磨料水射流改性滲碳鋼缺口試樣研究

馬泳濤,張 彬,李春凡,王俊龍,孫 寧,劉蘭榮

(鄭州大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院, 鄭州 450001)

0 引言

零件由于設(shè)計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,不僅需要進行合理的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計以降低應(yīng)力集中系數(shù),而且需要通過改性的方法,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。

但要對上述部位進行改性,存在以下難點：一是上述部位空間尺寸較小,如軸類花鍵的根部圓角,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上述部位進行有效改性。

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,達到引入殘余應(yīng)力的和改性的目的。這種工藝的特點是能量集中度高,通過高壓和高強度丸粒的配合,可以對熱處理后的硬態(tài)表面實施改性。此外,該方法操作靈活,在一定噴嘴尺寸條件和相關(guān)運動平臺的配合下,可實現(xiàn)多種空間曲面、狹窄溝槽的有效改性。

在對噴丸對零件成形變化方面,肖旭東等[2]探究了零件固定的松緊關(guān)系來探究噴丸對零件成型曲率和延展量。李鋒等[3]通過對鋁合金試件噴丸研究,建立了曲率半徑與氣壓、移動速度和預(yù)應(yīng)力之間的回歸方程。陳德敏[4]對水射流沖擊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波規(guī)律進行探討,進而研究了沖擊產(chǎn)生裂紋尺寸的變化規(guī)律。繆偉[5]通過數(shù)值模擬對鋁合金噴丸成形進行研究,發(fā)現(xiàn)工件結(jié)構(gòu)對成形曲率影響明顯。Xiao等[6]通過建立靜壓模型探究預(yù)測了不同工藝參數(shù)下噴丸之后零件的形狀。在材料去除方面,彭家強等[7]采用單磨料顆粒的方法研究磨料對金屬材料的去除力。Meng等[8]通過試驗分析了噴距對材料去除的影響。焦光偉等[9]探究了2種磨料對材料去除的影響,分析了不同磨料去除材料的優(yōu)缺點。周山子[10]探究了不同入噴射距離、加工時間、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]通過對試樣微觀組織研究發(fā)現(xiàn)噴丸之后會在試樣表層產(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大型平板構(gòu)件成形及沖擊影響的研究上,通過磨料水射流對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,需要重新進行研究。

混合射流改性的效果可通過帶缺口的旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的疲勞對比進行驗證[13]。本課題組通過對應(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)計尺寸為R=0.75的應(yīng)力集中環(huán)槽,經(jīng)過改性后環(huán)槽深度變深、圓角半徑變大。這種尺寸的變化會對后續(xù)的磨削加工帶來一定的負(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,一方面會使已有殘余應(yīng)力場受到影響,尤其是殘余應(yīng)力場的峰值可能會被削去;另一方面,會造成已有環(huán)槽直徑的變化,直接影響應(yīng)力集中系數(shù)。因此,對于缺口槽改性過程中尺寸變化的規(guī)律和殘余應(yīng)力場的構(gòu)筑規(guī)律需要進行深入研究,在此基礎(chǔ)上,才可設(shè)計出余量合理的初始圓角尺寸,在經(jīng)過改性、成型磨削加工后,尺寸達到原始設(shè)計要求,而殘余應(yīng)力場也符合保留峰值的基本要求。

本文采用理論與實驗相結(jié)合的方法,以缺口圓角半徑為R=0.6 mm的試樣為對象,利用單因素的實驗方法,研究改性后試樣缺口圓角半徑的變化規(guī)律和殘余應(yīng)力場的構(gòu)筑規(guī)律,測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 試驗方案

1.1 試驗材料與儀器

本試驗在課題組自主設(shè)計開發(fā)的前混合水射流改性試驗平臺上進行。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)和運動控制系統(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。運動控制系統(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動,運動范圍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,擺動范圍±60°,A軸可以實現(xiàn)速度控制和位置控制,切換到速度控制時,最高速度可達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)鍵點設(shè)置了壓力傳感器,實時監(jiān)測整個前混合液壓系統(tǒng)。壓力傳感器采用VALCOM-50MPW,測量范圍為0～50 MPa,測量精度為±0.2%。

試驗所用材料為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度最高可達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 測量儀器

試驗所用到的測量儀器：使用高速大功率X射線殘余應(yīng)力分析儀測量試驗后試樣的殘余應(yīng)力,測量選用Cr靶。在每個表面上測量3個點,平均值為該槽底的殘余應(yīng)力值。測量時,采用自動聚焦,以及去除壞點的方法得到較為準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力值。通過電化學(xué)腐蝕的方法,改變腐蝕的時間選擇腐蝕深度,可以得到沿層深方向的殘余應(yīng)力值。

用三維形貌測量儀測量槽底表面粗糙度Ra值,通過每次旋轉(zhuǎn)工件120°來測量每個槽底3個點,取平均值作為該槽底的粗糙度值。通過掃描整個槽區(qū)域,提取數(shù)據(jù),通過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 試驗方法

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

表1 試驗方案

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 試驗結(jié)果

當(dāng)缺口試樣轉(zhuǎn)速一定,噴嘴移動速度過快會形成如圖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為改性時長;n為試樣旋轉(zhuǎn)速度;r為試樣半徑;L為試樣長度;v為噴嘴移動速度。當(dāng)Q=1即an/v=1時,試樣表面可以被全覆蓋。

在射流過程中,純水與磨料水射流對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,純水對缺口圓角半徑基本沒有影響。

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,使得改性時噴嘴移速同比增加,在缺口處停留的時間較短,使得改性時間受限因而缺口圓角半徑變化呈下降趨勢;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,同樣會使得改性效果下降,這是由于在工件轉(zhuǎn)速一定時,噴嘴移速的增加,單位時間內(nèi)參與對缺口沖蝕的磨料較少,對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以內(nèi)壓力對最大殘余應(yīng)力值提升明顯,而對殘余應(yīng)力場層深提升較少。在10、20、30 MPa時最大殘余應(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,對缺口試樣沖擊力增強,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(即配比一定時),最大殘余應(yīng)力值,最大殘余應(yīng)力值層深以及殘余應(yīng)力場層深都會隨著工件轉(zhuǎn)速的增加而減小,工件轉(zhuǎn)速16、25、38 r/min時,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,射流的沖擊速度幾乎不變。而殘余應(yīng)力場層深有較大的下降,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,工件轉(zhuǎn)速的增加使得噴嘴移速同比增加,改性缺口圓角的時間下降,參與改性的磨料數(shù)量減少,使得對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,最大殘余應(yīng)力值會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,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,最大殘余應(yīng)力雖然會略有增加,但最大殘余應(yīng)力值之后的殘余應(yīng)力值衰減較快,這與噴嘴移速過慢,可能在缺口處產(chǎn)生了“過噴”使得殘余應(yīng)力場發(fā)生了變化。當(dāng)配比v/n=0.8時,最大殘余應(yīng)力對應(yīng)層深與配比v/n=0.48幾乎相等,但殘余應(yīng)力場層深及最大殘余應(yīng)力值較小。因此當(dāng)配比v/n=0.48時,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,最大殘余應(yīng)力分別為-1 197.83、-1 257.78、-1 306.97 MPa。殘余應(yīng)力場層深增加30、40 μm。最大殘余應(yīng)力值及殘余應(yīng)力場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,使得磨料對缺口處沖擊的次數(shù)增加,對缺口處產(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)力值對應(yīng)層深以及殘余應(yīng)力場層深均增加。但多次射流會對缺口處產(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)力會有減小的趨勢。

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,由于車削磨削等工藝的處理會在缺口根部留下一定的車痕及磨痕,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

對比試樣1、2、3可得,當(dāng)射流的壓力增大時,槽底部的粗糙度不斷增大,在壓力為10～30 MP的過程中粗糙度由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。對比試樣4、3、6可得,在配比為v/n=(0.48～0.50)時,工件轉(zhuǎn)速越大,噴嘴移速隨著工件轉(zhuǎn)速同比增大,此時工件表面線速度遠(yuǎn)大于噴嘴移動速度,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,工件轉(zhuǎn)速的增加會使得缺口底部粗糙度下降。對比試樣7、3、9可得,當(dāng)配比變化較大時(v/n=0.2～0.8)固定工件轉(zhuǎn)速為25 r/min,噴嘴移速從5 mm/min增加到20 mm/min時,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,噴嘴移動速度的增加會增大粗糙度。這是由于噴嘴移速過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,對缺口根部產(chǎn)生更大剪切力,使得粗糙度增加。對比試樣3、5、8可得,射流次數(shù)的增加一定程度上對一次射流造成的凹坑及凸起磨削的作用,但通過試驗表明射流次數(shù)的增加引入粗糙度的趨勢大于對一次凹坑磨削的有利影響。

2.5 分析與討論

通過對缺口圓角半徑為0.6 mm的缺口試樣進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,低壓對試樣的改性能力不足,高壓會對缺口圓角半徑產(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,過大的配比會使得殘余應(yīng)力場在層深和最大應(yīng)力值減小,過小的配比會影響加工效率,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,通過多次射流改性處理可以在殘余應(yīng)力場的最大應(yīng)力值、最大應(yīng)力值對應(yīng)的層深和殘余應(yīng)力場層深方面都會有較大的提升作用,但多次沖擊對缺口底部粗糙度方面是不利的,對射流次數(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,磨料水射流對狹小溝槽尺寸的改變主要通過磨料的作用,純水對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越大,并且隨著射流壓力的提升,可以獲得較優(yōu)的各項殘余應(yīng)力場指標(biāo),但同時也會在缺口根部形成較高的粗糙度。

3) 工件轉(zhuǎn)速和噴嘴移速決定著在改性過程中是否可以對工件全覆蓋,通過理論分析得到了全覆蓋公式。工件轉(zhuǎn)速過高會使得殘余應(yīng)力場各方面指標(biāo)有所下降,因此25 r/min的轉(zhuǎn)速較優(yōu)。在這個基礎(chǔ)上以殘余應(yīng)力、粗糙度和加工效率為評價指標(biāo)綜合考慮兩者的配比問題,得到較合適的配比為a=0.48。

4) 射流次數(shù)的增加會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)力值對應(yīng)的層深方面都會有一定的增加,其中最大應(yīng)力值對應(yīng)層深增加明顯,依次增加20、30 μm,較一次射流增加66.67%、100%。