不同噴丸工藝對(duì)螺母表面殘余應(yīng)力分布的影響

陳建彬，王虎軍，蔡繼文，王子昱

（1.安徽天航機(jī)電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 211100）

1 引言

螺紋聯(lián)接損壞的一個(gè)主要原因是由動(dòng)載荷引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致疲勞損壞的產(chǎn)生[1-3]。而螺母是螺紋聯(lián)接中常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)螺紋件，其主要失效形式實(shí)接觸疲勞破壞[4-6]。對(duì)零件表面進(jìn)行表面處理可以提高表面疲勞極限，表面冷作變形、表面熱處理、表面鍍層和涂層是常見(jiàn)的表面處理方式[7]。噴丸、滾壓、拋丸以及擠壓等強(qiáng)化方式均屬于表面冷作變形，噴丸通常利用彈丸高速撞擊工件表面，即將彈丸加速后噴丸到零件表面，在材料表面形成小壓痕或凹坑，材料表面因彈丸的不規(guī)則碰撞會(huì)發(fā)生塑性變形，在金屬表面形成一定厚度的殘余應(yīng)力層[8-10]。噴丸強(qiáng)化處理會(huì)使零件表面的晶粒發(fā)生破碎細(xì)化，位錯(cuò)密度增大，可以提高金屬表層的硬度以及材料強(qiáng)度[11]。

文獻(xiàn)[12]研究了AISI403鋼在0.23Amm 噴丸強(qiáng)度下的殘余應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)AISI403鋼表面殘余壓應(yīng)力分布均勻且隨著層深的增加呈現(xiàn)先增后件的趨勢(shì)，最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在距表面25μm處。文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了噴丸三維場(chǎng)殘余應(yīng)力的有限元模擬，發(fā)現(xiàn)高覆蓋率的噴丸處理能使目標(biāo)物體形成殘余應(yīng)力層，提高物件的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力。文獻(xiàn)[14]提出了X射線(xiàn)、中子衍射法等來(lái)非破壞性殘余應(yīng)力的測(cè)試方法，并且提出局部低溫勢(shì)處理等消除殘余應(yīng)力的方法。但是針對(duì)噴丸強(qiáng)化后螺母表層殘余應(yīng)力的測(cè)試分析較少。

試驗(yàn)考慮噴丸壓力、噴丸流量、噴丸距離、噴丸角度對(duì)噴丸強(qiáng)化效果的影響，采取正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，并沿著螺母軸向方向取了三個(gè)測(cè)試截面進(jìn)行了螺母表面層殘余應(yīng)力測(cè)試分析，通過(guò)對(duì)不同截面以及螺母整體殘余應(yīng)力的顯著性分析，得出較為優(yōu)異的噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用的螺母材質(zhì)為1Cr11Ni2W2MoV，其成分，如表1所示。力學(xué)性能，如表2所示。螺母的圓角半徑為1.6mm，陶瓷丸的尺寸大小應(yīng)當(dāng)小于螺母圓角半徑的一半。因此，選取直徑為0.35mm 的CZ35陶瓷丸作為本次試驗(yàn)的強(qiáng)化彈丸，CZ35陶瓷丸的力學(xué)性能，如表3所示。

表1 1Cr11Ni2W2MoV化學(xué)成分表（wt%）Tab.1 Table of Chemical Composition of 1Cr11Ni2W2MoV（wt%）

表2 1Cr11Ni2W2MoV力學(xué)性能表Tab.2 Mechanical Properties of 1Cr11Ni2W2MoV

表3 陶瓷丸的材料特性Tab.3 Material Properties of Ceramic Pellets

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)方案

當(dāng)選定CZ35陶瓷丸作為強(qiáng)化彈丸時(shí)，噴丸強(qiáng)化的核心參數(shù)為噴丸壓力以及噴丸流量的大小，兩者決定了噴丸強(qiáng)化下目標(biāo)物件表面強(qiáng)化深度以及殘余應(yīng)力的分布情況。當(dāng)噴丸壓力與噴丸流量確定的情況下，噴丸距離決定了噴射強(qiáng)化的覆蓋程度以及噴射動(dòng)能，部分噴射動(dòng)能將被材料表層吸收產(chǎn)生塑性變形與殘余應(yīng)力，噴射角度決定了強(qiáng)化彈丸在接觸目標(biāo)物件表面時(shí)留下的彈坑形狀以及應(yīng)力分布，噴射距離與噴射角度也是噴丸強(qiáng)化的核心參數(shù)。因此，選取的噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)，如表4所示。

表4 噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.4 Process Parameters of Shot Peening Experiments

本次試驗(yàn)中有4個(gè)研究參數(shù)，每個(gè)參數(shù)三個(gè)變量，采用正交試驗(yàn)法，共需要L9（34）試驗(yàn)，即單次測(cè)試9組試驗(yàn)，如表5所示。

表5 噴丸強(qiáng)化正交試驗(yàn)表Tab.5 Shot Peening Orthogonal Test

2.2.2 螺母表面殘余應(yīng)力測(cè)試方案

試驗(yàn)采用x射線(xiàn)測(cè)試試驗(yàn)裝置（μ-X360），如圖1所示。沿著螺母軸向方向取三個(gè)截面作為測(cè)試截面，分別為直段面、小圓弧面、大圓弧面，每個(gè)截面選取4個(gè)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，然后取平均值即為該段截面的殘余應(yīng)力值，如圖1所示。

圖1 螺母殘余應(yīng)力測(cè)試部位及x射線(xiàn)測(cè)試試驗(yàn)裝置Fig.1 Residual Stress Test Part of Nut and X-Ray Test Experimental Device

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化后與未經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化的螺母表面形貌，如圖2所示?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化后螺母表面的光潔度較差。

圖2 螺母表面形貌圖Fig.2 Nut Surface Topography

3.1 螺母表面殘余應(yīng)力分析

不同噴丸工藝下的各螺母截面的殘余應(yīng)力，如圖3所示。其中0號(hào)螺母未經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化。

圖3 殘余應(yīng)力分布折線(xiàn)圖Fig.3 Residual Stress Distribution Line Chart

從圖3中可以看出，未經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化的螺母在大圓弧截面的殘余應(yīng)力數(shù)值為正，而經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化后螺母各截面的殘余應(yīng)力均為負(fù)值，噴丸強(qiáng)化使得螺母表面均呈現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。且在直段截面與大圓弧截面的殘余壓應(yīng)力值分布在（-400～-500）MPa之間，遠(yuǎn)大于小圓弧截面的殘余壓應(yīng)力值。當(dāng)螺母表面受到彈丸撞擊時(shí)，由于彈丸的硬度大于螺母表面硬度，螺母表面主要發(fā)生不均勻的塑性變形，晶格畸變，使得表層位錯(cuò)密度增大，從而形成殘余應(yīng)力層。

3.2 螺母直段截面殘余應(yīng)力顯著性分析

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不考慮交互作用，只考慮各因素的主效應(yīng)。因變量為各截面的表面的殘余應(yīng)力，規(guī)定變量為噴丸壓力、噴丸流量、噴丸距離、噴丸角度。得到各變量對(duì)截面殘余應(yīng)力分布的影響關(guān)系。直段截面主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)，如圖4所示。噴丸壓力和噴丸流量對(duì)直段截面殘余應(yīng)力分布有顯著影響。

圖4 直段截面主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)Fig.4 Test of the Inter-Subject Effect of a Straight Section

4個(gè)因素的主次關(guān)系是：噴丸流量＞噴丸壓力＞噴丸距離＞噴丸角度。

各因素與直段截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖5所示。從圖5中可以看出，針對(duì)直段截面，0.40MPa噴丸壓力、3.0kg/min噴丸流量、100mm噴丸距離、80°噴丸角度是相對(duì)最優(yōu)的工藝。

圖5 各因素與直段截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.5 Estimated Marginal Mean of Each Factor and Residual Stress in Straight Section

3.3 螺母大圓弧截面殘余應(yīng)力顯著性分析

對(duì)大圓弧截面主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)可以得出，噴丸流量和噴丸距離對(duì)大圓弧截面殘余應(yīng)力分布有顯著影響，4個(gè)因素的主次關(guān)系是：噴丸流量＞噴丸距離＞噴丸壓力＞噴丸角度。各因素與大圓弧截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖6所示。

從圖6 中可以看出，針對(duì)大圓弧截面，0.40MPa 噴丸壓力、2.5kg/min 噴丸流量、200mm 噴丸距離、90°噴丸角度是相對(duì)最優(yōu)的工藝。

圖6 各因素與大圓弧截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.6 Estimated Marginal Mean of Residual Stress of Various Factors and Large Arc Sections

3.4 螺母小圓弧截面殘余應(yīng)力顯著性分析

對(duì)小圓弧截面主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)可以得出，噴丸壓力、噴丸流量和噴丸角度對(duì)小圓弧截面殘余應(yīng)力分布有顯著影響，4個(gè)因素的主次關(guān)系是：噴丸壓力＞噴丸流量＞噴丸角度＞噴丸距離。各因素與直段截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖7所示。從圖7中可以看出，針對(duì)小圓弧截面，0.40MPa噴丸壓力、2.5kg/min噴丸流量、150mm噴丸距離、70°噴丸角度是相對(duì)最優(yōu)的工藝。

圖7 各因素與小圓弧截面殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.7 Estimated Marginal Mean of Residual Stress of Various Factors and Small Arc Sections

3.5 螺母整體殘余應(yīng)力顯著性分析

考慮螺母整體殘余應(yīng)力的分布效果，即對(duì)直段截面、大圓弧截面、小圓弧截面各取權(quán)重1/3進(jìn)行加權(quán)。各因素與螺母整體殘余應(yīng)力的估算邊際均值，如圖8所示。從圖8中可以看出，針對(duì)螺母整體殘余應(yīng)力分布，0.40MPa 噴丸壓力、2.5kg/min 噴丸流量、100mm噴丸距離、90°噴丸角度是相對(duì)最優(yōu)的工藝。

圖8 各因素與螺母整體殘余應(yīng)力的估算邊際均值Fig.8 Estimated Marginal Mean of Each Factor and the Overall Residual Stress of the Nut

4 結(jié)論

采用不同噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)螺母表面進(jìn)行加工處理，對(duì)螺母表面三段截面進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試分析，并對(duì)工藝參數(shù)與各截面殘余應(yīng)力進(jìn)行顯著性分析，得到：

（1）經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化后，螺母直段截面的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且直段和大圓弧段的殘余壓應(yīng)力數(shù)值分布在（400～500）MPa，而小圓弧截面的殘余壓應(yīng)力數(shù)值基本與未噴丸的一致，分布在（100～250）MPa；

（2）通過(guò)SPSS軟件對(duì)各截面殘余應(yīng)力的主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)分析，針對(duì)直段截面的殘余應(yīng)力分布，噴丸流量和噴丸壓力的影響較為顯著；針對(duì)大圓弧截面的殘余應(yīng)力分布，噴丸流量和噴丸距離的影響較為顯著；針對(duì)小圓弧截面的殘余應(yīng)力分布，噴丸壓力和噴丸流量的影響較為顯著；噴丸流量的大小對(duì)螺母整體的殘余應(yīng)力分布影響較為顯著；

（3）從不同編號(hào)的螺母的直段、小圓弧截面和大圓弧截面的殘余應(yīng)力綜合比較來(lái)看，在噴丸工藝參數(shù)為0.4MPa 噴丸壓力、2.5kg/min噴丸流量、100mm噴丸距離、90°噴丸角度時(shí)，噴丸強(qiáng)化效果最佳，該工藝相對(duì)最優(yōu)。