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。本文研究工藝參數(shù)變化對表面層性能影響規(guī)律，對預(yù)應(yīng)力超聲噴丸應(yīng)用于實際生產(chǎn)具有重要意義。?

2 預(yù)應(yīng)力超聲噴丸機理 

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 

3.1 試驗件及預(yù)應(yīng)力夾具 

將試驗件固定在預(yù)彎夾具上，控制其曲率半徑實現(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——試驗件厚度；σs——材料屈服強度。方程得到 2.5mm 厚度試驗件彈性極限預(yù)彎曲率半徑為 260mm，本次試驗中，預(yù)彎曲率半徑分別取 400mm、800mm、1200mm，保證試驗板件為彈性預(yù)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。 

3.2 試驗過程 

預(yù)應(yīng)力超聲噴丸成形工藝參數(shù)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(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，未噴丸試驗件表面加工痕跡清晰可見，當偏置距離 d=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(qū)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(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(tǒng)機械噴丸較小。 

 圖3 為預(yù)應(yīng)力超聲噴丸工藝參數(shù)對工件表面粗糙度 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(qū)域受到重復(fù)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(yù)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(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(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、撞針速度和偏置距離對顯微硬度影響較大。

如圖 4a 所示，預(yù)彎曲率半徑 0.4m 相對于預(yù)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(yù)應(yīng)力在試驗件內(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，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(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產(chǎn)生殘余應(yīng)力場是目前公認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。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，撞針速度增加和偏置距離減小，殘余應(yīng)力以及其深度增加。撞針直徑對成形件殘余應(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速度、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半高寬無明顯影響。經(jīng)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(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)對上述表面層特征影響可知，預(yù)應(yīng)力和偏置距離對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，對顯微硬度也有明顯影響；撞針速度增加可獲得更大殘余應(yīng)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(jié)束語 

a. 噴丸后試驗件表面粗糙度增大，預(yù)應(yīng)力在一定程度改善表面粗糙度，在較小偏置距離、撞針速度、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，偏置距離對半高寬影響明顯。