進(jìn)一步提高硬質(zhì)表面的性能。

（3）工程化應(yīng)用。在機(jī)械裝備中，螺栓根部、齒輪表面以及根部、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根部等關(guān)鍵零件的應(yīng)力集中部位需要引入合理的殘余應(yīng)力場(chǎng)以提高零件的疲勞性能?；旌仙淞鞲男缘淖陨韮?yōu)勢(shì)比較適合對(duì)以上零件表面的局部或整體進(jìn)行改性。對(duì)于上述零件進(jìn)行表層改性，需要在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上再展開(kāi)工程應(yīng)用。如對(duì)于齒輪，應(yīng)先采取樣件改性、樣件疲勞試驗(yàn)、齒輪形面工藝試驗(yàn)、齒輪接觸疲勞以及彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)、裝配后嚙合試驗(yàn)等全過(guò)程，需要材料、裝備設(shè)計(jì)、疲勞、工藝編程等多個(gè)研究方向的共同組合才能實(shí)現(xiàn)，并由科研院所、高校以及應(yīng)用企業(yè)共同參與研發(fā)。其最終成果是改性零件的量產(chǎn)化以及改性專(zhuān)機(jī)的研發(fā)。

（4）混合射流表層改性專(zhuān)用裝備研發(fā)。混合射流對(duì)形狀復(fù)雜以及精度要求較高的零件進(jìn)行改性，五軸或多自由度機(jī)械手水射流改性裝備是其應(yīng)用的前提。對(duì)材料進(jìn)行改性時(shí)，丸粒不可避免四處飛濺，對(duì)操作人員的安全、機(jī)床的精度以及環(huán)境產(chǎn)生不利影響，因此需要對(duì)混射射流改性裝備進(jìn)行全面防護(hù)。防護(hù)包括兩個(gè)方面：一是運(yùn)動(dòng)部件的全封閉防護(hù)，機(jī)床導(dǎo)軌、絲杠、伺服電機(jī)以及線(xiàn)纜等要與丸粒和水進(jìn)行物理隔離，以確保機(jī)械部件的正常運(yùn)動(dòng)接合面不受丸粒和水的影響；二是進(jìn)行噴頭運(yùn)動(dòng)范圍的局部防護(hù)，減少丸粒濺出量，將反彈出的丸?？刂圃谳^小空間范圍內(nèi)。在安全措施上，人機(jī)交互處需要安裝有一定耐沖擊級(jí)別的鋼化玻璃；設(shè)備的壓力、流量等參數(shù)要實(shí)時(shí)檢測(cè)，做到參數(shù)可調(diào)可控；裝備需要有自動(dòng)丸?；厥找约把b填裝置，以做到丸粒循環(huán)回收，脫水干燥以及自動(dòng)烘干等，從而節(jié)省加工時(shí)間，提高工作效率。