陳建彬，王虎軍，蔡繼文，王子昱

（1.安徽天航機電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 211100）

1 引言

螺紋聯(lián)接損壞的一個主要原因是由動載荷引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，這會導(dǎo)致疲勞損壞的產(chǎn)生[1-3]。而螺母是螺紋聯(lián)接中常見的標準螺紋件，其主要失效形式實接觸疲勞破壞[4-6]。對零件表面進行表面處理可以提高表面疲勞極限，表面冷作變形、表面熱處理、表面鍍層和涂層是常見的表面處理方式[7]。噴丸、滾壓、拋丸以及擠壓等強化方式均屬于表面冷作變形，噴丸通常利用彈丸高速撞擊工件表面，即將彈丸加速后噴丸到零件表面，在材料表面形成小壓痕或凹坑，材料表面因彈丸的不規(guī)則碰撞會發(fā)生塑性變形，在金屬表面形成一定厚度的殘余應(yīng)力層[8-10]。噴丸強化處理會使零件表面的晶粒發(fā)生破碎細化，位錯密度增大，可以提高金屬表層的硬度以及材料強度[11]。

文獻[12]研究了AISI403鋼在0.23Amm 噴丸強度下的殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)AISI403鋼表面殘余壓應(yīng)力分布均勻且隨著層深的增加呈現(xiàn)先增后件的趨勢，最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在距表面25μm處。文獻[13]進行了噴丸三維場殘余應(yīng)力的有限元模擬，發(fā)現(xiàn)高覆蓋率的噴丸處理能使目標物體形成殘余應(yīng)力層，提高物件的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。文獻[14]提出了X射線、中子衍射法等來非破壞性殘余應(yīng)力的測試方法，并且提出局部低溫勢處理等消除殘余應(yīng)力的方法。但是針對噴丸強化后螺母表層殘余應(yīng)力的測試分析較少。

試驗考慮噴丸壓力、噴丸流量、噴丸距離、噴丸角度對噴丸強化效果的影響，采取正交試驗法進行試驗，并沿著螺母軸向方向取了三個測試截面進行了螺母表面層殘余應(yīng)力測試分析，通過對不同截面以及螺母整體殘余應(yīng)力的顯著性分析，得出較為優(yōu)異的噴丸強化工藝參數(shù)。

2 試驗材料和試驗方案

2.1 試驗材料

本次試驗采用的螺母材質(zhì)為1Cr11Ni2W2MoV，其成分，如表1所示。力學性能，如表2所示。螺母的圓角半徑為1.6mm，陶瓷丸的尺寸大小應(yīng)當小于螺母圓角半徑的一半。因此，選取直徑為0.35mm 的CZ35陶瓷丸作為本次試驗的強化彈丸，CZ35陶瓷丸的力學性能，如表3所示。

表1 1Cr11Ni2W2MoV化學成分表（wt%）Tab.1 Table of Chemical Composition of 1Cr11Ni2W2MoV（wt%）

表2 1Cr11Ni2W2MoV力學性能表Tab.2 Mechanical Properties of 1Cr11Ni2W2MoV

表3 陶瓷丸的材料特性Tab.3 Material Properties of Ceramic Pellets

2.2 試驗方案

2.2.1 噴丸強化試驗方案

當選定CZ35陶瓷丸作為強化彈丸時，噴丸強化的核心參數(shù)為噴丸壓力以及噴丸流量的大小，兩者決定了噴丸強化下目標物件表面強化深度以及殘余應(yīng)力的分布情況。當噴丸壓力與噴丸流量確定的情況下，噴丸距離決定了噴射強化的覆蓋程度以及噴射動能，部分噴射動能將被材料表層吸收產(chǎn)生塑性變形與殘余應(yīng)力，噴射角度決定了強化彈丸在接觸目標物件表面時留下的彈坑形狀以及應(yīng)力分布，噴射距離與噴射角度也是噴丸強化的核心參數(shù)。因此，選取的噴丸強化工藝參數(shù)，如表4所示。

表4 噴丸強化試驗工藝參數(shù)Tab.4 Process Parameters of Shot Peening Experiments

本次試驗中有4個研究參數(shù)，每個參數(shù)三個變量，采用正交試驗法，共需要L9（34）試驗，即單次測試9組試驗，如表5所示。

表5 噴丸強化正交試驗表Tab.5 Shot Peening Orthogonal Test

2.2.2 螺母表面殘余應(yīng)力測試方案

試驗采用x射線測試試驗裝置（μ-X360），如圖1所示。沿著螺母軸向方向取三個截面作為測試截面，分別為直段面、小圓弧面、大圓弧面，每個截面選取4個點作為測試點，然后取平均值即為該段截面的殘余應(yīng)力值，如圖1所示。

圖1 螺母殘余應(yīng)力測試部位及x射線測試試驗裝置Fig.1 Residual Stress Test Part of Nut and X-Ray Test Experimental Device

3 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)過噴丸強化后與未經(jīng)過噴丸強化的螺母表面形貌，如圖2所示?？梢钥闯鼋?jīng)過噴丸強化后螺母表面的光潔度較差。

圖2 螺母表面形貌圖Fig.2 Nut Surface Topography

3.1 螺母表面殘余應(yīng)力分析

不同噴丸工藝下的各螺母截面的殘余應(yīng)力，如圖3所示。其中0號螺母未經(jīng)過噴丸強化。

圖3 殘余應(yīng)力分布折線圖Fig.3 Residual Stress Distribution Line Chart

從圖3中可以看出，未經(jīng)過噴丸強化的螺母在大圓弧截面的殘余應(yīng)力數(shù)值為正，而經(jīng)過噴丸強化后螺母各截面的殘余應(yīng)力均為負值，噴丸強化使得螺母表面均呈現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。且在直段截面與大圓弧截面的殘余壓應(yīng)力值分布在（-400～-500）MPa之間，遠大于小圓弧截面的殘余壓應(yīng)力值。當螺母表面受到彈丸撞擊時，由于彈丸的硬度大于螺母表面硬度，螺母表面主要發(fā)生不均勻的塑性變形，晶格畸變，使得表層位錯密度增大，從而形成殘余應(yīng)力層。

3.2 螺母直段截面殘余應(yīng)力顯著性分析

運用SPSS軟件對正交試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，不考慮交互作用，只考慮各因素的主效應(yīng)。因變量為各截面的表面的殘余應(yīng)力，規(guī)定變量為噴丸壓力、噴丸流量、噴丸距離、噴丸角度。得到各變量對截面殘余應(yīng)力分布的影響關(guān)系。直段截面主體間效應(yīng)的檢驗，如圖4所示。噴丸壓力和噴丸流量對直段截面殘余應(yīng)力分布有顯著影響。

圖4 直段截面主體間效應(yīng)的檢驗Fig.4 Test of the Inter-Subject Effect of a Straight Section

4個因素的主次關(guān)系是：噴丸流量＞噴丸壓力＞噴丸距離＞噴丸角度。

各因素與直段截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖5所示。從圖5中可以看出，針對直段截面，0.40MPa噴丸壓力、3.0kg/min噴丸流量、100mm噴丸距離、80°噴丸角度是相對最優(yōu)的工藝。

圖5 各因素與直段截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.5 Estimated Marginal Mean of Each Factor and Residual Stress in Straight Section

3.3 螺母大圓弧截面殘余應(yīng)力顯著性分析

對大圓弧截面主體間效應(yīng)的檢驗可以得出，噴丸流量和噴丸距離對大圓弧截面殘余應(yīng)力分布有顯著影響，4個因素的主次關(guān)系是：噴丸流量＞噴丸距離＞噴丸壓力＞噴丸角度。各因素與大圓弧截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖6所示。

從圖6 中可以看出，針對大圓弧截面，0.40MPa 噴丸壓力、2.5kg/min 噴丸流量、200mm 噴丸距離、90°噴丸角度是相對最優(yōu)的工藝。

圖6 各因素與大圓弧截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.6 Estimated Marginal Mean of Residual Stress of Various Factors and Large Arc Sections

3.4 螺母小圓弧截面殘余應(yīng)力顯著性分析

對小圓弧截面主體間效應(yīng)的檢驗可以得出，噴丸壓力、噴丸流量和噴丸角度對小圓弧截面殘余應(yīng)力分布有顯著影響，4個因素的主次關(guān)系是：噴丸壓力＞噴丸流量＞噴丸角度＞噴丸距離。各因素與直段截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖7所示。從圖7中可以看出，針對小圓弧截面，0.40MPa噴丸壓力、2.5kg/min噴丸流量、150mm噴丸距離、70°噴丸角度是相對最優(yōu)的工藝。

圖7 各因素與小圓弧截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.7 Estimated Marginal Mean of Residual Stress of Various Factors and Small Arc Sections

3.5 螺母整體殘余應(yīng)力顯著性分析

考慮螺母整體殘余應(yīng)力的分布效果，即對直段截面、大圓弧截面、小圓弧截面各取權(quán)重1/3進行加權(quán)。各因素與螺母整體殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖8所示。從圖8中可以看出，針對螺母整體殘余應(yīng)力分布，0.40MPa 噴丸壓力、2.5kg/min 噴丸流量、100mm噴丸距離、90°噴丸角度是相對最優(yōu)的工藝。

圖8 各因素與螺母整體殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.8 Estimated Marginal Mean of Each Factor and the Overall Residual Stress of the Nut

4 結(jié)論

采用不同噴丸強化工藝對螺母表面進行加工處理，對螺母表面三段截面進行殘余應(yīng)力測試分析，并對工藝參數(shù)與各截面殘余應(yīng)力進行顯著性分析，得到：

（1）經(jīng)過噴丸強化后，螺母直段截面的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且直段和大圓弧段的殘余壓應(yīng)力數(shù)值分布在（400～500）MPa，而小圓弧截面的殘余壓應(yīng)力數(shù)值基本與未噴丸的一致，分布在（100～250）MPa；

（2）通過SPSS軟件對各截面殘余應(yīng)力的主體間效應(yīng)的檢驗分析，針對直段截面的殘余應(yīng)力分布，噴丸流量和噴丸壓力的影響較為顯著；針對大圓弧截面的殘余應(yīng)力分布，噴丸流量和噴丸距離的影響較為顯著；針對小圓弧截面的殘余應(yīng)力分布，噴丸壓力和噴丸流量的影響較為顯著；噴丸流量的大小對螺母整體的殘余應(yīng)力分布影響較為顯著；

（3）從不同編號的螺母的直段、小圓弧截面和大圓弧截面的殘余應(yīng)力綜合比較來看，在噴丸工藝參數(shù)為0.4MPa 噴丸壓力、2.5kg/min噴丸流量、100mm噴丸距離、90°噴丸角度時，噴丸強化效果最佳，該工藝相對最優(yōu)。