鋁合金預應力超聲噴丸成形件表面層性能分析

趙 蕾

鋁合金預應力超聲噴丸成形件表面層性能分析

趙 蕾

（南京工業職業技術學院，南京 210023）

通過變控超聲噴丸工藝參數研究有預應力下成形件表面狀態、性能變化規律。結果表明：預應力對表面粗糙度影響較?。粚︼@微硬度影響明顯，成形件表面產生350μm深度的硬化層；預應力超聲噴丸在成形件內部產生較大殘余應力；成形件表面層半高寬增大，硬化度提高。殘余應力增加、顯微硬度提高及表面層顯微組織細化有助于提高成形件疲勞壽命和抗腐蝕性能。

超聲噴丸；預應力；顯微硬度；殘余應力；粗糙度

1 引言

超聲噴丸通過撞擊板材表面，產生塑性變形、殘余應力，致使板材發生彎曲變形[1]，屬于高能高應變速率成形工藝。其具有振動頻率高、加載作用強和沖擊載荷大等優點[2]。

至目前，預應力超聲噴丸成形工件是否獲得理想效果是制約該成形技術應用于工程實際生產的主要因素。國內外學者對超聲噴丸進行諸多研究。Guo Chaoya等人[3，4]通過三步法建立超聲撞擊有限元模型，研究不同噴丸軌跡、撞針速度對噴丸成形弧高值和殘余應力影響規律。史學剛等人[5]研究覆蓋率對超聲噴丸成形件疲勞性能的影響，得出表層納晶和殘余應力顯著提高材料疲勞壽命。郭超亞和魯世紅[6]應用有限元方法對2024鋁合金帶孔板噴丸后孔區域變形情況進行研究。L. A. Hackel[7]等人研究超聲噴丸對AISI-321表層特性和微觀組織變化的影響。

自由狀態下，噴丸成形過程易發生球面變形，而實際需要的零件外形往往不是球面，預應力噴丸成形能改善噴丸球面變形趨勢[8]。Xie Lechun[9]等人研究鈦鋁合金預應力噴丸后表面性能變化，得出預應力噴丸提高材料變形量，晶粒尺寸大幅細化，且有高密度位錯。

目前尚未出現綜合研究噴丸過程預應力的參入對表面層性能的影響。本文研究工藝參數變化對表面層性能影響規律，對預應力超聲噴丸應用于實際生產具有重要意義。

2 預應力超聲噴丸機理

預應力超聲噴丸用預彎夾具將板材固定。撞針連續撞擊板材表面，在板材的受沖擊表面產生應力，夾具移除后，邊界條件改變，殘余應力促使板材沿撞針沖擊反方向彎曲。

3 預應力超聲噴丸試驗

3.1 試驗件及預應力夾具

將試驗件固定在預彎夾具上，控制其曲率半徑實現不同預彎曲率。預應力噴丸成形施加彈性預彎不超過材料σ。預彎曲率應滿足下式[10]：

式中：——泊松比，——彈性模量；——試驗件厚度；σ——材料屈服強度。方程得到2.5mm厚度試驗件彈性極限預彎曲率半徑為260mm，本次試驗中，預彎曲率半徑分別取400mm、800mm、1200mm，保證試驗板件為彈性預彎。

試驗材料采用2024-T351鋁合金，力學性能如表1所示，試驗件尺寸為：120mm×50mm×2mm。

表1 2024-T351鋁合金的力學性能

3.2 試驗過程

預應力超聲噴丸成形工藝參數如下：撞針速度為3m/s、4m/s、4.5m/s、5m/s，撞針直徑為2mm，3mm，5mm，進給速度為0～4000mm/min，預彎曲率半徑為400mm、800mm、1200mm，成形軌跡間距為0.4mm、0.8mm、1.2mm。

4 試驗結果與分析

4.1 表面形貌

圖1為不同偏置距離預應力超聲噴丸成形表面形貌。由圖1a可以看出，未噴丸試驗件表面加工痕跡清晰可見，當偏置距離=1.2mm時，試驗件表面加工痕跡還未被噴丸凹坑完全覆蓋，凹坑間重疊區域相對較小，表面粗糙度值較大。隨偏置距離減小，單位面積內受撞次數增多，凹坑間重疊加劇，初始狀態下的加工痕跡完全被覆蓋，并形成較低波峰，對比圖1b～圖1d發現，采用較小偏置距離，表面形貌較好。

圖1 不同偏置距離預應力超聲噴丸成形表面形貌

圖2為不同預彎曲率半徑噴丸成形試驗件表面形貌，由圖可知，預彎曲率半徑減小，凹坑間擠壓減弱，表面趨于平整。

圖2 不同預彎曲率半徑噴丸成形試驗件表面形貌

4.2 表面粗糙度

表面粗糙度對零件耐磨性、耐腐蝕性及疲勞強度有重要影響。超聲噴丸時，撞針撞擊方向與受噴零件表面保持90°，使得零件表面受撞更為均勻，成形零件表面凹凸起伏相對較小，其表面粗糙度值較傳統機械噴丸較小。

圖3 表面粗糙度隨噴丸工藝參數變化規律

圖3為預應力超聲噴丸工藝參數對工件表面粗糙度a的影響?？梢钥闯觯侯A應力超聲噴丸增加零件表面粗糙度值。表面粗糙度隨撞針速度增大而增大，撞針速度增大導致作用在試驗件表的沖擊力增大；表面粗糙度隨偏置距離增加而急劇增加，偏置距離較小時，軌跡偏置方向上凹坑分布更為均勻，相鄰軌跡線上凹坑區域受到重復撞擊，重疊量變大，輪廓被進一步壓實，試驗件表面波峰和波谷起伏降低，故粗糙度值低。偏置距離為1.2mm時，表面粗糙度達到5.34μm，故在實際加工中不宜采用較大偏置距離；撞針直徑增加，表面粗糙度在一定程度上增加，影響較小。

通過上述分析，較大的預彎曲率，較小的撞針速度、撞針直徑和偏置距離下，可以獲得較小的表面粗糙度。

4.3 顯微硬度

零件表面硬度是強度計算和預估疲勞壽命的重要依據[10]。超聲噴丸成形過程中，表層受沖發生塑性變形，晶格發生較大剪切滑移，位錯密度大幅度提高。位錯密度增加導致晶粒尺寸降低，從而在受噴板材表面產生硬化層。在硬化層內，硬度值隨著深度的增加而減小。

圖4所示為顯微硬度提高，產生硬化層，約350μm；預彎曲率、撞針速度和偏置距離對顯微硬度影響較大。

如圖4a所示，預彎曲率半徑0.4m相對于預彎曲率半徑∞時顯微硬度增加6%，由圖4b可知，顯微硬度分布隨撞針速度增加而增加，撞針速度5m/s相對3m/s的顯微硬度增加3.2%；偏置距離增大顯微硬度減小，偏置距離0.4mm相對1.2mm，顯微硬度降低7%。表面層顯微硬度增大受制于材料塑性變形程度。超聲噴丸前，施加的預應力在試驗件內部產生拉應力，使得噴丸后產生更大的殘余應力場，位錯密度增大，從而提高表面硬度。撞針速度增加使得沖擊力增大，材料表面產生塑性變形；偏置距離減小使得單位面積上沖擊次數增多，塑性變形提高。

圖4 沿深度方向顯微硬度隨超聲波噴丸工藝參數的變化規律

4.4 殘余應力

超聲噴丸后材料表層誘導產生殘余應力場是目前公認提高表面層性能的主要因素[11～13]。圖5所示為預應力超聲噴丸成形件殘余應力分布，由圖中可以看出預應力超聲噴丸在成形件內產生數值較大、分布呈梯度形式的殘余應力場。如圖5a所示，預應力超聲噴丸較自由狀態超聲噴丸能夠使表面殘余應力減小，殘余應力深度增加。由圖5b和圖5d可以看出，撞針速度增加和偏置距離減小，殘余應力以及其深度增加。撞針直徑對成形件殘余應力分布影響較小。

由以上分析可知，在較小預彎曲率半徑和較大撞針速度、較小偏置距離下，能夠得到較大的殘余應力。

圖5 沿深度方向殘余應力隨超聲噴丸工藝參數的變化規律

4.5 半高寬

圖6 不同預應力下的半高寬

圖7 不同偏置距離下的半高寬

圖6、圖7分別為不同預彎曲率和偏置距離下半高寬變化，由圖可知撞針直徑和速度對半高寬無明顯影響。經超聲噴丸的試驗件，半高寬顯著增大。深度在100μm時，半高寬基本不再變化。預應力超聲噴丸使半高寬增加的主要原因是冷作硬化程度上升及位錯增殖。偏置距離減小，單位面積內沖撞次數、塑形變形次數增加，冷作硬化上升，半高寬增加。

4.6 分析與討論

分析預應力超聲噴丸工藝參數對上述表面層特征影響可知，預應力和偏置距離對表面完整性有較大影響。預應力不僅降低表面粗糙度，提高殘余應力，對顯微硬度也有明顯影響；撞針速度增加可獲得更大殘余應力和顯微硬度，也會造成粗糙度增加；撞針直徑對表面完整性影響較小。

5 結束語

a. 噴丸后試驗件表面粗糙度增大，預應力在一定程度改善表面粗糙度，在較小偏置距離、撞針速度、撞針直徑和較小預彎曲率半徑條件下，可獲得較低表面粗糙度。

b. 預應力超聲噴丸使成形件表面產生硬化層；深度增加顯微硬度減小。

c. 預應力超聲噴丸較自由狀態超聲波噴丸能使表面殘余應力減小。

d. 噴丸后表面層半高寬數值增大，深度在100μm左右，偏置距離對半高寬影響明顯。

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13 陳浩，曲中興，張立武. 航空航天整體結構件新型校形技術研究現狀[J]. 航天制造技術，2017(1)：11～16

Analysis of Surface Layer Properties of Aluminum Alloy Prestressed Ultrasonic Peen Forming Parts

Zhao Lei

(Nanjing Institute of Industry Technology, Nanjing 210023)

In this paper, the surface state and performance variation of the formed parts under prestressing are studied by the parameters of variable-controlled ultrasonic shot peening.The results show: surface roughness of formed parts increases after the PUSP. Offset distance has the largest influence on the surface roughness; microhardness of the formed parts is remarkably improved, and the hardened layer with a depth of about 350μm is formed on the surface of the forming parts; PUSP can produce a larger residual stress; FWHM of the surface layer of the formed parts increases, and increase of the FWHM indicates that the cold work hardening degree of the material increases and the dislocation density of the crystal increases. The residual stress, refinement of microstructure of surface layer are helpful to improve the fatigue life and corrosion resistance of the formed parts.

ultrasonic shot peening；prestress；microhardness；residual stress；surface roughness

2018-09-30

趙蕾(1978)，副教授，電子信息工程技術專業；研究方向：航天電子對抗。

江蘇省智能傳感網開放基金（ZK16-02-04）。