噴砂強(qiáng)化對鋁合金薄壁框架件形狀的影響及應(yīng)用

張蕭笛，廖 凱，黃 鑫，胡 磊

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410004)

表面強(qiáng)化是機(jī)械零件減少疲勞，提高壽命的有效方法之一[1-3].在航空制造業(yè)中，鋁合金零件噴砂表面強(qiáng)化的應(yīng)用十分廣泛，已成為關(guān)鍵零部件必須采用的工藝，如適當(dāng)強(qiáng)度和覆蓋率的噴丸強(qiáng)化處理能夠明顯降低2E12航空鋁合金的晶間腐蝕、剝蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性[4].噴丸表面強(qiáng)化也被應(yīng)用于航空工業(yè)中生產(chǎn)具有一定曲率的薄部件，如雙曲率機(jī)翼蒙皮成形[5].通常，在噴丸表面強(qiáng)化對機(jī)械零件的研究中，該工藝對材料表面完整性及疲勞性能方面的研究占多數(shù)[6-8].

高強(qiáng)度航空鋁合金結(jié)構(gòu)件在生產(chǎn)制備中普遍存在加工變形[9-10]，對于此類構(gòu)件變形的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)件壁厚較大時(shí)，初始內(nèi)應(yīng)力對變形的影響是主要因素[11].減小變形主要采用：1)直接減小母材毛坯板初始應(yīng)力，如通過對鋁合金進(jìn)行預(yù)拉伸處理，可以極大消減初始應(yīng)力[12]，從而減小加工后初始應(yīng)力導(dǎo)致的變形；2)通過后處理工藝改善變形，如熱處理或振動(dòng)時(shí)效可減小和均化構(gòu)件加工中的應(yīng)力，減小構(gòu)件變形[13].但對于一些壁厚很薄的構(gòu)件，當(dāng)材料去除率達(dá)到85%以上時(shí)，薄壁構(gòu)件應(yīng)力分布中的表面應(yīng)力則顯著地影響著結(jié)構(gòu)形變[14].針對此類薄壁構(gòu)件，減小變形的主要方法是減小銑削中引入的加工應(yīng)力，如通過采用高速銑削加工工藝減小銑削加工表面應(yīng)力[15-17]，或是通過對銑削加工中的走刀路徑，切削深度等工藝參數(shù)的優(yōu)化來減小加工應(yīng)力[18-20].但結(jié)合構(gòu)件的形狀特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布來調(diào)節(jié)構(gòu)件變形的研究尚鮮有報(bào)道.

噴丸/噴砂后的材料表面出現(xiàn)較大殘余應(yīng)力，會使薄壁件的形狀發(fā)生變化，這說明表面強(qiáng)化工藝對這類構(gòu)件的形變影響和調(diào)控方法受到關(guān)注.本文主要分析了噴砂對較小壁厚框架件表面應(yīng)力分布以及形變的影響，并對加工后構(gòu)件形變可調(diào)節(jié)性進(jìn)行了探討.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原理分析

噴砂處理是利用高速砂流沖擊材料表面改變表面形貌的冷處理強(qiáng)化過程，受沙料噴擊后的工件表面會留下無數(shù)的凹痕[21]，并產(chǎn)生彈塑性結(jié)合壓縮變形，受塑性變形材料和基層材料的制約，彈性變形區(qū)域被壓縮材料的變形無法恢復(fù)，會在該部位產(chǎn)生較大壓縮內(nèi)應(yīng)力.壓縮內(nèi)應(yīng)力是抵抗材料壓縮趨勢的應(yīng)力，其對材料的作用方向和拉伸外力是一致的.故此，由彎曲力學(xué)理論可得，當(dāng)在如圖1所示的板條狀類結(jié)構(gòu)的YZ面中性面上下分別進(jìn)行噴砂處理時(shí)，會在該中性面水平方向出現(xiàn)如圖1中的凹凸變形趨勢.

圖1中，e表示中性面位置，F(xiàn)X為中性面下噴砂壓縮內(nèi)應(yīng)力的等效外部拉力，F(xiàn)S為中性面上噴砂壓縮內(nèi)應(yīng)力的等效外部拉力，MS為中性面以上部位的壓縮內(nèi)應(yīng)力σS產(chǎn)生的彎矩，MX為中性面以下部位壓縮內(nèi)應(yīng)力σX產(chǎn)生的彎矩.對于航空類薄壁框架件，若是可以在中性面兩側(cè)部位的表面通過噴砂引入殘余壓應(yīng)力，則構(gòu)件在該中性面水平方向會出現(xiàn)不同趨勢的彎曲變形，故此，噴砂處理在理論上對航空類薄壁框架件的形狀具有一定的調(diào)節(jié)能力.

圖1 噴砂力學(xué)模型

1.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)所需薄壁框架件的原材料為7075-T651鋁合金厚板，經(jīng)固溶和預(yù)拉伸處理.板坯尺寸為500 mm×108 mm×58 mm，其力學(xué)性能如表1所示.

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

銑削加工將厚板中85%的材料去除，加工后的鋁合金薄壁框架件和長度方向的截面形狀如圖2所示，框架件的長、寬、高尺寸與厚板一致，忽略短肋板的影響，薄壁框架件在長度方向的截面形狀為“U”形，e為中性面位置(計(jì)算得e=10 mm)，框架件短肋板壁厚為2 mm，底部厚度6 mm.

圖2 鋁合金薄壁框架件

1.3 噴砂處理

對加工后的構(gòu)件進(jìn)行噴砂處理，使表面材料形成壓應(yīng)力.由圖2中性面的位置可知，構(gòu)件在長度方向的中性面與底面距離接近，可以認(rèn)為對構(gòu)件的薄壁和底面分別引入壓應(yīng)力會對構(gòu)件形狀起到不同的影響.

實(shí)驗(yàn)分別對編號為No.1～5的薄壁框架件試樣的底部和薄壁，依次交替進(jìn)行如表2所示的不同工藝參數(shù)下、不同表面覆蓋次數(shù)噴砂處理.表2中字母C、D分別表示構(gòu)件的薄壁和底部部位的內(nèi)外表面，字母后的數(shù)字表示該工藝步驟下，該部位表面全覆蓋的次數(shù)，如進(jìn)行工序7中的C4表示試樣經(jīng)歷了3次底面噴砂處理和4次薄壁噴砂處理.由于鋁合金薄壁框架件存在壁薄、表面硬度低等特點(diǎn)，不宜采用過高磨料砂粒度和過大噴砂壓力.參照航空零件噴丸強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)[22]，磨料選用石英砂丸，砂料砂粒度規(guī)格分別為0.2 mm(75目)，0.5 mm(32目)，2 mm(10目)3種，噴射壓力為0.2、0.3、0.4 MPa，噴射距離80 mm，噴口直徑5 mm，噴嘴移動(dòng)速度50 mm/s，垂直于工件表面噴射，噴砂過程中對不噴砂部位進(jìn)行保護(hù)，噴砂后構(gòu)件如圖3所示.試樣底面和薄壁在依次歷經(jīng)表2中1～8的噴砂工序，交替噴砂處理后，最終構(gòu)件內(nèi)外表面被4次全覆蓋噴砂處理.

表2 試樣噴砂工藝參數(shù)與工序

圖3 鋁合金薄壁框架件形狀測量

2 結(jié)果分析與應(yīng)用

以構(gòu)件在長度方向上彎曲最大撓度值為衡量構(gòu)件形狀變化的參數(shù).在構(gòu)件加工和噴砂前后對構(gòu)件長度方向的擾度進(jìn)行了掃描，測量工具為思瑞三坐標(biāo)測量儀，儀器測量誤差為1 μm/m，測量時(shí)的掃描步長為5 mm.測量過程如圖3所示.

2.1 噴砂變形與分析

表2中，No.2試樣在工序1(C1)噴砂處理后，出現(xiàn)了如圖4所示的變形.其中圖4(b)為構(gòu)件兩薄壁的撓度變化曲線，即噴砂后長度方向撓度分布減去噴砂前撓度分布.由圖4可見，對薄壁進(jìn)行噴砂處理時(shí)，沿構(gòu)件長度方向的上表面出現(xiàn)了拱曲變形.這種變形產(chǎn)生的原因是噴砂壓力在材料表面形成了壓應(yīng)力，為表面應(yīng)力矩在構(gòu)件上造成的彎矩增大所致.

圖5和圖6為No.1～5號構(gòu)件在分別進(jìn)行了如表2所示工藝參數(shù)下的噴砂處理后的變形情況，橫坐標(biāo)從左向右為表2中噴砂工序.圖5為在0.5 mm磨料不同壓力下的No.1、No.2、No.3號構(gòu)件最大撓度變化值(噴砂后的最大撓度值與初始最大撓度之差)的變化趨勢對比，0.3 MPa不同磨料下的No.2、No.4、No.5號構(gòu)件最大撓度對比如圖6所示.

圖4 構(gòu)件噴砂變形

Fig.4 Component deformation after SP：(a) 3D plot contour； (b) deformation curve

圖5 0.5 mm磨料不同壓力下最大撓度變化值

Fig.5 Max deflection on different pressure with 0.5 mm abrasive

圖6 0.3 MPa壓力不同磨料下最大撓度變化值

Fig.6 Max deflection on different abrasive with 0.3 MPa pressure

由于構(gòu)件彎曲中性面位置靠近底部，可以近似認(rèn)為當(dāng)對構(gòu)件薄壁和底面噴砂時(shí)，在構(gòu)件中性面以上和以下部位引入了壓應(yīng)力，對構(gòu)件形成了兩個(gè)作用相反的彎矩.故此，構(gòu)件會出現(xiàn)如圖5和圖6中所示的變形規(guī)律，即在對構(gòu)件不同部位薄壁(C)和底面(D)噴砂處理時(shí)，構(gòu)件變形的方向也就不同.在撓度變化數(shù)值上，由于構(gòu)件彎曲中性面位置靠近底部，在薄壁處噴砂產(chǎn)生的撓度變化值也要大于底部， 且所有噴砂構(gòu)件均是在第1次表面全覆蓋時(shí)撓度變化值最大， 隨后隨著覆蓋次數(shù)的增加， 撓度的變化值減小， 至第3～4次時(shí)不再變化， 最后出現(xiàn)了該工藝下的變形最大值(穩(wěn)定值).

不同噴砂強(qiáng)化工藝下構(gòu)件形狀均存在最大變化的范圍，且變化大小不同，這與噴砂后的構(gòu)件表面硬化及應(yīng)力分布有關(guān).實(shí)驗(yàn)通過化學(xué)腐蝕的方法對噴砂構(gòu)件表面材料剝離，利用X射線應(yīng)力分析儀，對構(gòu)件表面應(yīng)力分布進(jìn)行了逐層深入測試[23].同時(shí)，通過布氏顯微硬度計(jì)測量表面深度方向的顯微硬度分布.圖7和圖8分別為0.5 mm磨料0.3 MPa下不同表面覆蓋次數(shù)下的顯微硬度分布和表層應(yīng)力分布.

由圖7可見，表面硬度隨噴砂覆蓋次數(shù)的增加而增大，在第1次噴砂覆蓋后，表層硬度得到明顯提高，后續(xù)的噴砂覆蓋仍會提高硬化程度，但幅度減小，直到表層硬化強(qiáng)度足以抵抗進(jìn)一步變形為止.從數(shù)值上看，相較銑削加工后的構(gòu)件表面，噴砂后的表面硬度得到很大提升，4次表面覆蓋后表面硬度提高了50%左右.從表面硬化的效果來看，在一定工藝下，表層材料得到了充分的塑性變形，材料進(jìn)一步塑性變形將受阻.

圖7 不同表面覆蓋次數(shù)下的顯微硬度分布

Fig.7 Microhardness distribution on different coverage times

圖8 不同表面覆蓋次數(shù)表面應(yīng)力分布

圖8中反映的表面應(yīng)力分布情況與硬度分布類似.自第1次噴砂覆蓋后，表層應(yīng)力顯著增強(qiáng)，且隨著覆蓋次數(shù)的增加增幅明顯變緩.構(gòu)件的變形是應(yīng)力大小分布的改變所致，這也解釋了圖5和圖6中出現(xiàn)變形變化值隨著噴砂覆蓋次數(shù)的增加而減小，最后達(dá)到穩(wěn)定的現(xiàn)象.

另外，從圖5和圖6中還發(fā)現(xiàn)，相比噴砂壓力，對變形影響最大的是磨料，其次是噴砂壓力，圖9為0.3 MPa下不同磨料4次表面覆蓋次數(shù)后的表層應(yīng)力分布.相同壓力下，大磨料在表面產(chǎn)生的塑性變形要大，噴覆后殘余應(yīng)力作用的深度也大，例如，小顆粒作用的深度約為120 μm(以接近初始表面應(yīng)力-10 MPa為準(zhǔn))，而大顆粒作用深度預(yù)測可達(dá)約240 μm.

圖9 4次覆蓋不同磨料噴砂表面應(yīng)力分布

Fig.9 Surface stress distribution on different abrasive with four times coverage

2.2 變形調(diào)節(jié)

銑削加工后構(gòu)件本身會因加工應(yīng)力和初始應(yīng)力的影響發(fā)生變形，而噴砂后構(gòu)件也會產(chǎn)生變形.因此，為了減小這種加工變形，可以對薄壁構(gòu)件進(jìn)行噴砂處理后的變形調(diào)節(jié).

對于圖5和圖6中的變形分布特點(diǎn)，若僅對構(gòu)件底面或薄壁的某一個(gè)部位連續(xù)4次噴覆處理，會使構(gòu)件在某一變形趨勢下出現(xiàn)最大的變形值.根據(jù)變形疊加原理，如圖6所示構(gòu)件變形，試算若僅對試樣底部進(jìn)行4次0.3 MPa、2 mm磨料下噴砂處理，構(gòu)件此時(shí)總變形量會達(dá)到-66 μm，如果采用同樣工藝僅對薄壁噴砂處理，構(gòu)件總變形量會達(dá)到224 μm.為此，參照圖6中的參數(shù)，制備了第6個(gè)試樣，其銑削加工后中間部位拱曲變形為70 μm，采用2 mm磨料、0.3 MPa壓力的工藝單獨(dú)對底面進(jìn)行4次表面噴砂覆蓋，構(gòu)件的撓度變化如圖10所示.構(gòu)件中間部位的最大拱曲撓度減小到了10 μm，使構(gòu)件變形回復(fù)達(dá)到85%以上，有效地減小了加工后構(gòu)件的變形.

圖10 加工變形調(diào)節(jié)

銑削后薄壁件會發(fā)生拱曲，在底部噴砂后，形變被回復(fù)，如前所述，如果單獨(dú)在薄壁上噴砂，則這種拱曲變形會加劇.因此，從上述構(gòu)件加工后變形以及噴砂對形變的調(diào)節(jié)情況來分析，可以從以下兩個(gè)方面對薄壁件形變控制給予考慮：1)銑削加工應(yīng)力通常為壓應(yīng)力，可采用預(yù)應(yīng)力加工方式，使構(gòu)件底部形成拉應(yīng)力區(qū)，首先減小構(gòu)件的加工變形，再進(jìn)行噴砂處理；2)薄壁和底部噴砂強(qiáng)度差異化，由于薄壁面積要大于底部，且變形也易于底部，可以在底部和薄壁上采用不同噴砂工藝，以達(dá)到減小構(gòu)件加工變形的目的.

3 結(jié) 論

1)表面應(yīng)力直接影響薄壁構(gòu)件變形.與其他黑金屬構(gòu)件不同，鋁合金薄壁框架件形狀特點(diǎn)決定了其抗彎能力相對較弱、初始內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度很低.因此，即使表面應(yīng)力作用的深度很淺(120 ～240 μm)，但其強(qiáng)度相對較高，將對薄壁構(gòu)件的變形影響顯著.

2)噴砂強(qiáng)化對構(gòu)件表面應(yīng)力分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)際上就是對構(gòu)件整個(gè)應(yīng)力平衡狀態(tài)的再平衡，因此，掌握噴砂對構(gòu)件表面應(yīng)力分布狀況的影響機(jī)制是變形調(diào)節(jié)的前提.

3)加工后變形的薄壁構(gòu)件在噴砂作用下，變形可獲得一定程度回復(fù)，說明噴砂表面強(qiáng)化既能在構(gòu)件表面形成較大的壓應(yīng)力，有利于提高疲勞強(qiáng)度，同時(shí)，又可對構(gòu)件加工變形進(jìn)行適當(dāng)矯正.