預(yù)應(yīng)力噴丸：鋁合金預(yù)應(yīng)力超聲噴丸成形件表面層性能分析

自由狀態(tài)下，噴丸成形過程易發(fā)生球面變形，而實(shí)際需要的零件外形往往不是球面，預(yù)應(yīng)力噴丸成形能改善噴丸球面變形趨勢(shì)。本文研究工藝參數(shù)變化對(duì)表面層性能影響規(guī)律，對(duì)預(yù)應(yīng)力超聲噴丸應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。?

2 預(yù)應(yīng)力超聲噴丸機(jī)理 

預(yù)應(yīng)力超聲噴丸用預(yù)彎夾具將板材固定。撞針連續(xù)撞擊板材表面，在板材的受沖擊表面產(chǎn)生應(yīng)力，夾具移除后，邊界條件改變，殘余應(yīng)力促使板材沿撞針沖擊反方向彎曲。 

3 預(yù)應(yīng)力超聲噴丸試驗(yàn) 

3.1 試驗(yàn)件及預(yù)應(yīng)力夾具 

將試驗(yàn)件固定在預(yù)彎夾具上，控制其曲率半徑實(shí)現(xiàn)不同預(yù)彎曲率。預(yù)應(yīng)力噴丸成形施加彈性預(yù)彎不超過材料 σs。預(yù)彎曲率應(yīng)滿足下式：

式中：ν——泊松比，E——彈性模量；h——試驗(yàn)件厚度；σs——材料屈服強(qiáng)度。方程得到 2.5mm 厚度試驗(yàn)件彈性極限預(yù)彎曲率半徑為 260mm，本次試驗(yàn)中，預(yù)彎曲率半徑分別取 400mm、800mm、1200mm，保證試驗(yàn)板件為彈性預(yù)彎。 

試驗(yàn)材料采用 2024-T351 鋁合金，力學(xué)性能如表 1 所示，試驗(yàn)件尺寸為：120mm×50mm×2mm。 

3.2 試驗(yàn)過程 

預(yù)應(yīng)力超聲噴丸成形工藝參數(shù)如下：撞針?biāo)俣葹?m/s、4m/s、4.5m/s、5m/s，撞針直徑為 2mm，3mm，5mm，進(jìn)給速度為 0～4000mm/min，預(yù)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(yàn)結(jié)果與分析 

4.1 表面形貌 

圖 1 為不同偏置距離預(yù)應(yīng)力超聲噴丸成形表面形貌。由圖 1a 可以看出，未噴丸試驗(yàn)件表面加工痕跡清晰可見，當(dāng)偏置距離 d=1.2mm 時(shí)，試驗(yàn)件表面加工痕跡還未被噴丸凹坑完全覆蓋，凹坑間重疊區(qū)域相對(duì)較小，表面粗糙度值較大。隨偏置距離減小，單位面積內(nèi)受撞次數(shù)增多，凹坑間重疊加劇，初始狀態(tài)下的加工痕跡完全被覆蓋，并形成較低波峰，對(duì)比圖1b～圖 1d 發(fā)現(xiàn)，采用較小偏置距離，表面形貌較好。

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

4.2 表面粗糙度 

表面粗糙度對(duì)零件耐磨性、耐腐蝕性及疲勞強(qiáng)度有重要影響。超聲噴丸時(shí)，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(duì)較小，其表面粗糙度值較傳統(tǒng)機(jī)械噴丸較小。 

 圖3 為預(yù)應(yīng)力超聲噴丸工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度 Ra 的影響?？梢钥闯觯侯A(yù)應(yīng)力超聲噴丸增加零件表面粗糙度值。表面粗糙度隨撞針?biāo)俣仍龃蠖龃?，撞針?biāo)俣仍龃髮?dǎo)致作用在試驗(yàn)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(shí)，軌跡偏置方向上凹坑分布更為均勻，相鄰軌跡線上凹坑區(qū)域受到重復(fù)撞擊，重疊量變大，輪廓被進(jìn)一步壓實(shí)，試驗(yàn)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(shí)，表面粗糙度達(dá)到 5.34μm，故在實(shí)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(yù)彎曲率，較小的撞針?biāo)俣取⒆册樦睆胶推镁嚯x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(qiáng)度計(jì)算和預(yù)估疲勞壽命的重要依據(jù)。超聲噴丸成形過程中，表層受沖發(fā)生塑性變形，晶格發(fā)生較大剪切滑移，位錯(cuò)密度大幅度提高。位錯(cuò)密度增加導(dǎo)致晶粒尺寸降低，從而在受噴板材表面產(chǎn)生硬化層。在硬化層內(nèi)，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(chǎn)生硬化層，約350μm；預(yù)彎曲率、撞針?biāo)俣群推镁嚯x對(duì)顯微硬度影響較大。

如圖 4a 所示，預(yù)彎曲率半徑 0.4m 相對(duì)于預(yù)彎曲率半徑∞時(shí)顯微硬度增加 6%，由圖 4b 可知，顯微硬度分布隨撞針?biāo)俣仍黾佣黾樱册標(biāo)俣?5m/s 相對(duì)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(duì) 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(yù)應(yīng)力在試驗(yàn)件內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得噴丸后產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)密度增大，從而提高表面硬度。撞針?biāo)俣仍黾邮沟脹_擊力增大，材料表面產(chǎn)生塑性變形；偏置距離減小使得單位面積上沖擊次數(shù)增多，塑性變形提高。

4.4 殘余應(yīng)力 

超聲噴丸后材料表層誘導(dǎo)產(chǎn)生殘余應(yīng)力場(chǎng)是目前公認(rèn)提高表面層性能的主要因素。圖 5 所示為預(yù)應(yīng)力超聲噴丸成形件殘余應(yīng)力分布，由圖中可以看出預(yù)應(yīng)力超聲噴丸在成形件內(nèi)產(chǎn)生數(shù)值較大、分布呈梯度形式的殘余應(yīng)力場(chǎng)。如圖 5a 所示，預(yù)應(yīng)力超聲噴丸較自由狀態(tài)超聲噴丸能夠使表面殘余應(yīng)力減小，殘余應(yīng)力深度增加。由圖 5b 和圖 5d 可以看出，撞針?biāo)俣仍黾雍推镁嚯x減小，殘余應(yīng)力以及其深度增加。撞針直徑對(duì)成形件殘余應(yīng)力分布影響較小。 

由以上分析可知，在較小預(yù)彎曲率半徑和較大撞針?biāo)俣?、較小偏置距離下，能夠得到較大的殘余應(yīng)力。

4.5 半高寬

圖 6、圖 7 分別為不同預(yù)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(duì)半高寬無明顯影響。經(jīng)超聲噴丸的試驗(yàn)件，半高寬顯著增大。深度在 100μm 時(shí)，半高寬基本不再變化。預(yù)應(yīng)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(cuò)增殖。偏置距離減小，單位面積內(nèi)沖撞次數(shù)、塑形變形次數(shù)增加，冷作硬化上升，半高寬增加。

4.6 分析與討論 

分析預(yù)應(yīng)力超聲噴丸工藝參數(shù)對(duì)上述表面層特征影響可知，預(yù)應(yīng)力和偏置距離對(duì)表面完整性有較大影響。預(yù)應(yīng)力不僅降低表面粗糙度，提高殘余應(yīng)力，對(duì)顯微硬度也有明顯影響；撞針?biāo)俣仍黾涌色@得更大殘余應(yīng)力和顯微硬度，也會(huì)造成粗糙度增加；撞針直徑對(duì)表面完整性影響較小。

5 結(jié)束語 

a. 噴丸后試驗(yàn)件表面粗糙度增大，預(yù)應(yīng)力在一定程度改善表面粗糙度，在較小偏置距離、撞針?biāo)俣?、撞針直徑和較小預(yù)彎曲率半徑條件下，可獲得較低表面粗糙度。

b. 預(yù)應(yīng)力超聲噴丸使成形件表面產(chǎn)生硬化層；深度增加顯微硬度減小。

c. 預(yù)應(yīng)力超聲噴丸較自由狀態(tài)超聲波噴丸能使表面殘余應(yīng)力減小。

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