船用柴油機(jī)缸蓋鑄態(tài)和熱處理態(tài)的殘余應(yīng)力研究

田永維，宋桂娃，楊軍(.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 7305；.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 7305）

船用柴油機(jī)缸蓋鑄態(tài)和熱處理態(tài)的殘余應(yīng)力研究

田永維1，宋桂娃2，楊軍2
(1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713105；2.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713105）

介紹了小孔法測量鑄件殘余應(yīng)力的基本原理和主要步驟，比較了某型柴油機(jī)缸蓋經(jīng)過去應(yīng)力熱處理退火和鑄態(tài)噴丸處理2種不同工藝方法后的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明：在呋喃樹脂砂生產(chǎn)條件下，鑄件澆注后開箱溫度控制在200 ℃以下，丸?？刂圃?.5～1.5 mm，噴丸時間在20～30 min的鑄態(tài)缸蓋的殘余應(yīng)力，可以達(dá)到在電爐中對缸蓋進(jìn)行去應(yīng)力退火相同的效果。同時通過比對專用技術(shù)文件的要求：如果鑄件通過在砂型中受控冷卻后符合允許最大殘余應(yīng)力值，則去應(yīng)力熱處理可省略，這樣就可以縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效率。

缸蓋；殘余應(yīng)力對比；小孔法

機(jī)械零部件和構(gòu)件在制造時，各種加工工藝（比如焊接、鍛壓、鑄造）和熱處理工藝等，都會在材料中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，有時殘余應(yīng)力的水平會超過材料的屈服極限，過大的殘余應(yīng)力會嚴(yán)重影響機(jī)械零部件和構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力和尺寸穩(wěn)定性，從而影響到它們的使用安全性[1-3]，為消除殘余應(yīng)力的不良影響，筆者以公司生產(chǎn)的某型缸蓋為依托，分別對鑄件進(jìn)行噴丸處理和退火熱處理，通過小孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，研究比對兩種處理方式的殘余應(yīng)力狀況。

圖1 缸蓋外形圖

1 缸蓋毛坯簡介

該缸蓋是一個由平面和孔系組成的復(fù)雜腔體類鑄件，結(jié)構(gòu)緊湊、要素集中，內(nèi)部包括進(jìn)、排氣道、冷卻水腔、噴油器孔、滑油道、缸蓋螺栓孔、彈簧座孔等部位, 結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

缸蓋外形輪廓尺寸：460×344×215（mm）；

鑄件質(zhì)量：凈質(zhì)量105 kg，毛坯質(zhì)量120 kg（見圖1）。

2 測試原理

本次試驗采用小孔法進(jìn)行應(yīng)力測量，小孔法是常用的測定殘余應(yīng)力的一種半破壞性方法。它是在要測試殘余應(yīng)力的部位，用鉆孔工具加工一個小孔。小孔加工后，該處的金屬連同其中的殘余應(yīng)力即被釋放，原有殘余應(yīng)力也失去平衡。這時小孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，其大小與被釋的應(yīng)力是相應(yīng)的。測量小孔附近由于小孔加工而引起的應(yīng)變釋放量，通過彈性力學(xué)計算即可換算出小孔原有的殘余應(yīng)力值[4-7]。小孔釋放法在力學(xué)效應(yīng)上等效于反向加載，由彈性力學(xué)可知，被測量點的主應(yīng)力（σ1、σ2）和主應(yīng)力角（γ）計算公式：

公式中A、B稱為應(yīng)變釋放系數(shù)，其表達(dá)式為：

其中，E為彈性模量，μ為泊松比。

采用公式1、2、3、4、5計算獲得殘余應(yīng)力值。應(yīng)變片示意圖如圖2所示，靈敏度系數(shù)：2.180。計算殘余應(yīng)力時，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

圖2 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

3 測試對象與過程

3.1 測試對象及測試點選取

測試對象為某型柴油機(jī)缸蓋，見圖3。本次測試的目的在于對比呋喃樹脂砂生產(chǎn)的缸蓋，澆注后開箱溫度控制在200 ℃以下，用0.5～1.5 mm的鋼丸經(jīng)20～30 min的噴丸后和鑄態(tài)缸蓋退火熱處理后消除應(yīng)力的效果。為此，每種處理方式分別隨機(jī)抽取5件缸蓋，在每個缸蓋的燃燒面上選取三個關(guān)鍵位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，見圖3。對缸蓋燃燒面進(jìn)行約2 mm的銑削加工后，進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。

圖3 MTU缸蓋實物圖

3.2 測試步驟及設(shè)備

具體測量步驟見圖4，具體測試過程見圖5。殘余應(yīng)力測試采用BE120-2CA-K型應(yīng)變花和CM-1L-32型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀完成。小孔鉆削通過手電鉆進(jìn)行。殘余應(yīng)力測試過程中，為了表達(dá)方便，對測試位置進(jìn)行了編號，分別編號為1#、2#、3#，各測試點位置見圖5。

（1）工件表面清理

在需要粘貼應(yīng)變片的工件表面打磨光滑，標(biāo)注貼片位置（劃十字線標(biāo)記，一條線平行于管道軸向，另一條平行于管道環(huán)向），用棉花沾丙酮清洗工件表面，清除打磨后殘留的碎屑直至用于清洗的棉花上無污物，以保證貼片的表面無油污和灰塵。

圖4 小孔法測量步驟

圖5 殘余應(yīng)力測試過程

（2）布點：從應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，保證測點與邊界保持15 mm以上。

（3）粘貼應(yīng)變片：用502膠水進(jìn)行應(yīng)變化粘貼。將應(yīng)變片的圓環(huán)中心十字對準(zhǔn)標(biāo)記十字中心，兩個垂直的應(yīng)變柵對準(zhǔn)兩標(biāo)記十字線。將應(yīng)變片的6根引線輕輕拉起，固化30 s左右即可。

（4）接線：導(dǎo)線一端接線排用502膠水固定在應(yīng)變片附近，另一端接到應(yīng)變儀上，并用電烙鐵將應(yīng)變片引線焊接到接線排上。應(yīng)變儀調(diào)零，檢查應(yīng)變片是否穩(wěn)定，有無漂移。如果出現(xiàn)嚴(yán)重漂移，則需要重新貼片和接線。

（5）鉆孔：將安裝于鉆床上的2 mm鉆頭對正到應(yīng)變片中心位置，對正后鉆盲孔。

（6）讀數(shù)：鉆孔后至數(shù)據(jù)穩(wěn)定，讀取應(yīng)變數(shù)。

4 測試結(jié)果及分析

對共計10件缸蓋按照圖5所示的位置進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試，測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表1。10件缸蓋中5件在電阻爐中進(jìn)行了熱處理退火處理，其編號分別為：1507085、1507088、1507084、1507086、1507080，另5件在噴丸室內(nèi)進(jìn)行了噴丸處理，其編號分別為：1508014、1508021、1508010、1508008、1508024。

為了深入比較兩種處理方式的應(yīng)力消除效果，將10件缸蓋相同位置的殘余應(yīng)力測試結(jié)果匯成圖6、7、8，分別進(jìn)行比較。

前已敘及，兩種處理方式處理后的缸蓋殘余應(yīng)力均基本以壓應(yīng)力為主，只有個別位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其值也維持在較小的范圍，不超過30 MPa，根據(jù)專用技術(shù)文件的要求：最大殘余應(yīng)力≤50 N/mm2，兩種方式處理后的殘余應(yīng)力均達(dá)到技術(shù)文件的要求，同時文件明確指出：如果鑄件通過在砂型中受控冷卻后符合允許最大殘余應(yīng)力值，則去應(yīng)力熱處理可省略。

總體來看，退火熱處理與噴丸處理后的缸蓋殘余應(yīng)力比較接近，二者均可用來進(jìn)行缸蓋處理。

圖6 不同方式處理后缸蓋1#點位置的殘余主應(yīng)力對比

表1 某型缸蓋殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

從圖6、7、8中缸蓋3個測試位置的殘余主應(yīng)力對比可以看出，退火熱處理與噴丸后的缸蓋對應(yīng)位置的殘余應(yīng)力整體比較接近，前者主應(yīng)力值略低于后者，說明采用噴丸處理的缸蓋，可以達(dá)到退火熱處理的效果。

圖7 不同方式處理后缸蓋2#點位置的殘余主應(yīng)力對比

圖8 不同方式處理后缸蓋3#點位置的殘余主應(yīng)力對比

關(guān)于缸蓋燃燒面關(guān)鍵位置殘余應(yīng)力值主要呈現(xiàn)出壓應(yīng)力的原因，主要源于三個方面，首先是退火處理冷卻過程中的二次熱應(yīng)力，其次是噴砂處理產(chǎn)生的壓應(yīng)力，最后是銑削加工產(chǎn)生的壓應(yīng)力。無論是那種因素為主，但導(dǎo)致的結(jié)果均是在燃燒面上產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。大量的文獻(xiàn)資料表明，表面壓應(yīng)力的存在，無疑對構(gòu)件的疲勞性能會產(chǎn)生有益的影響。

5 結(jié)論

本研究以抽樣形式，分別選取退火熱處理和噴丸處理后的956缸蓋各5件，進(jìn)行了燃燒面3個對應(yīng)關(guān)鍵位置的殘余應(yīng)力測試，得出的主要結(jié)論如下：

（1）10件缸蓋燃燒面3個測試點位置的殘余應(yīng)力均基本呈現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài)。

（2）退火熱處理與噴丸處理后的缸蓋對應(yīng)位置的殘余應(yīng)力整體比較接近，前者壓應(yīng)力值略低于后者，噴丸處理后壓應(yīng)力增加了，有利于平衡鑄件的拉應(yīng)力，減少裂紋傾向的產(chǎn)生，能夠提高鑄件的抗疲勞性能和力學(xué)性能。

（3）鑄態(tài)缸蓋經(jīng)過噴丸處理后，可以滿足殘預(yù)應(yīng)力的技術(shù)要求和使用要求，可以省去退火熱處理工序，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效率。

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Studying residual stress in cylinder head for a certain diesel between casting and heating

TIAN YongWei,SONG GuiWa,YANG Jun
(1.The navy's XingPing regional military sgent's room ,XingPing 713105,Shaanxi ,China; 2.ShaanXi diesel engine heavy industry Co., Ltd., XingPing 713105,Shaanxi ,China)

The basic principle of measuring residual stress with small hole method and the main measuring steps were introduced. Comparing to the residual stress test data of the cylinder head between shot blasting and heating. The result showed∶using furane resin sand to produce casts,let the casts cool down in the mould to below 200℃before shaking out , then shot blast them using metal grains of the size of 0.5～1.5 mm lasting 20～30 min. This method had the same result as the casts be heat- treated in electric furnace It’s also be confirmed in the technical documents∶ controll cooling in sand castings conform to allow maximum residual stress, heat treatment can be ignored,so that we can shorten the production cycle, improve economic eff i ciency.

cylinder head; residual stress compare; small hole method

TG115.6；

A；

1 006-9658（201 6）06-0058-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.01 8

2016-04-22

稿件編號:1604-1350

田永維（1969—），男，高級工程師，主要從事艦船柴油機(jī)質(zhì)量監(jiān)督及檢驗驗收工作.