混合水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)

黨建毅 董 星 楊 威

黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027

引言

噴丸強(qiáng)化是一種有效提高金屬零部件疲勞壽命的冷加工工藝，它具有效果好、成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、冶金、航空航天等領(lǐng)域。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對性能好和表面質(zhì)量要求高的金屬零件的需求日益增多，由此催生了一些有別于傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化的表面強(qiáng)化新技術(shù)，如激光噴丸強(qiáng)化、微粒噴丸強(qiáng)化、超聲噴丸強(qiáng)化、雙面噴丸強(qiáng)化和水射流噴丸強(qiáng)化等。其中，水射流噴丸強(qiáng)化是在20世紀(jì)80年代末由Zafred[1]首先提出的，因其具有受噴材料表面粗糙度值增加小、噴丸強(qiáng)度范圍寬、覆蓋率高、噴丸靈活、控制方便、無塵、安全綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而得到了快速發(fā)展。

混合水射流噴丸強(qiáng)化是水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)的延拓與發(fā)展，是近期在水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的又一種噴丸強(qiáng)化新工藝，它具有噴丸強(qiáng)度高、噴丸壓力低、強(qiáng)化效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此，混合水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)是噴丸強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展的新方向之一。

1 混合水射流噴丸強(qiáng)化原理及裝置

混合水射流噴丸強(qiáng)化基本原理就是在高壓水中加入彈丸粒子，使其與攜帶巨大能量的高壓水混合，形成混合水射流高能流束噴射到零件表面上，利用混合水射流中彈丸的沖擊作用使零件表層材料產(chǎn)生塑性變形，從而引入殘余壓應(yīng)力，達(dá)到提高零件疲勞壽命的目的。

混合水射流根據(jù)彈丸粒子加入方式的不同，可分為后混合水射流和前混合水射流。后混合水射流主要是根據(jù)傳統(tǒng)的引射泵原理設(shè)計(jì)的，即彈丸粒子在負(fù)壓或正壓作用下，直接被“抽吸”入混合室與高壓水混合后通過噴嘴噴出形成射流。前混合水射流是彈丸粒子先與高壓水在儲丸中混合，然后再經(jīng)高壓輸送管進(jìn)一步混合，最后經(jīng)噴嘴噴出形成射流。

根據(jù)混合水射流形式不同，混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置分為后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置和前混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置，通常均由供水系統(tǒng)、供壓系統(tǒng)、供丸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工作臺等幾部分組成。

典型的后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置如圖1所示。其工作過程為：水箱1中水經(jīng)過濾器2進(jìn)行粗、精過濾，達(dá)到使用要求后，由增壓泵3中的前置泵吸入，經(jīng)過增壓泵3增壓至工作壓力，并輸送到噴頭的水噴嘴15內(nèi)，經(jīng)水噴嘴進(jìn)入混合室16內(nèi)。供丸系統(tǒng)采用干式供丸，預(yù)先向貯丸箱13中注入彈丸，待注滿后，打開氣閥10和11，開啟彈丸閥12，同時(shí)啟動空氣壓縮機(jī)7，壓縮空氣經(jīng)油水分離器8，將壓縮空氣中凝聚的水分和油分等雜質(zhì)分離清除，使壓縮空氣得到凈化。壓縮空氣由高頻開關(guān)閥9控制，通過控制開關(guān)頻率來調(diào)整供氣次數(shù)，從而控制彈丸的供給量。彈丸經(jīng)彈丸閥12由壓縮空氣送入混合室16內(nèi)，并與水噴嘴15噴射出的水射流在混合室16內(nèi)發(fā)生劇烈摻混合能量交換后，經(jīng)彈丸噴嘴17噴向零件18表面。噴丸后的水和彈丸由收集箱19進(jìn)行收集，同時(shí)，為保證供丸的連續(xù)性，要定期向貯丸箱13中補(bǔ)充新彈丸。上述工作過程均由控制柜20來控制，其中控制柜(a)控制噴頭和回轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)動，控制柜(b)控制供丸系統(tǒng)，控制柜(c)控制供水系統(tǒng)和供壓系統(tǒng)。

圖1 后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置圖Figure 1 Rear-mixed Water Jet Peening Strengthening Equipment

圖2 前混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置圖Figure 1 Pre-mixed Water Jet Peening Strengthening Equipment

圖2為典型的前混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置圖[2]。其工作過程為：由高壓泵2來的高壓水分為兩股，第一股高壓水經(jīng)水閥8和高壓管進(jìn)入供丸室11，形成向下的螺旋流，同時(shí)，通過彈丸粒子間的縫隙向上做滲流運(yùn)動，彈丸在自重和螺旋流的作用下經(jīng)供丸器流入混合室13，然后經(jīng)漿料閥14向下流動；第二股高壓水經(jīng)水閥9通到漿料閥14下端，與流入的彈丸在高壓管內(nèi)均勻混合流向噴嘴，經(jīng)噴嘴加速后以近于水射流的速度噴射到金屬零件表面。

后混水射流噴丸強(qiáng)化裝置彈丸供給均勻、能實(shí)現(xiàn)精確、連續(xù)供丸、易調(diào)節(jié)，但由于彈丸與水混合時(shí)間短，速度相差較大，彈丸難以進(jìn)入水射流中心，射流沖蝕能力較弱，影響了其噴丸強(qiáng)化的質(zhì)量和效率。前混合水射流噴丸強(qiáng)化改善了彈丸和水的混合效果，絕大多數(shù)彈丸能夠進(jìn)入水射流中心部位，彈丸和水的混合更加均勻，可以獲得較高的噴丸速度，達(dá)到良好的噴丸效果，但彈丸流量的精確控制目前還沒有得到有效解決。

2 混合水射流噴丸強(qiáng)化效果

2.1 噴丸對殘余壓應(yīng)力的影響

前后混合水射流噴丸均可以有效增大金屬材料表層的殘余壓應(yīng)力。

采用后混合水射流對AISI 304不銹鋼進(jìn)行噴丸，當(dāng)?shù)?組噴丸參數(shù)：靶距為152mm、壓力為103MPa、速度為1.02m/min、彈丸粒度為120#，當(dāng)?shù)?組噴丸參數(shù)：靶距為203mm、壓力為262MPa、速度為1.02m/min、彈丸粒度為80#，當(dāng)?shù)?組噴丸參數(shù)：靶距為254mm、壓力為172MPa、速度為1.02m/min、彈丸粒度為54#，當(dāng)?shù)?組噴丸參數(shù)：靶距為254mm、

壓力為262MPa、速度為1.02m/min、彈丸粒度為80#時(shí)，產(chǎn)生的噴丸表面殘余壓應(yīng)力分別為203MPa、461MPa、424MPa和463MPa，由以上可知最大殘余壓應(yīng)力是在第4組噴丸參數(shù)時(shí)獲得，最大值為463MPa。同時(shí)，彈丸尺寸和射流壓力是影響殘余應(yīng)力最主要的參數(shù)，其影響分別超過25%和15%[3]。

采用前混合水射流分別對2Al1鋁合金和45鋼進(jìn)行，均會產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，當(dāng)對2Al1鋁合金的噴丸壓力分別為1MPa和4MPa時(shí)，噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力分別為-132.7MPa和-109.2MPa，當(dāng)對45鋼的噴丸壓力分別為4MPa和8MPa時(shí)，噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力分別為-422.4MPa和-407.2MPa[4]。

2.2 噴丸對疲勞壽命的影響

前后混合水射流噴丸可以有效提高金屬材料的疲勞壽命。

采用后混合水射流對AISI 304不銹鋼和TiAl4V鈦合金進(jìn)行噴丸，當(dāng)噴丸壓力為262MPa、靶距為203mm、彈丸粒度為54#時(shí)，Ti6Al4V鈦合金的疲勞強(qiáng)度增加了25%。

采用前混合水射流對2Al1和45鋼疲勞試樣進(jìn)行噴丸，然后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對于2Al1鋁合金，當(dāng)應(yīng)力振幅由190.3MPa減小到155.7MPa，試樣疲勞壽命由未噴丸的9.324×104次和2.857×105次相應(yīng)提高到1.001×106次和7.230×106次，分別增大了10.74倍和25.31倍；對于45鋼，應(yīng)力振幅由352.5MPa減小到282MPa，噴丸試樣由未噴丸的4.794×104次和1.888×105次相應(yīng)提高到1.202×105次和3.503×106次，分別增大了2.51倍和18.56倍。且噴丸前疲勞裂紋萌生于試樣表面，噴丸后，疲勞裂紋有的萌生于試樣內(nèi)部，有的萌生于試樣表面。

3 結(jié)語

（1）混合水射流噴丸強(qiáng)化是高壓水射流技術(shù)的延拓和發(fā)展，具有噴丸強(qiáng)度高、強(qiáng)化效果好、對噴丸裝置抗壓性要求低、安全綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；

（2）混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置通常由供水系統(tǒng)、供壓系統(tǒng)、供丸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工作臺等幾部分組成。

（3）前后混合水射流噴丸強(qiáng)化均可以有效提高金屬材料表層的殘余壓應(yīng)力和提高金屬材料的疲勞壽命。

[1]P R Zafred. High Pressure Water Shot Peening.European Patent Specification. Publication[EB].0218354B1.1990-7

[2]董星，劉春生.磨料射流技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002

[3]D. Arola,A. E. Alade，W. Weber. IMPROVING FATIGUE STRENGTH OF METALS USING ABRASIVE WATERJET PEENING[J]. Machining Science and Technology，2006，10：197-218

[4]董星，郭睿智，段雄.前混合水射流噴丸強(qiáng)化表面力學(xué)特性及疲勞壽命試驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(14)：164-170