第四章 喷丸工艺.docx

第四章 喷丸工艺大型机组用螺栓，常常要承受动载荷的作用，在此情况下螺栓常常由于疲劳 强度的不足而导致疲劳失效因此，为了提高螺栓的使用性能，必须在原有的基 础上采取有效的措施来改善螺栓的抗疲劳性能研究发现，除了通过运用上面所 介绍的强化方式外，喷丸工艺还可以有效的提高螺栓的抗疲劳性能，如果把此种 方法同上面的方式结合起来，在提高螺栓的抗疲劳性能时，效果更加的显著喷 丸技术之所以可以改善材料的疲劳性能，主要是由于材料经过喷丸后，可以使材 料在一定的塑性变形，由于塑性变形的作用可以在零件表面层产生残余压应力 残余压应力可以有效的改善材料的抗疲劳性能而研究发现，经过喷丸产生塑性 变形后的残余压应力并不是一个固定值，而是一个变化范围而且呈现出一定的规 律性，故残余压应力是一个残余压应力场而不是一个固定值喷丸技术发展到今天主要可以分为机械喷丸，激光喷丸和新兴起的微粒冲击 技术，微粒镶嵌镀膜及高能，超声喷丸在所有的这些手段中常用的也比较成熟 的手段是机械喷丸，激光喷丸，其它的几种方式与它们相比技术还是不太完善， 有时使用时技术要求比较高，相对成本比较高因此还没有得到普遍的应用所以， 在对螺栓疲劳强度进行强化时主要是通过传统的机械喷丸技术来实现。

4.1机械喷丸原理机械喷丸(Shot Peening)强化工艺是一种有效的表面微动防护手段，它通过 对零件表层进行冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力而冷作硬化提高了 零件的强度，残余压应力则会消除工件因机械加工、热处理、焊接、电镀或硬化 涂层形成的拉应力，晶粒晶格的畸形使零件在使用过程中不易产生裂纹扩展，从 而能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力，延长零件的使用寿命其原理就是，机械喷丸就是使大量弹丸在压缩空气的作用下，形成高速运动 的弹丸流不断地向零件表面喷射，通过在无数弹丸的作用下，使金属晶体发生晶 体破碎，晶格歪扭和高密度的位错运动，从而以冷加工的形式使工件表面金属材 料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形 ,在生成凹坑的过程中引起压应力并 拉伸表面结构,在这一变化过程中变形又被内部未受击打的部分所阻挡，因此就 在工件层表面和近表面区形成残余的压应力这就是整个喷丸过程，在这些变化 中主要就是通过弹丸的冲击作用使零部件表面产生塑性变形，经过塑性变形后使零部件表面产生残余压应力，以此来实现提高材料的抗拉疲劳性能4.2喷丸质量的表征及影响参数目前，对于喷丸强化的效果和质量的表征指标，主要是通过喷丸强度，覆盖 率和喷丸后零件表面的粗糙度值等来进行描述。

而且，每一项指标的影响因素都 不是单一的，都受多种工艺参数的影响4.2.1影响喷丸强度的工艺参数影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径，弹流速度，弹丸流量，喷丸时 间等弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量就越大，喷丸的强度就 越大而且，喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60%，残余压 应力层的深度通常可以达0.25m m,最大极限值为1mm左右然而，喷丸强度需 要一定的时间来保证，经过一定的时间，喷丸强度达到饱和后，如果再延长喷丸 时间，强度就不再明显增加而在喷丸强度的阿尔曼试验中 ,喷丸强度的表征为图4.1 试片变形的拱高与时间的关系然而，目前大多数情况下普遍都认为喷丸强度越大强化效果越好，但是事实 并非如此经过研究可以发现喷丸强度越大表面残余压应力会有所减小，这表明 那种说法“喷丸强度越大，表面残余压应力值越大”的观点是不正确的 所以， 在对其进行喷丸处理时不能仅仅一味追求过高的喷丸强度，而是要采取合适的喷 丸强度，应严格按照喷丸工艺要求进行4.2.2影响覆盖率的因素研究发现，影响覆盖率的因素主要有零件材料硬度，弹丸直径，喷射角度和 距离，喷丸时间等喷丸覆盖率是指喷丸强化后零件表面弹痕所占面积与总面积 的百分比称表面覆盖率。

通常情况下，金属表面喷丸强化表面覆盖率应达到或超 过100%，即是喷丸强化必须至少要达到饱和状态经过研究发现，在喷丸强度 值，弹丸流量和其他工艺参数相同的条件下，零件的饱和时间与材料强度相关， 即材料强度低于喷丸强度时，饱和时间减少；反之，材料强度高于喷丸强度时， 饱和时间增加在规定的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长，喷射的角度越小，弹丸直径 越小，达到到覆盖率要求的时间越短因此，我们在喷丸强化时应按工艺要求选 择弹丸，喷射角度及距离，这样可以使喷丸强度和覆盖率能很好的达到要求对于覆盖率的测定目前有很多方法，例如采用照相放大法，剪下阴影后称重 求出比例；采用投影分析仪进行直接检测然而，这些方法目前看来有一些缺点， 就是不适合在生产现场对覆盖率进行直接测量在此情况下，为了克服这些缺陷 美国金属改进公司对检测方法进行了进一步的改进利用荧光显示液的方法来检 测零件表面的覆盖率，但是直到现在国内还很少采用 4.2.3影响粗糙度的因素影响粗糙度的因素主要有零件材料的强度和硬度，弹丸直径，喷射的角度和 速度，零件的原始表面粗糙度值在规定的条件下，零件材料的强度和表面硬度 值越高，塑性变形就会越困难，弹丸在喷射时产生的凹坑就越浅，表面粗糙度值 就越小；弹丸的直径越小，喷射的速度越慢，在零件表面产生的塑性变形就越小， 那么零件表面的粗糙度值就越小；喷射的角度越大，弹丸的法向速度就越小，那 么对零件产生的冲击力就越小，这时零件表面的塑性变形就越小，零件的表面粗 糙度值就越小。

对于零件原始表面的粗糙度值对零件喷丸后粗糙度值的影响主要 是，如果零件的原表面越粗糙，那么喷丸后零件的表面粗糙度值就越小；反之， 如果零件的原表面越光滑即原始表面的精度越高，那么喷丸后零件表面的粗糙度 值就越高因此，在对零件进行喷丸时应该注意表面粗糙度对零件的影响，如果 表面粗糙度变大，那么就有可能在表面形成应力集中，就会降低喷丸强化的效果4.3高强度钢喷丸强化残余压应力场特征4.3.1高强度钢喷丸强化残余压应力场特征对于喷丸强化所产生的残余压应力场可以用4个特征参量来表示：表面残余压应力Q，最大残余压应力Q ，最大残余压应力距表面的距离6，残余压应srs mrs m力场深度6通过采用MSF-2903型X射线应力测定仪测定喷丸强化试样的残余 0应力同时采用电解抛光剥层法逐层测定残余压应力，便可以得到残余压应力随 深度变化的曲线即残余压应力场表4-1 喷丸强化工艺参数编号弹丸材料弹丸直径/mm喷丸强度f /mm表面覆盖率C/%A铸钢0.80.55A100B铸钢1.50.55A100C铸钢0.30.30A100D铸钢0.50.30A100E铸钢0.80.30A100F玻璃0.30.78N100G铸钢0.80.43A100H铸钢0.50.45A100通过研究发现，喷丸强度f相同时，所采用的弹丸直径0越大，6和6的 m0数值越小，表面残余压应力b的变化比最大残余压应力Q的变化明显；而且,srs mrs由表2可知，随着喷丸强度f越大，6和6的数值也越大，但表面残余压应力bm 0 srs越小。

表4-2 喷丸强化残余应力场特征参数编号a /MPsrsa /MPmrs8 / pmm8 / pm0A-960-1198150640B-880-1150120550C-880-128080310D-1080-116070300E-1080-116070270F-960-12030160G-960-116080450H-880-116090455分析表2中的数据可知，在各种喷丸工艺规范下表面残余压应力Q数值变srs化不大，对喷丸工艺强化工艺参数不敏感，一般来说喷丸强度 f 越大，表面残余压应力越小；而在各种喷丸规范下最大残余压应力◎ 数值变化不大，基本为一 mrs常数1200MPa，对喷完强化工艺参数不敏感而且，通过分析表2的数据可以得出，8沁0.246，当确定了喷丸所产生的最大残余压应力位置8后在工程上可m 0 m以用此来估算残余压应力场的深度8对于表面残余压应力a数值小于最大残0 srs余压应力a数值的现象按照赫兹接触理论来解释次表面存在最大的应力值，mrs然而，这个结论是依据弹丸静态压入金属表面层模型所进行的弹塑性力学计算结 果，而实际上喷完处理是一个受喷表面承受弹丸循环的高速冲击过程，零件表面 层发生了循环的弹塑性变形，因此，可以认为表面残余应力a的数值和最大残 srs余压应力a 的数值均与材料的应力-应变循环饱和曲线上的屈服强度有关。

换mrs句话说，可以认为表面残余压应力a和最大残余压应力a 与疲劳极限一样是srs mrs材料广义上的屈服，因此，可以将表面残余应力a和最大残余压应力a 看成srs mrs材料的广义屈服通过精密拉伸实验测得a二1300MPa，应力--应变循环饱和0.05曲线上的屈服强度为1050MPa而且，通过分析实验结果可知喷丸强度f越大，表面残余压应力b的数值srs越小这表明所谓“喷丸强度越大，表面残余压应力b越大”的说法是错误的,srs工程上不应单纯为追求表面较高的残余压应力b数值而选择高强度喷丸，因为srs这样做不仅不能提高表面残余压应力b数值，而且还会增加零件的表面粗糙度srs从而对疲劳性能产生不利的影响而目前工程上在对零件进行喷丸时普遍存在一 个误区，认为“喷丸强度越大，强化效果越好”；而且在设计图纸上常常只给出 喷丸强化区域和喷丸强度下限，所以，在实际喷丸时经常会出现过喷丸的情况， 导致零件过早的失效为了验证高强度钢喷丸后残余压应力场的分布规律，本次采用喷丸工艺对 40Cr刚进行喷丸处理经喷丸后，然后通过采用MSF-2903型X射线应力测定仪对 喷丸件进行应力测定，对测量数据进行分析然后作出应力随深度变化的曲线图， 如图4-2：*、通过分析应力随深度变化的曲线图可知，喷丸后最大残余压应力出现在距表 面100“n左右处。