浅谈喷丸强化工艺

浅谈喷丸强化工艺

魏巍

沈阳飞机工业(集团)有限公司辽宁沈阳110034

摘要：喷丸技术广泛应用于航空、航天、车辆等领域的表面强化方法之一，可在零件表面形成均匀的残余压应力层，适用于各种形状和尺寸场合。本文就喷丸强化工艺的具体应用进行了探讨。

关键词：喷丸强化工艺；覆盖率；应用

前言：喷丸强度和覆盖率指标是喷丸强化的两个关键技术指标。由于喷丸强度与残余应力有对应关系，可以通过测试残余应力来验证喷丸强度，但其检查测试通常具有破坏性，一般适用于简单零件，而不适用于产品部件。零件覆盖率小于100%能够测量，但是检查并不能区别覆盖率在100%、200%、300%等情况。这使得喷丸后的验证检查不同于其他处理方式(如喷涂等)，因为在零件完成喷涂处理后，喷涂厚度和连续性是可以测量和验证的。如何进行合理的喷丸强化工艺设计，确保在喷丸处理后的产品零件上有效验证喷丸强度和覆盖率以维持喷丸的稳定性涉及到喷丸强化过程控制。

1工艺准备

在进行喷丸工艺准备时，零件加工规范应当标明设计要求的喷丸区域、喷丸介质、喷丸强度和覆盖率值。零件的装夹以及喷嘴设置非常重要。首先要注意零件对喷嘴/滚轮的方向，因为弹丸的反跳方向必须≥45°，在90°时产生最高的喷丸强度，在45°喷丸强度降低约45%。如要求喷丸强度0．15－0.25Amm，具有足够的允许变化宽度，但是当反射角低于45°时强度范围收窄为低于0．075－0.125Amm，将使验证非常困难。同时可以增加确认要求，如残余应力测量、尺寸测量以及表面粗糙度测量等。

1.1设置喷丸区域

一些部件可以要求喷丸强化覆盖全部的区域，但是通常有一些区域不要求进行喷丸。设计图纸应当准确地标明需要喷丸的位置，通常是在需要喷丸的表面用交叉平行线画出阴影进行标明。同样，图纸应标明禁止进行喷丸的区域以及可以选择是否进行喷丸的区域，在喷丸被阻止的区域应进行保护以阻止过喷或被跳弹击中产生事故性的覆盖率。图纸也应标明喷丸可以选择的一定区域，尽管一些区域有利的喷丸残余应力是不必要的，但是不会不利于许可的喷丸覆盖率;了解这些是有用的，因为通过设定这些非必须保护的区域，能节约时间和成本。图纸应当标明允许反弹的喷丸区域。对于不会被喷丸直接击中的区域来说，反弹喷丸方式非常有用。通过反弹击中被阻挡的表面而产生覆盖率，这将仅用于反弹喷丸被特别允许的区域，因为反弹强度低于直接喷丸冲击产生的强度。

1.2禁止喷丸区域

零件上可能有明确禁止喷丸的区域，通常保护要持续到最后阶段。保护的类型可以采用以下一种或几种方式:永久保护(模子成形、金属板);共形保护(胶带纸);保护涂层(紫外光固化树脂、人造橡胶);保护夹具同时可以作为零件装夹工具使用。

1.3阿尔门试片夹持位置

为准确测量喷丸强度，阿尔门试片应固定在夹具上并尽可能模拟工件相关的区域。喷丸时工件状态模拟可以采用一个或多个阿尔门试片夹具，位置的选择基于如下因素:不同强度的区域;关键零件的寿命周期期望;关键的并且难于喷丸的区域;可以全喷的区域;可以变形的区域;以特殊矛枪喷丸的区域;自动化水平和控制设备。经常采用将报废的同图号零件作为阿尔门试片的夹持工装方式。为真实模拟工件，在进行夹具设计时，应关注实际工件的完整几何形状，这可能影响喷丸效果，也可能没有反映工件的真实喷丸状况。对于强度和覆盖率要求、喷丸设备、零件保护测试工具和阿尔门试片装夹定位等应纳入相应工序;在每一个阿尔门试片位置产生全饱和度曲线，测量喷丸强度、要求区域测量覆盖率的过程应可验证。为测量覆盖率速度，零件可以进行短周期加工，并以最小×10放大进行覆盖率检查。通过重复这个程序，以逐渐达到100%覆盖率作为验证依据。建立覆盖率曲线是有用的验证工具，如要求复合覆盖率如200%，则加工时间成为相应的因素。

2影响覆盖率程度的因素

2.1覆盖率定义

覆盖率指受喷零件表面上弹丸坑占据的面积与受喷表面总面积之比值，通常以百分数表示，被击打两次的表面部分不计入在内。当需喷丸的零件表面被均匀完整地撞击后，可以得到完全(100%)覆盖率。实践中，98%的覆盖率被认为是完全覆盖，称为喷丸时间t98%，大于100%的覆盖率是达到100%覆盖率时间的倍数。喷丸时间和覆盖率程度互相关联，喷丸处理所需要时间是喷丸时间t98%和安全因子S(例如2倍t98%)的乘积，以确保工件至少有100%覆盖率，并且不会因过多处理时间而过度喷丸。t98%作为喷丸参数是可以测量的，并且需要列在在工作图表上。但是，对喷丸成形而言是不需要100%的覆盖率的，零件不同力度的变形可以通过不同程度的覆盖率来控制

覆盖率A·i(t)=ΣAi/A×100%

喷丸时间t=S×A·i(t98%)

饱和状态和覆盖率是不能混淆的。在多数情况下，饱和度和覆盖率不会发生在相同时间。阿尔门试片的饱和度仅仅反映完整覆盖率的瞬间，而覆盖率仅仅是指被测零件处于喷丸流的实际表面区域。由于被处理的工件表面和阿尔门试片特性通常不同(例如塑形、弹性变形性能和硬度等)，因此阿尔门试片的饱和状态和覆盖率没有紧密的相关性。

2.2覆盖率影响因素

喷丸丸粒的运动能量被传输给工件，导致工件表面变形，这种能量传输以效率程度进行比较，包括热能量、喷丸介质中的变形能量以及除去碰撞后产生的能量损失外还保留在丸粒中的动能。其相互关系如下

Ekin1=Edp+Eds+Ethem+Ekin2

Edp=Ekin1－Eds－Ethem－Ekin2

式中，Ekin1=m1v21/2为碰撞前动能;Ekin2=m2v22/2为碰撞后动能;Edp为工件形变能量;Eds

为弹丸形变能量;Ethem为热能。

动能部分的值起决定作用。动能是喷丸介质速度和质量的乘积，转移进工件并且引起工件表面变形，转换为形变能量传给工件和喷丸介质、热能(摩擦引起)以及弹性能量(Ekin2)，导致工件和喷丸介质弹性变形现象。这个能量的变换主要体现为机械性能(如弹性—塑性变形表现)以及工件和喷丸介质硬度。

对能量转移有影响的因素如下:

喷丸系统类型:空气喷射系统和扇叶吹送系统是两种基本类型的设备，喷丸介质加速的方式是完全不同的。

管嘴形状:对于空气喷气系统，喷嘴形状影响气流横截面的性能，气流可能达到较大或者较小程度。

喷射介质的速度:在动能上喷射介质的速度有方向的影响。

碰撞角度:理论上90°碰撞角度产生最大能量传送给工件，碰撞角度在75°－90°能够产生较大能量转移。

丸流速度:丸流速度定义是每单位时间喷射介质丸流被加速量，并且由此推算出为获得特定的覆盖率水平需要的时间。在喷丸工序中的一个工作周期内，对具有完全相同规格的工件面积，有必要在处理期间明确保持丸流速度连续，不过对于喷丸成形是例外。

喷丸时间:喷丸时间会直接影响覆盖率，喷丸时间增加，覆盖率程度提升。

喷丸介质:为了强化工件，需要专门使用球状的喷丸介质。除球外形外，介质的硬度、成分、材料、质量和尺寸均影响覆盖率。同时，在介质混合中球的尺寸分配以及球磨损的状态也会影响覆盖率的形成。

被加工工件:取决于塑形/弹性性能、化学成分、结晶结构、工件温度和硬度、表面平整度。同时，工件几何形状是决定性的，因为影响了碰撞角度。

结束语：

喷丸强化应该首先满足设计所给出的强度和覆盖率指标，由于在处理后的产品零件上验证检查强度和覆盖率有一定困难，因此只有在生产运行期间借助阿尔门试片等工具验证并记录加工参数。当准确执行这些加工参数时，加工过程的变化超出可接受限度的风险就会减少到可忽略的程度。

参考文献：

[1]熊谛,王立强,徐小严.不同喷丸强度下镍铝青铜的表面喷丸强化效果[J].机械工程材料,2017,41(4):15-19.

[2]张建荣,程秀全,盛湘飞.喷丸工艺对7075铝合金表面粗糙度的影响[J].轻合金加工技术,2014,42(9):54-59.