張雷雷，馬玉亮，張曉云，楊 平，唐 豪，焦 凱

(陜西柴油機重工有限公司，陜西 興平 713100)

0 前 言

連桿作為柴油機八大件中的關(guān)重件之一，是衡量柴油機安全和壽命的重要指標。在柴油機的運行工作中，連桿兩端分別與活塞和曲軸相連接，活塞的往復(fù)運動通過連桿傳遞到曲軸，從而使曲軸轉(zhuǎn)動輸出動力；在運動過程中，連桿與曲軸、活塞之間會產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，除受周期性的拉、壓應(yīng)力外，還受一定的彎曲應(yīng)力；通常，連桿的失效形式主要為疲勞斷裂[1，2]，在生產(chǎn)上為了防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，往往需要對連桿進行噴丸處理，來提高其疲勞強度和使用壽命。

劉保權(quán)等[3]實驗研究了40MnV非調(diào)質(zhì)鋼連桿鍛后空冷和正火2種工藝對連桿疲勞性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：鍛后空冷可以延長連桿的疲勞壽命。李啟鵬等[4]利用激光對連桿進行了沖擊強化，研究了它的疲勞壽命，研究表明：使用激光沖擊強化后，連桿的疲勞壽命延長為原來的5.24倍，有效降低了連桿疲勞斷裂的風(fēng)險。

噴丸強化是用大量的金屬、陶瓷或玻璃等丸粒來持續(xù)轟擊材料表面，使材料表面發(fā)生塑性變形，塑性變形會使材料表層組織發(fā)生一定程度的晶粒細化，從而提高材料表面的強度和耐磨性，同時，塑性變形會給材料表層組織植入一定的壓應(yīng)力，表層壓應(yīng)力的存在能夠有效地抑制和延緩裂紋的生長與擴展，從而延長材料的疲勞壽命。相對于其它強化技術(shù)，噴丸強化是一種成本低、效率高的表面強化手段，已廣泛應(yīng)用于船舶、航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域[5，6]。

在工廠的生產(chǎn)加工過程中，噴丸工藝參數(shù)的選取多以試驗和經(jīng)驗為主，生產(chǎn)效率低，隨著彈丸類型、彈丸大小、噴丸強度等噴丸要求的改變，現(xiàn)有的噴丸工藝已經(jīng)不能滿足當下的生產(chǎn)需求。因此，本工作通過工藝實驗，繪制出噴丸強度的飽和曲線，對現(xiàn)場工藝進行了優(yōu)化，并對噴丸后的試樣進行硬度、表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力測試，最后成功對某型號柴油機的連桿進行了噴丸處理，結(jié)果滿足要求。

1 實驗材料與方法

實驗用基體材料為42CrMo4，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，化學(xué)成分見表1，將基體材料切割成100 mm×20 mm×10 mm的小試樣，清除表面異物后待用，弧高試片采用購買的標準Almen試片，彈丸材料選擇φ0.58 mm的鑄鋼丸。實驗用KXS-3000P型數(shù)控噴丸機，噴丸過程如圖1所示，噴丸時，將一定量的彈丸以一定的角度、速度和壓力向基體進行噴射，從而使基體表面產(chǎn)生一定的變形與壓應(yīng)力。

表1 42CrMo4鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of 42CrMo4 steel(mass fraution)

在現(xiàn)有噴丸工藝的基礎(chǔ)上，保持彈丸流量、壓力、噴丸距離與噴丸角度不變，通過改變噴槍移速來測定不同噴丸速度下的Almen試片弧高值，進而計算出噴丸過程的飽和曲線及飽和強度，噴丸工藝參數(shù)見表2。

利用TSP-3型噴丸試片量規(guī)檢測噴丸后Almen試片的弧高值，噴丸前后各測試同一Almen試片的弧高值，其差值即為噴丸后的弧高值，每種工藝下測量3個Almen試片，取其平均值。使用HVT-1000A型顯微硬度計測試噴丸后試樣的硬度，加載載荷0.98 N，停留時間10 s，沿深度方向從噴丸表面間隔0.05 mm進行硬度測試。使用ISR-C300粗糙度測試儀檢測噴丸后試樣表面的粗糙度。利用μ-360s型X射線衍射儀測試噴丸后試樣沿深度方向的殘余壓應(yīng)力，測試方法為COSα法，測試條件為Cr Kα射線，管電壓30 kV，電流2 mA，衍射晶面(211)。

表2 噴丸工藝參數(shù)Table 2 Shot peening process parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 Almen試片飽和曲線繪制

按表2所示的4種工藝參數(shù)對Almen試片進行噴丸處理，噴丸后使用弧高測試儀測試其弧高值，結(jié)果見表3。由表3可知，當噴丸時間從4 s增加到8 s時，Almen試片的弧高值明顯變大，說明此時Almen試片還未達到噴丸飽和狀態(tài)；當噴丸時間從16 s增加到32 s時，Almen試片的弧高值變化很小，說明此時已達到試片的飽和狀態(tài)。

表3 Almen試片弧高測試值Table 3 Almen test piece arc height test value

以橫坐標為噴丸時間，縱坐標為Almen試片弧高值，做出弧高值隨噴丸時間變化的曲線并進行擬合，得到噴丸過程的飽和曲線，結(jié)果如圖2所示。由Almen10%理論可知，當噴丸時間增加1倍，Almen試片弧高值增加少于10%，則達到飽和狀態(tài)。因此，從圖2可以得到，當噴丸時間t=12 s時，試片已經(jīng)到達到飽和狀態(tài)，此時的噴丸強度為0.38 mmA。為了滿足覆蓋率≥125%的技術(shù)要求，將噴丸時間適當增加，調(diào)整為t=14 s，調(diào)整后噴丸強度為0.39 mmA，覆蓋率也滿足要求。通過以上調(diào)整，得到噴丸的最佳工藝參數(shù)為：彈丸流量10 kg/min，距離120 mm，噴槍移速9 mm/s，噴丸時間14 s。

利用最佳噴丸工藝對試樣進行噴丸處理，噴丸后進行硬度、粗糙度和殘余壓應(yīng)力檢測。

2.2 噴丸后硬度分析

利用上節(jié)得到的最佳噴丸工藝對試樣進行噴丸處理，噴丸后使用維氏硬度計進行硬度檢測，加載載荷0.98 N，停留時間10 s，沿深度方向從噴丸表面間隔0.05 mm進行硬度測試，同一位置測量3次，取其平均值，得到的硬度曲線如圖3所示。

從噴丸后的硬度曲線可以看出，隨著距表面距離的增加，硬度呈下降趨勢，從最大408 HV逐漸降低到346 HV，最終在334 HV處趨于穩(wěn)定，接近于未噴丸基體材料的硬度，即此處已超出噴丸硬化區(qū)域，已到達基體部分。因此，在最佳噴丸工藝下，噴丸硬化層深約為250 μm。噴丸后硬度的提升主要是由于材料表面發(fā)生塑性變形，晶粒得到細化，晶界增多，形成了一定的加工硬化區(qū)域，阻礙了位錯的運動，相當于對材料進行了細晶強化，因而硬度有所提升[7]。表面硬度的提升可以提高材料的耐磨性，延長零件的使用壽命，對工件是有益的。

2.3 噴丸后粗糙度分析

使用粗糙度測量儀對噴丸前后試樣表面的粗糙度進行測量，測量時選取3個試樣分別在兩端和中間3個位置進行粗糙度檢測，每個位置測量3次，取平均值，測得的粗糙度數(shù)值如圖4所示。噴丸后粗糙度的大小主要與彈丸直徑、壓力、噴丸距離、噴丸速度與時間等有關(guān)[8]，粗糙度過大會影響零件的使用效果和精度，甚至?xí)沽慵砻娉霈F(xiàn)裂紋，因此選擇合理的噴丸工藝顯得尤為重要。由圖4可知，未噴丸試樣的表面粗糙度約為0.26 μm，在最佳噴丸工藝下，噴丸后試樣表面的粗糙度最大值為2.68 μm，最小值為2.11 μm，粗糙度整體較小，符合技術(shù)要求，噴丸試樣兩端與中間的粗糙度差值也較小，說明噴丸的一致性較好，也反映出噴丸工藝較為合理。

2.4 噴丸后殘余壓應(yīng)力分析

使用μ-360s型X射線應(yīng)力測定儀對噴丸后的試樣進行殘余壓應(yīng)力檢測，從表層向內(nèi)部進行深度剝層測量，每層間隔16 μm，每層測量4個點取平均值，深度剝層采用電解腐蝕方法，電解腐蝕液為飽和的NaCl溶液，測得的殘余壓應(yīng)力曲線如圖5所示。由殘余壓應(yīng)力曲線圖可知，通過噴丸處理植入試樣表面的殘余壓應(yīng)力呈下降趨勢，表面殘余壓應(yīng)力最大，約為-554 MPa，隨著距表面距離的增大，殘余壓應(yīng)力逐漸減小，這是由于在噴丸過程中，攜帶一定能量的彈丸首先接觸的是材料表面，與其發(fā)生碰撞，產(chǎn)生塑性變形，從而植入一定的壓應(yīng)力，隨著彈丸對表面的持續(xù)撞擊，植入試樣表面的殘余壓應(yīng)力逐漸積累，在慢慢變大的同時逐步向內(nèi)部延伸，最終殘余壓應(yīng)力表現(xiàn)出由表面向內(nèi)部逐漸減小的現(xiàn)象。表面殘余壓應(yīng)力的存在能夠抵消工件運行時產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力，從而提高工件的疲勞強度，延長使用壽命。應(yīng)力曲線下降整體較為平緩，且測得的應(yīng)力數(shù)值誤差相對較小，從側(cè)面反映出噴丸效果較好。

2.5 連桿實物噴丸處理

使用上面得到的最佳工藝對某型號連桿大端孔進行噴丸處理，對噴丸后的連桿進行噴丸強度和覆蓋率檢測，結(jié)果均符合技術(shù)要求。改變工藝后，單件連桿的噴丸時間相對減少，效率有了明顯提高。將噴丸后的連桿精加工后，裝機并進行實驗，在累計運行80 h后，各項性能均能達到指標，實驗結(jié)束后將連桿拆下進行檢測，結(jié)果表明，連桿大端孔表面完好，無磨損痕跡出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)通過繪制噴丸飽和曲線和覆蓋率的要求，得到了噴丸過程的最佳工藝:彈丸流量10 kg/min、壓力0.5 MPa、噴丸距離120 mm，噴槍移速9 mm/s。

(2)在最佳工藝下，噴丸后試樣表面硬度由334 HV升高到408 HV，硬化層深約為250 μm；噴丸后試樣表面的最大粗糙度為2.68 μm ，相比于基體提高了約10倍；噴丸后試樣表層的殘余壓應(yīng)力最大，隨著距表面距離的增加殘余壓應(yīng)力逐漸減小。

(3)利用得到的最佳工藝成功對某型號連桿進行了噴丸，各項指標均滿足技術(shù)要求。通過改變工藝，噴丸效率得到提升，為工廠節(jié)約了成本。