噴丸對2A14鋁合金桶形零件表面粗糙度的影響

■昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 （江西景德鎮(zhèn) 333000） 俞應(yīng)煒 沈國喜 李智勇

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工程師 俞應(yīng)煒

噴丸強(qiáng)化作為表面強(qiáng)化工藝之一，相對其他表面改性工藝而言比較簡單，但是使用效果卻非常顯著，目前已應(yīng)用于航天航空、機(jī)車和汽車等各個(gè)領(lǐng)域。

噴丸強(qiáng)化原理是利用噴射出的彈丸強(qiáng)烈撞擊材料，在表面形成小凹坑，使材料表面發(fā)生塑性變形，從而在金屬表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力。表層下壓縮的晶粒由于要恢復(fù)到原來的形狀，從而會產(chǎn)生一個(gè)均勻的殘余壓應(yīng)力層，使材料表面得到強(qiáng)化，經(jīng)過噴丸處理之后，材料表層的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒細(xì)化，位錯(cuò)密度增大，晶格畸變增大，最終形成很高的殘余壓應(yīng)力。材料表層殘余應(yīng)力的存在將明顯地提高材料的抗疲勞性能和疲勞壽命，提高材料表面的強(qiáng)度和硬度、以及抗應(yīng)力腐蝕及耐高溫氧化等性能。

1.試驗(yàn)用材料

試驗(yàn)選用2A14鋁合金桶形零件，其材料強(qiáng)度較高，熱強(qiáng)性好，具有良好的可切削性，電焊和焊縫性能良好，其具體成分如表1所示。

圖1 噴丸處理前的零件

表1 2A14鋁合金化學(xué)成分

將2A14鋁合金桶形零件分為4組（見圖1），第一組表面粗糙度值Ra＝0.30～0.65μm，第二組表面粗糙度值Ra＝2.20～4.71μm，第三組表面粗糙度值Ra＝6.5～7.1μm，第四組表面粗糙度值Ra＝1.40～1.75μm。

采用型號為SP1200 G4的氣動式噴丸機(jī)，其工作原理如圖2所示，玻璃鋼丸在負(fù)壓的情況下被吸附到了高壓噴嘴前，彈丸在高壓的作用下噴射到零件的表面，使得在零件表面上產(chǎn)生塑性變形。噴丸丸粒采用規(guī)格為AGB70的玻璃彈丸，符合AMS 2431/6標(biāo)準(zhǔn)，其形貌如圖3所示。

噴丸強(qiáng)度的驗(yàn)證采用如圖4所示的自制工裝，將驗(yàn)證ALMEN試片的標(biāo)準(zhǔn)底座通過螺釘固定在自制工裝中，并將ALMEN標(biāo)準(zhǔn)試片固定于標(biāo)準(zhǔn)底座上。ALMEN標(biāo)準(zhǔn)試片滿足SAE J 442和AMS 2431/2文件要求。測試次數(shù)滿足最低要求的4次。

2.試驗(yàn)方法

（1）噴丸壓力和丸流量的選擇。噴丸時(shí)，在有一定壓力氣流的情況下，彈丸以一定的動能形成一條有規(guī)律的彈丸流作用于材料表面。而彈丸噴出速度和沖擊力量是由氣流壓力的大小決定的，材料塑性變形的程度是由噴丸在材料表面的強(qiáng)度決定的。而通過ALMEN試片的驗(yàn)證，繪制出飽和曲線，確定出飽和點(diǎn)，就能確定出相應(yīng)的噴丸強(qiáng)度。在確定氣流的壓力值時(shí)，應(yīng)盡量考慮使用較低的氣流壓力，以減少對于材料表面的磨損。

彈丸流量是單位時(shí)間內(nèi)噴嘴噴射出彈丸的數(shù)量，流量和氣流壓力相關(guān)，低的氣流壓力應(yīng)該對應(yīng)較低的流量，對于該零件選擇將氣流壓力定為0.5×105Pa，彈丸流量為3kg/min。彈丸流量和氣流壓力確定后，通過調(diào)整噴槍上下移動的速度，可以得到不同的噴丸強(qiáng)度，通過調(diào)整噴槍上下移動的速度為300mm/min、600mm/min和900mm/min時(shí)，分別得到對該零件的噴丸強(qiáng)度為三個(gè)固定值：0.35mm（A）、0.31mm（A）和0.27mm（A）。

（2）噴丸時(shí)間的確定和覆蓋率的檢測。噴丸時(shí)間由ALMEN試片的飽和時(shí)間決定，但可根據(jù)試片達(dá)到的飽和時(shí)間對零件表面達(dá)到100%覆蓋率的時(shí)間，進(jìn)行相應(yīng)的借鑒，阿夫拉米方程對于平均覆蓋率是基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的顆粒到達(dá)速度一致的假設(shè)，該方程為

C＝100[1－exp（－nr2Rt）]

圖2 噴丸處理

圖3 玻璃丸粒

式中，C為覆蓋率（%）；n為阿夫拉米指數(shù)；r為凹痕半徑；R為形成凹痕的平均速度；t為形成凹痕所需時(shí)間。

根據(jù)阿夫拉米方程，可以觀察到覆蓋率越來越接近100%，但理論上不可能達(dá)到100%。最后10%覆蓋率所需時(shí)間是開始百90%覆蓋率所需時(shí)間的1.5倍。達(dá)到100%覆蓋率的最后1%所用噴丸時(shí)間將大約占總時(shí)間的20%，達(dá)到最后2%覆蓋率所需噴丸時(shí)間將接近總時(shí)間的40%，在99%的覆蓋率情況下，有85%的位置被擊打過兩次或更多，有50%的位置被擊打過5次或更多。一般來說，覆蓋率達(dá)到98%，就可以說是等于100%覆蓋了。如果想要達(dá)到100%的覆蓋率，可能會導(dǎo)致過度噴丸情況。98%的覆蓋率控制將會顯著節(jié)省噴丸時(shí)間。通過以上公式推測，凹坑半徑就為彈丸的半徑，形成凹坑的平均速度近似為噴射速度，得出達(dá)到100%覆蓋率的時(shí)間為20min。

表面覆蓋率采用熒光法進(jìn)行測定，在進(jìn)行噴丸前在零件表面涂抹上一層熒光劑，并在黑燈下進(jìn)行照射，確保零件表面完全覆蓋上一層熒光劑，再對零件進(jìn)行噴丸。噴丸后在黑燈下進(jìn)行照射，若無熒光，或基本沒有熒光，則可判斷其覆蓋率達(dá)到100%。具體過程如圖5所示。

圖4 自制工裝

選取一個(gè)零件，進(jìn)一步對其表面噴丸后的形貌進(jìn)行檢測，如圖6所示，從圖6a、圖6b中可以看出，彈丸坑均勻分布在零件表面上，沒有出現(xiàn)噴射不到的面，和熒光覆蓋率檢測一致，說明表面覆蓋率良好。放大后如圖6c所示，表面無裂紋出現(xiàn)，且形成了一層較為致密的強(qiáng)化層。

3.表面粗糙度分析

利用針尖曲率半徑為2μm左右的金剛石觸針沿被測表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由電學(xué)長度傳感器轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)放大、濾波、計(jì)算后顯示儀表指示出表面粗糙度值，并用Ra來評定輪廓表面的粗糙度。

圖5 熒光法進(jìn)行覆蓋率測試過程

利用粗糙度儀對2A14鋁合金表面進(jìn)行粗糙度測試，分別測量了噴丸前和噴丸后的表面粗糙度，如表2所示。當(dāng)未噴丸零件表面粗糙度值較小時(shí)，噴丸以后表面粗糙度值開始增大，這是因?yàn)閲娡枨傲慵砻嬗捕炔皇翘撸慵砻孑^均整，且彈丸在零件表面產(chǎn)生的撞擊能量是不均勻的，導(dǎo)致在相對較平整的材料表面形成較大的凹坑，從而造成表面粗糙度值增大；但是當(dāng)被噴丸零件的表面粗糙度值較大時(shí)，零件表面本身就是不均勻的，且是不平整的，當(dāng)彈丸以均勻的速度打擊在零件表面時(shí)，造成表面的塑性變形，反而會使原本粗糙不平整的表面變得平整。

從表2可以看出，不同的噴丸強(qiáng)度下，表面產(chǎn)生的強(qiáng)度越高，其相對低強(qiáng)度對表面的影響也越大，但是對表面粗糙度的影響總的趨勢是一致的。零件表面噴丸的實(shí)際效果主要取決于彈丸噴射在零件表面上能量的傳遞，而能量主要取決于彈丸的質(zhì)量和速度，如圖7所示為彈丸粒子受力與加速方向示意圖。

根據(jù)牛頓第二定律，彈丸丸粒的微分方程可以描述為

F為彈丸粒子受到的拖動力，可表示為

式中，M為彈丸質(zhì)量（kg）；cx為拖動系數(shù)；vG為輸出氣流速度；pG為噴嘴輸出空氣密度（kg/mm3）；vt為噴嘴輸出氣流中彈丸速度（m/s）；d為彈丸直徑（mm）。

得到彈丸粒子的微分方程

式中，t為彈丸通過噴嘴噴到被加工表面的時(shí)間（s）；p為彈丸的密度。

根據(jù)熱力學(xué)公式

圖6 鋁合金桶形件噴丸后表面形貌

表2 噴丸工藝對鋁合金表面粗糙度的影響

圖7 彈丸粒子受力與加速方向

式中，p0、ρ0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)以及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的密度；P、ρG分別為工作氣壓以及工作氣壓下的密度。

彈丸質(zhì)量可以忽略不計(jì)，最終彈丸粒運(yùn)動的微分方程為

其中，c為積分常數(shù)，當(dāng)邊界條件t＝0、彈丸速度v＝0時(shí)，c＝1/vG，因此

從以上推導(dǎo)公式可以看出，不同噴丸工藝參數(shù)對表層的性能影響可以歸結(jié)為：彈丸的動能和噴嘴輸出氣流彈丸的速度、彈丸到達(dá)零件表面的時(shí)間、彈丸密度以及時(shí)間有關(guān)。

若需更大范圍地控制零件表面的粗糙度，即改變零件表面狀態(tài)，還需調(diào)整彈丸的丸粒大小，其不僅能夠反映零件表面噴丸后的微觀集合形狀特征，也可以反映表面凹坑輪廓的最大高度，也可以控制不平整的表面。對零件表面粗糙度的影響，不僅和噴丸的強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)也和噴丸粒子的尺寸以及表面覆蓋率都有相應(yīng)的關(guān)系。

4.結(jié)語

（1）通過局部放大結(jié)合熒光檢測的方法，零件表面彈丸坑均勻分布在零件表面上，沒有出現(xiàn)噴射不到的面，說明表面覆蓋率良好，表面無裂紋出現(xiàn)，且形成了一層較為致密的強(qiáng)化層。

（2）同種彈丸不同的噴丸強(qiáng)度可以在一定范圍內(nèi)改變零件的表面粗糙度，當(dāng)零件表面粗糙度值Ra＝0.30～0.65μm時(shí)，可將表面粗糙度值提高到Ra＝2.2μm左右。當(dāng)零件表面粗糙度值Ra＝1.40～1.75μm時(shí)，噴丸后表面粗糙度將和零件表面粗糙度基本一致，在Ra＝1.6μm左右。當(dāng)零件表面粗糙度值Ra＝2.8～7.1μm時(shí)，可將表面粗糙度值降低到Ra＝2.3～6.1μm。

（3）從彈丸粒子的微分方程推導(dǎo)出不同噴丸工藝參數(shù)對表層的性能影響，可以歸結(jié)為彈丸的動能和噴嘴輸出氣流彈丸的速度、彈丸到達(dá)零件表面的時(shí)間、彈丸密度以及時(shí)間有關(guān)，其強(qiáng)度越高，相比于低強(qiáng)度對表面的影響也越大，但是對表面粗糙度的影響總的趨勢是一致的。