馬泳濤,張 彬,李春凡,王俊龍,孫 寧,劉蘭榮

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

0 引言

零件由于設(shè)計(jì)和制造原因形成的溝槽等具有應(yīng)力集中的部位,是影響和制約零件疲勞壽命的關(guān)鍵因素。要減小或消除應(yīng)力集中的影響,不僅需要進(jìn)行合理的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以降低應(yīng)力集中系數(shù),而且需要通過(guò)改性的方法,在應(yīng)力集中部位的表層構(gòu)筑優(yōu)良變質(zhì)層,抵卸應(yīng)力集中或裂紋萌生,提高零件的疲勞壽命。

但要對(duì)上述部位進(jìn)行改性,存在以下難點(diǎn)：一是上述部位空間尺寸較小,如軸類(lèi)花鍵的根部圓角,通常是0.3 mm[1],常規(guī)的滾壓擠壓等接觸式工藝難以處理;二是上述部位的改性需在熱處理之后進(jìn)行以保證殘余應(yīng)力的有效性,而熱處理之后材料的硬度較高,不易產(chǎn)生塑性變形,難于引入殘余應(yīng)力。因此有必要尋求新的改性方法對(duì)上述部位進(jìn)行有效改性。

混合射流噴丸技術(shù)是一種新型的表層改性工藝。它將高壓水射流技術(shù)與噴丸相結(jié)合,利用高壓水流的速度推動(dòng)丸粒高速撞擊靶材,從而在零件表層形成多重覆蓋的彈坑,達(dá)到引入殘余應(yīng)力的和改性的目的。這種工藝的特點(diǎn)是能量集中度高,通過(guò)高壓和高強(qiáng)度丸粒的配合,可以對(duì)熱處理后的硬態(tài)表面實(shí)施改性。此外,該方法操作靈活,在一定噴嘴尺寸條件和相關(guān)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的配合下,可實(shí)現(xiàn)多種空間曲面、狹窄溝槽的有效改性。

在對(duì)噴丸對(duì)零件成形變化方面,肖旭東等[2]探究了零件固定的松緊關(guān)系來(lái)探究噴丸對(duì)零件成型曲率和延展量。李鋒等[3]通過(guò)對(duì)鋁合金試件噴丸研究,建立了曲率半徑與氣壓、移動(dòng)速度和預(yù)應(yīng)力之間的回歸方程。陳德敏[4]對(duì)水射流沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力波規(guī)律進(jìn)行探討,進(jìn)而研究了沖擊產(chǎn)生裂紋尺寸的變化規(guī)律。繆偉[5]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)鋁合金噴丸成形進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)工件結(jié)構(gòu)對(duì)成形曲率影響明顯。Xiao等[6]通過(guò)建立靜壓模型探究預(yù)測(cè)了不同工藝參數(shù)下噴丸之后零件的形狀。在材料去除方面,彭家強(qiáng)等[7]采用單磨料顆粒的方法研究磨料對(duì)金屬材料的去除力。Meng等[8]通過(guò)試驗(yàn)分析了噴距對(duì)材料去除的影響。焦光偉等[9]探究了2種磨料對(duì)材料去除的影響,分析了不同磨料去除材料的優(yōu)缺點(diǎn)。周山子[10]探究了不同入噴射距離、加工時(shí)間、噴射壓力、磨粒濃度、工件表面質(zhì)量和材料去除率的關(guān)系。在產(chǎn)生塑性變形方面,羅學(xué)昆等[11]通過(guò)對(duì)試樣微觀組織研究發(fā)現(xiàn)噴丸之后會(huì)在試樣表層產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。Wang等[12]從能量等效的角度研究了噴丸在大零件薄板上的塑性變形。

但上述研究主要集中在噴丸對(duì)大型平板構(gòu)件成形及沖擊影響的研究上,通過(guò)磨料水射流對(duì)狹小溝槽尺寸及表面質(zhì)量的研究較少,一些結(jié)論也不再適用,需要重新進(jìn)行研究。

混合射流改性的效果可通過(guò)帶缺口的旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的疲勞對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證[13]。本課題組通過(guò)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)KT=2(KT為應(yīng)力集中系數(shù))試樣的改性研究發(fā)現(xiàn),原先設(shè)計(jì)尺寸為R=0.75的應(yīng)力集中環(huán)槽,經(jīng)過(guò)改性后環(huán)槽深度變深、圓角半徑變大。這種尺寸的變化會(huì)對(duì)后續(xù)的磨削加工帶來(lái)一定的負(fù)面影響。具體表現(xiàn)在,成型方式的磨削加工為了恢復(fù)原先設(shè)計(jì)的環(huán)槽圓角尺寸,必須加大磨削深度。而磨削深度的加大,一方面會(huì)使已有殘余應(yīng)力場(chǎng)受到影響,尤其是殘余應(yīng)力場(chǎng)的峰值可能會(huì)被削去;另一方面,會(huì)造成已有環(huán)槽直徑的變化,直接影響應(yīng)力集中系數(shù)。因此,對(duì)于缺口槽改性過(guò)程中尺寸變化的規(guī)律和殘余應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)筑規(guī)律需要進(jìn)行深入研究,在此基礎(chǔ)上,才可設(shè)計(jì)出余量合理的初始圓角尺寸,在經(jīng)過(guò)改性、成型磨削加工后,尺寸達(dá)到原始設(shè)計(jì)要求,而殘余應(yīng)力場(chǎng)也符合保留峰值的基本要求。

本文采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,以缺口圓角半徑為R=0.6 mm的試樣為對(duì)象,利用單因素的實(shí)驗(yàn)方法,研究改性后試樣缺口圓角半徑的變化規(guī)律和殘余應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)筑規(guī)律,測(cè)試了已改性表面的表面質(zhì)量,并總結(jié)出相應(yīng)的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

本試驗(yàn)在課題組自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的前混合水射流改性試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。改造裝置如圖1—3所示,它由高壓水生成系統(tǒng)、前混合水射流液壓系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

圖3 改性裝置示意圖

高壓水系統(tǒng)用于加速水箱中的水,提供50 MPa的壓力和15 L/min的最大流量。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由XYZ三條直線和AB軸模式組成。XYZ軸用于控制噴嘴組件的空間運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)范圍800 mm×600 mm×150 mm,重復(fù)定位精度0.02 mm,B軸可以調(diào)節(jié)噴嘴組件的角度,擺動(dòng)范圍±60°,A軸可以實(shí)現(xiàn)速度控制和位置控制,切換到速度控制時(shí),最高速度可達(dá)100 r/min。前混合射流液壓系統(tǒng)由純水支路和磨料支路組成。通過(guò)調(diào)節(jié)各支路的阻尼,可以有效地改變射流的混合比。為了便于壓力參數(shù)的調(diào)節(jié),在液壓支路的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置了壓力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)前混合液壓系統(tǒng)。壓力傳感器采用VALCOM-50MPW,測(cè)量范圍為0～50 MPa,測(cè)量精度為±0.2%。

試驗(yàn)所用材料為18CrNiMo7-6滲碳合金鋼,缺口試樣尺寸如圖4所示,經(jīng)熱處理及滲碳后材料表面屈服強(qiáng)度最高可達(dá)1 700 MPa[14],如圖5所示。磨料采用嚴(yán)格按照DIN8201標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼絲切丸,磨料直徑為0.2 mm,硬度為750～850 HV。

圖5 缺口試樣圖(R=0.60 mm)

1.2 測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)所用到的測(cè)量?jī)x器：使用高速大功率X射線殘余應(yīng)力分析儀測(cè)量試驗(yàn)后試樣的殘余應(yīng)力,測(cè)量選用Cr靶。在每個(gè)表面上測(cè)量3個(gè)點(diǎn),平均值為該槽底的殘余應(yīng)力值。測(cè)量時(shí),采用自動(dòng)聚焦,以及去除壞點(diǎn)的方法得到較為準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力值。通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方法,改變腐蝕的時(shí)間選擇腐蝕深度,可以得到沿層深方向的殘余應(yīng)力值。

用三維形貌測(cè)量?jī)x測(cè)量槽底表面粗糙度Ra值,通過(guò)每次旋轉(zhuǎn)工件120°來(lái)測(cè)量每個(gè)槽底3個(gè)點(diǎn),取平均值作為該槽底的粗糙度值。通過(guò)掃描整個(gè)槽區(qū)域,提取數(shù)據(jù),通過(guò)Matlab數(shù)據(jù)處理和底部圓弧半徑的擬合,可以準(zhǔn)確地得到槽在不同加工工藝參數(shù)下缺口圓角半徑的變化情況。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素法探究不同射流工藝對(duì)缺口改性的影響。采用1.2 mm噴嘴,噴射角度為90°,磨料混合比1.26%～1.77%。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)缺口試樣轉(zhuǎn)速一定,噴嘴移動(dòng)速度過(guò)快會(huì)形成如圖6所示試樣表面未完全被射流覆蓋的情況。a為改性區(qū)域大小。由此得出水射流對(duì)試樣圓柱面的覆蓋率為水射流改性面積與待改性圓柱面積的比值,即

圖6 射流改性區(qū)域大小示意圖

(1)

式中：S2為水射流已改性面積;S1為試樣待改性圓柱面表面積;v1為試樣表面線速度v1=2πnr;t為改性時(shí)長(zhǎng);n為試樣旋轉(zhuǎn)速度;r為試樣半徑;L為試樣長(zhǎng)度;v為噴嘴移動(dòng)速度。當(dāng)Q=1即an/v=1時(shí),試樣表面可以被全覆蓋。

在射流過(guò)程中,純水與磨料水射流對(duì)工件尺寸的影響變化如圖7所示,壓力在10～30 MPa,磨料水射流改性主要依靠磨料的作用,純水對(duì)缺口圓角半徑基本沒(méi)有影響。

圖7 純水射流與磨料射流改性差異曲線

2.2 缺口試樣尺寸變化

改性后缺口圓角半徑數(shù)值如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可得直方圖如圖8所示,試樣3和試樣8的缺口圓角半徑變化最大。對(duì)于試樣3,這是由于壓力為30 MPa,射流具有較高的沖擊能力,改性后缺口變化明顯。對(duì)于試樣8,由于射流次數(shù)增加,磨料沖擊缺口的次數(shù)增加,因而改性后的缺口尺寸變化比較明顯。而對(duì)于試樣1,由于射流的壓力較低,產(chǎn)生的能量有限,因而缺口圓角半徑尺寸增加量較小;試樣6(v/n=0.5)雖然與試樣4(v/n=0.5)配比(噴嘴移速與工件轉(zhuǎn)速的比值)相同,但由于工件轉(zhuǎn)速增加,使得改性時(shí)噴嘴移速同比增加,在缺口處停留的時(shí)間較短,使得改性時(shí)間受限因而缺口圓角半徑變化呈下降趨勢(shì);試樣9相比工件1、7,雖然工件轉(zhuǎn)速一樣,但是配比(v/n=0.8)與試樣7(v/n=0.2)、試樣1(v/n=0.48)相差較大,同樣會(huì)使得改性效果下降,這是由于在工件轉(zhuǎn)速一定時(shí),噴嘴移速的增加,單位時(shí)間內(nèi)參與對(duì)缺口沖蝕的磨料較少,對(duì)缺口圓角半徑改性能力下降。

表2 改性后缺口圓角半徑

圖8 各組試驗(yàn)改性后缺口圓角半徑直方圖

2.3 試樣殘余應(yīng)力

改性后缺口處的殘余應(yīng)力的存在對(duì)試樣疲勞壽命起著關(guān)鍵作用[15]。不同改性工藝下的殘余應(yīng)力如圖9所示。

圖9 殘余應(yīng)力沿層深的變化曲線

圖9顯示了缺口試樣缺口底部改性前后殘余應(yīng)力在深度方向的變化曲線。如圖9所示,殘余應(yīng)力場(chǎng)從整體上呈“勺形分布”。由圖9(a)所示,最大殘余應(yīng)力值隨著噴嘴入口壓力的增加而增加,30 MPa以?xún)?nèi)壓力對(duì)最大殘余應(yīng)力值提升明顯,而對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)層深提升較少。在10、20、30 MPa時(shí)最大殘余應(yīng)力值分別為-1 005.76、-1 197.83、-1 297.87 MPa。30 MPa最大殘余應(yīng)力值較10 MPa最大殘余應(yīng)力值提升29%,最大應(yīng)力值層深提升50%,殘余應(yīng)力場(chǎng)層深增加50 μm左右,這是由于壓力的提升使得射流的能量增加,對(duì)缺口試樣沖擊力增強(qiáng),使缺口處產(chǎn)生更大的塑性變形,使得殘余應(yīng)力提升。由圖9(b)所示,在噴嘴移速與工件轉(zhuǎn)速比值一定時(shí)(即配比一定時(shí)),最大殘余應(yīng)力值,最大殘余應(yīng)力值層深以及殘余應(yīng)力場(chǎng)層深都會(huì)隨著工件轉(zhuǎn)速的增加而減小,工件轉(zhuǎn)速16、25、38 r/min時(shí),最大殘余應(yīng)力分別為-1 207.96、-1 197.83、-1 098.78 MPa。最大殘余應(yīng)力值略微減小,這是由于在壓力一定時(shí),射流的沖擊速度幾乎不變。而殘余應(yīng)力場(chǎng)層深有較大的下降,這是由于工件轉(zhuǎn)速的增加,在噴嘴移速與工件轉(zhuǎn)速配比一定時(shí),工件轉(zhuǎn)速的增加使得噴嘴移速同比增加,改性缺口圓角的時(shí)間下降,參與改性的磨料數(shù)量減少,使得對(duì)試樣的沖擊總能量下降。結(jié)合工件加工效率,工件轉(zhuǎn)速選擇25 r/min是較優(yōu)的參數(shù)。由圖9(c)所示,在工件轉(zhuǎn)速一定時(shí),最大殘余應(yīng)力值會(huì)隨著噴嘴移速的增加而略有減小,即當(dāng)工件轉(zhuǎn)速不變,噴嘴移速為5、12、20 mm/min時(shí),最大殘余應(yīng)力分別為-1 278.87、-1 197.83、-1 165.95 MPa。配比v/n=0.2時(shí),最大殘余應(yīng)力雖然會(huì)略有增加,但最大殘余應(yīng)力值之后的殘余應(yīng)力值衰減較快,這與噴嘴移速過(guò)慢,可能在缺口處產(chǎn)生了“過(guò)噴”使得殘余應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了變化。當(dāng)配比v/n=0.8時(shí),最大殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)層深與配比v/n=0.48幾乎相等,但殘余應(yīng)力場(chǎng)層深及最大殘余應(yīng)力值較小。因此當(dāng)配比v/n=0.48時(shí),是較優(yōu)的工件轉(zhuǎn)速及噴嘴移速配比。由圖9(d)所示,噴丸次數(shù)為1次、2次、3次時(shí),最大殘余應(yīng)力分別為-1 197.83、-1 257.78、-1 306.97 MPa。殘余應(yīng)力場(chǎng)層深增加30、40 μm。最大殘余應(yīng)力值及殘余應(yīng)力場(chǎng)層深較一次射流均有所增加。其中最大殘余應(yīng)力值層深增加明顯依次增加20、30 μm,較一次射流增加66.67%、100%,這是由于射流次數(shù)的增加,使得磨料對(duì)缺口處沖擊的次數(shù)增加,對(duì)缺口處產(chǎn)生的更大的塑性變形,使得最大殘余應(yīng)力值,最大殘余應(yīng)力值對(duì)應(yīng)層深以及殘余應(yīng)力場(chǎng)層深均增加。但多次射流會(huì)對(duì)缺口處產(chǎn)生一定的磨損,一部分殘余應(yīng)力被沖蝕去除。使得缺口根部近表層的殘余應(yīng)力值下降,如在30 μm處,隨著射流次數(shù)的增加,殘余應(yīng)力會(huì)有減小的趨勢(shì)。

2.4 粗糙度

圖10為不同射流改性工藝參數(shù)下的缺口底部粗糙度。試樣1為原始樣品,由于車(chē)削磨削等工藝的處理會(huì)在缺口根部留下一定的車(chē)痕及磨痕,影響缺口處的粗糙度。試樣0～9的處理方法如表1所示。

圖10 缺口底部粗糙度直方圖

對(duì)比試樣1、2、3可得,當(dāng)射流的壓力增大時(shí),槽底部的粗糙度不斷增大,在壓力為10～30 MP的過(guò)程中粗糙度由1.61 μm變化到 1.76 μm,粗糙度增加了9.31%。這是由于射流沖擊能量隨著壓力的提升而提升,使得射流中的磨料沖擊能量增大,在缺口底部形成的凹凸坑變大粗糙度增加。對(duì)比試樣4、3、6可得,在配比為v/n=(0.48～0.50)時(shí),工件轉(zhuǎn)速越大,噴嘴移速隨著工件轉(zhuǎn)速同比增大,此時(shí)工件表面線速度遠(yuǎn)大于噴嘴移動(dòng)速度,發(fā)現(xiàn)缺口底部粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小,這表明配比在v/n=(0.48～0.50)時(shí),工件轉(zhuǎn)速的增加會(huì)使得缺口底部粗糙度下降。對(duì)比試樣7、3、9可得,當(dāng)配比變化較大時(shí)(v/n=0.2～0.8)固定工件轉(zhuǎn)速為25 r/min,噴嘴移速?gòu)? mm/min增加到20 mm/min時(shí),缺口根粗糙度由1.65 μm增加到1.79 μm,表明在工件轉(zhuǎn)速一定時(shí),噴嘴移動(dòng)速度的增加會(huì)增大粗糙度。這是由于噴嘴移速過(guò)快使得磨料沿噴嘴移速方向產(chǎn)生較大速度,磨料垂直打擊到缺口根部的數(shù)量減少,對(duì)缺口根部產(chǎn)生更大剪切力,使得粗糙度增加。對(duì)比試樣3、5、8可得,射流次數(shù)的增加一定程度上對(duì)一次射流造成的凹坑及凸起磨削的作用,但通過(guò)試驗(yàn)表明射流次數(shù)的增加引入粗糙度的趨勢(shì)大于對(duì)一次凹坑磨削的有利影響。

2.5 分析與討論

通過(guò)對(duì)缺口圓角半徑為0.6 mm的缺口試樣進(jìn)行前混合磨料射流改性處理,需要考慮合適的壓力取值范圍,低壓對(duì)試樣的改性能力不足,高壓會(huì)對(duì)缺口圓角半徑產(chǎn)生較大的沖擊磨損。此外工件轉(zhuǎn)速和噴嘴移速的配比應(yīng)該合適,過(guò)大的配比會(huì)使得殘余應(yīng)力場(chǎng)在層深和最大應(yīng)力值減小,過(guò)小的配比會(huì)影響加工效率,并在槽底引入較差的粗糙度。結(jié)合加工效率綜合考慮得到較合適的配比為a=0.48。此外當(dāng)射流系統(tǒng)阻尼配比一定和受射流壓力的限制時(shí),通過(guò)多次射流改性處理可以在殘余應(yīng)力場(chǎng)的最大應(yīng)力值、最大應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的層深和殘余應(yīng)力場(chǎng)層深方面都會(huì)有較大的提升作用,但多次沖擊對(duì)缺口底部粗糙度方面是不利的,對(duì)射流次數(shù)的選擇應(yīng)該結(jié)合殘余應(yīng)力的變化才可以得到合理的射流工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

1) 在材料一定時(shí),磨料水射流對(duì)狹小溝槽尺寸的改變主要通過(guò)磨料的作用,純水對(duì)溝槽尺寸變化影響不大。

2) 隨著射流壓力的增加,缺口圓角的尺寸變化越來(lái)越大,并且隨著射流壓力的提升,可以獲得較優(yōu)的各項(xiàng)殘余應(yīng)力場(chǎng)指標(biāo),但同時(shí)也會(huì)在缺口根部形成較高的粗糙度。

3) 工件轉(zhuǎn)速和噴嘴移速?zèng)Q定著在改性過(guò)程中是否可以對(duì)工件全覆蓋,通過(guò)理論分析得到了全覆蓋公式。工件轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)使得殘余應(yīng)力場(chǎng)各方面指標(biāo)有所下降,因此25 r/min的轉(zhuǎn)速較優(yōu)。在這個(gè)基礎(chǔ)上以殘余應(yīng)力、粗糙度和加工效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合考慮兩者的配比問(wèn)題,得到較合適的配比為a=0.48。

4) 射流次數(shù)的增加會(huì)由于沖蝕作用的影響在近表層殘余應(yīng)力值有所下降,但在殘余應(yīng)力層深、最大應(yīng)力值、最大應(yīng)力值對(duì)應(yīng)的層深方面都會(huì)有一定的增加,其中最大應(yīng)力值對(duì)應(yīng)層深增加明顯,依次增加20、30 μm,較一次射流增加66.67%、100%。