超声喷丸范文（精选8篇）
超声喷丸 第1篇
超声波喷丸是近年来提出的一种新型金属板料成形和表面改性方法, 其基本原理是利用撞针或弹丸的高频 (20kHz) 撞击, 使板料发生塑性变形, 同时在喷丸区域呈现高密度位错和有益的残余压应力分布。超声波喷丸能获得更大的硬化层深度和最大压应力值, 同时具有容易实现自动化生产、成形工序简单等优势, 因此在航空、航天、汽车等工业领域具有广阔的应用前景[1]。然而, 超声波喷丸同时也会引起表面粗糙度的增大, 甚至造成一定程度的表面损伤, 这些因素对金属材料的表面质量和寿命有不利影响。
到目前为止, 超声波喷丸成形技术在实际生产中仍然没有得到广泛应用, 其中一个主要原因就是成形制件没有获得比较理想的表面完整性。国外学者对超声波喷丸的表面完整性进行了一定程度的研究, 也取得了一些研究成果:英国的An等[2]对AA2024-T351-T351超声波喷丸后的材料表层特性进行了研究;乌克兰的Mordyuk等[3]则对AISI 321超声波喷丸后的表面特性及微观组织演变进行了研究。
然而上述研究没有综合分析超声波喷丸过程参数对表面完整性的影响, 也没有很好的针对性。针对该问题, 本文以铝合金数控超声波喷丸成形制件为研究对象, 研究超声波喷丸过程参数对表面完整性的影响规律, 获得最佳的表面完整性, 这对于超声波喷丸成形应用于实际生产具有重要意义。
1 表面完整性
金属零件表面与外界直接接触, 在外界应力作用下会发生一系列的物理和化学反应, 而导致金属零件失效的磨损和腐蚀也绝大部分发生在材料的表面, 因此金属零件整体强度高低或疲劳性能的优劣与表面完整性有着较为密切的关系, 表面完整性的好坏是评定制造工艺是否先进的依据之一[4]。
表面完整性是指表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、残余应力场和表面层微观组织结构等内在表面状态的完好程度。通过表面完整性的改善可以提高金属材料的物理性能和机械性能[5], 而这些性能的提高要归因于材料组织的细化、表面层的硬化以及残余压应力场的引入。超声波喷丸能够在试样的表层引入剧烈的塑性变形使表层晶粒得以细化、微观应变增大, 位错密度增大, 从而使试样的硬度和屈服强度增大, 形成有利的残余压应力。而表面层的残余压应力场能够有效提高材料的疲劳强度[6]。因此, 较好的表面完整性有助于制件疲劳寿命、抗磨损和抗腐蚀性能的提高。
2 试验条件
2.1 试验设备
超声波喷丸成形采用由南京航空航天大学自主研制的数控超声波喷丸装置 (图1) 进行试验。
利用MVC-1000A1型显微硬度计对成形制件沿层深的显微硬度进行测量, 载荷选择200g, 载荷时间为15s;利用MSF-3M型XRD残余应力分析仪测定超声波喷丸成形后试样的残余应力和半高宽, 采用电解抛光的方法制备喷丸试样的不同深度表面, 以便测定喷丸试样残余应力沿深度的分布状况;利用DM2000型光学工具测量显微镜观察超声波喷丸前后试样的表面形态;利用TR101袖珍式表面粗糙度仪测定超声波喷丸前后试样的表面粗糙度Ra值。
2.2 试验材料
试验材料采用AA2024-T351-T351。室温20℃下该材料的力学性能如下:抗拉强度σb为470MPa, 屈服强度σ0.2为325MPa, 伸长率δ为10%, 显微硬度为170HV, 弹性模量E为68GPa, 密度ρ为2770kg/m3。热处理方式为固溶处理加自然时效处理。试样尺寸为200mm×50mm×1.5mm。
2.3 试验方法
数控超声波喷丸过程参数如下:电流强度0~2.5A, 撞针直径分别为2mm、3mm、5mm, 进给速度0~4000mm/min, 超声波喷丸成形轨迹间距分别为1mm、0.5mm、0.2mm、0.1mm。
按图2所示的成形轨迹, 采用控制变量法对铝合金板料进行数控超声波喷丸成形, 为保证试样在喷丸过程中能够充分变形且不发生移动, 要对试样的四周进行限制。通过试验得到的部分数控超声波喷丸成形制件如图3所示。以该成形制件为对象, 研究超声波喷丸过程参数对表面完整性的影响规律, 并得到最佳的表面完整性。
3 试验结果及分析
3.1 显微硬度
超声波喷丸可在作用区内产生几百到近千微米的硬化层, 在硬化层内, 硬度值随着深度的增大而减小, 直至母材的硬度。超声波喷丸使得材料硬度提高, 一般来说有三种机制: (1) 位错增殖; (2) 相变的产生; (3) 孪晶的生成。
图4所示为超声波喷丸成形制件显微硬度沿层深的变化, 从图中可以看出超声波喷丸使制件的显微硬度有明显的提高, 最大增幅为23%;制件表面产生了一定深度的硬化层, 深度约为300μm;显微硬度随着深度的增大而逐渐减小;成形轨迹间距和电流强度对显微硬度沿层深分布有很大的影响, 而撞针直径和进给速度对显微硬度的影响较小。
在其他条件不变的情况下, 显微硬度分布随着电流强度的增大而增大, 如图4a所示, 电流强度为2.4A时相对于1.2A时的显微硬度增大了3%;显微硬度分布随着成形轨迹间距的增大而急剧减小, 如图4b所示, 轨迹间距为1mm时相对于0.1mm时, 显微硬度降低了7.1%;显微硬度分布随撞针直径和进给速度的增大而略有降低, 如图4c、图4d所示;而制件的硬化深度则基本保持不变。表面层显微硬度的增大受制于材料的塑性变形程度, 塑性变形较大导致材料表面致密度增高, 位错密度增大, 冷作硬化效果更显著, 引起的硬度增加更明显。电流强度的增大, 使得瞬时的冲击力增大;而成形轨迹间距的减小, 使得单位面积上的冲击次数增多, 因而电流强度的增大和成形轨迹的减小使得材料的塑性变形程度就较高。但当电流强度增大到某一水平或成形轨迹间距减小到某一数值后, 对材料表层组织影响及在表面所引起的塑性变形已经趋于稳定, 此时增大电流强度或减小轨迹间距, 对材料表面层显微硬度的影响并不显著。
经上述的分析可以发现, 在较大的电流强度和进给速度、较小的撞针直径和成形轨迹间距下, 可以获得较大的显微硬度和较深的硬化深度。
3.2 残余应力
图5所示为超声波喷丸成形制件的残余应力分布, 从图中可以看出, 超声波喷丸能在制件内引入数值较高、分布呈现梯度形式的残余压应力场;不同喷丸参数下的表面残余应力值基本相同, 在-150~-180MPa之间;超声波喷丸引入了较深的残余应力分布, 残余应力的临界深度在500~650μm之间;在距离表面200μm左右处, 产生了最大残余压应力;喷丸成形轨迹间距和电流强度对残余应力场有很大影响, 而撞针直径和进给速度对残余应力场的影响较小。
在其他条件不变的情况下, 最大残余压应力和临界深度随着电流强度的增大而增大, 如图5a所示, 电流强度为2.4A时的最大残余压应力相对于1.2A时增大了近41.9%, 临界深度增大了近100μm;最大残余压应力和临界深度随着成形轨迹间距的增大而急剧减小, 如图5b所示, 轨迹间距为1mm相对于0.1mm时的最大残余压应力减小了32.7%, 临界深度减小了近200μm;最大残余压应力和临界深度随着进给速度和撞针直径的增大而略有减小, 如图5c、图5d所示, 因此, 在实际生产中可以选择较大的进给速度, 既可以保证引入较大的残余应力场, 又能够有效地节省加工时间。残余压应力场的分布对制件的疲劳寿命有着十分重要的影响, 引入的残余压应力越大, 试样的疲劳寿命越高。
从上述分析可知, 在较大电流强度和进给速度、较小成形轨迹间距下, 能够得到较大的残余压应力分布。
3.3 表面形貌
图6是母材和不同超声波喷丸过程参数下制件的表面形貌。从图中可以看出, 母材表面存在较多的加工纹理, 这些纹理主要是材料在轧制过程中产生的。而超声波喷丸处理后, 制件表面的加工纹理已经完全消失, 取而代之的则是一道道的犁沟。经对比发现:电流强度、进给速度和撞针直径对于犁沟的宽度和深度没有明显的影响, 而犁沟的宽度和深度则随着成形轨迹间距的增大而急剧增大, 如图6b~图6d所示, 这些犁沟主要是由于在超声波喷丸过程中撞针在材料表面的拖拽所致。对比图6b~图6d发现, 采用0.1mm的轨迹间距时制件表面的犁沟最窄, 表面形貌也最好。
3.4 表面粗糙度
图7所示为超声波喷丸过程参数对制件表面粗糙度Ra的影响。可以看到:超声波喷丸后制件的表面粗糙度均有所增大。在其他条件不变的情况下, 表面粗糙度随着电流强度的增大而增大, 电流强度增大导致撞针撞击时的速度和冲击力增大, 进而造成受冲击材料表面弹坑变深;表面粗糙度随着成形轨迹间距的增大而急剧增大, 在轨迹间距为1mm时, 表面粗糙度已经达到3.6μm, 如此之大的表面粗糙度会造成试样表面的应力集中, 对疲劳寿命造成不利的影响, 因此在实际加工中也不能采用较大的轨迹间距;随着撞针直径的增大, 表面粗糙度有一定程度的增大, 但变化不是很大。此外, 随着进给速度的增大, 表面粗糙度略有微量的增大。
因此, 通过上述的分析可以看出, 在较小的电流强度、撞针直径和轨迹间距, 较大的进给速度条件下可以保证材料获得较小的表面粗糙度。
3.5 半高宽
X射线衍射峰半高宽指的是衍射峰最大强度1/2处所占的角度范围。在仪器固定的情况下, 半高宽反映了材料冷作硬化程度、微观残余应力的大小以及晶体内部位错密度的高低[7]。
图8所示为半高宽随深度的变化趋势, 经试验对比发现:电流强度、进给速度和撞针直径对于半高宽没有明显的影响, 而半高宽随着成形轨迹间距的增大而急剧减小。与未喷丸试样相比, 超声波喷丸后试样的半高宽显著增大, 表面半高宽值随成形轨迹间距的减小而增大, 半高宽随深度增大而减小, 当深度超过125μm时, 半高宽基本不变。与残余压应力场深度 (500μm左右) 相比, 超声波喷丸对半高宽影响层深度要小很多。超声波喷丸促使半高宽变化的主要原因是冷作硬化程度上升以及位错增殖。半高宽数值的增大是冷作硬化的体现, 随着成形轨迹间距的减小, 循环塑性形变次数增加, 冷作硬化加剧。
3.6 最佳表面完整性
从上述显微硬度、残余应力场、表面形貌、表面粗糙度和半高宽的分析中可以看出, 成形轨迹间距对表面完整性有很大影响, 而且间距越小表面完整性越好;电流强度对表面完整性有双重影响, 电流的增大可以获得较大的显微硬度分布、残余应力分布和半高宽, 但也会造成粗糙度的增大, 在实际生产中应当慎重选择;撞针直径对表面完整性的影响较小, 但总体趋势是:直径越小, 表面完整性越好;进给速度对表面完整性的影响最小, 在实际生产中可以选择较大的进给速度。综合分析可得最佳的表面完整性条件为:撞针直径为2mm, 电流强度为1.6~2.0A, 进给速度为3000mm/min以上, 成形轨迹间距为0.1mm。
4 结论
(1) 超声波喷丸使试样产生了近300μm的硬化层, 同时使试样的显微硬度增大了近20%。
(2) 超声波喷丸能够在试样内引入数值较高、分布呈现梯度形式的残余压应力场;残余应力临界深度在500~650μm之间;喷丸后表面残余应力数值基本相同, 在-150~-180MPa之间;在200μm左右处产生了最大残余压应力。
(3) 喷丸后试样表面粗糙度增大, 在较小的电流强度、撞针直径和轨迹间距, 较大的进给速度条件下可以保证材料获得较低的表面粗糙度;试样的表面由轧制纹理变为由撞针在材料表面的拖拽形成的犁沟, 并且犁沟尺寸随着轨迹间距的增大而增大。
(4) 喷丸后表面层的半高宽数值增大, 深度在125μm左右, 表明喷丸后材料冷作硬化程度加大、晶体内部位错密度增大。
(5) 对表面完整性的影响由大到小排序为:成形轨迹间距, 电流强度, 撞针直径, 进给速度;在撞针直径为2mm, 电流强度为1.6~2.0A, 超声波喷丸成形轨迹间距为0.1mm时可以获得最佳的表面完整性。
摘要：采用试验方法对AA2024-T351进行数控超声波喷丸成形, 研究了超声波喷丸成形制件的显微硬度、残余应力场、表面形貌、表面粗糙度及半高宽等随超声波喷丸过程参数变化的规律, 定性地探讨了AA2024-T351超声波喷丸后表面完整性的改善状况。结果表明:超声波喷丸后, 制件的显微硬度得到了明显提高 (最大增幅为20%) , 同时在材料表面产生了一定厚度的硬化层 (深度约为300μm) ;制件内部引入数值较高、分布呈现梯度形式的残余压应力场, 残余压应力场的临界深度在500650μm之间, 在距表面200μm处产生了最大残余压应力;制件表面形成一道道犁沟, 表面喷丸区域的粗糙度Ra有一定程度的增大;制件表面层的半高宽值变大, 深度在125μm左右, 半高宽的增大表明材料冷作硬化程度加大、晶体内部位错密度有一定程度的增大。显微硬度的提高、残余压应力场的引入及表面层组织的细化有助于喷丸成形制件疲劳寿命、抗磨损和抗腐蚀性能的提高。
关键词：超声波喷丸,表面完整性,残余应力,显微硬度
参考文献
[1]高琳.高能超声波喷丸板料成形技术研究[D].南京:南京航空航天大学, 2012.
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[3]Mordyuk B N, Prokopenko G I.Effect of Structure Evolution Induced by Ultrasonic Peening on the Corrosion Behavior of AISI-321Stainless Steel[J].Materials Science and Engineering A, 2007, 458:253-261.
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[6]Zhang Xiaohua, Liu Daoxin.Effect of Shot Peening on Fretting Fatigue of Ti811 Alloy at Elevated Temperature[J].International Journal of Fatigue, 2009, 31 (5) :889-893.
气动条带式喷丸成形技术 第2篇
提出气动条带式喷丸成形方法成形大型复杂型面机翼壁板,根据壁板外形曲面曲率和厚度分布,采用“整体分条,单条分区”的方法对壁板进行条带式喷丸成形.通过基础试验确定了壁板喷丸工艺参数,利用特征优化映射方法获得了壁板板坯几何模型,采用预应力方法提高了条带喷丸成形变形量.上述技术均在AFJ21大型超临界机翼壁板上获得了工程应用.
作 者：杨永红 张贤杰 王俊彪 许春林 乔明杰 作者单位：杨永红,张贤杰,王俊彪(西北工业大学)
许春林,乔明杰(西安飞机工业(集团)有限责任公司)
喷丸房喷丸故障分析 第3篇
关键词：喷丸,故障,分析
喷丸房是用于较大机械零件表面处理的常见设备, 一般由丸粒循环输送系统、喷丸系统、房体、通风除尘装置、电控系统构成。最常见的故障是喷枪无法正常喷丸, 故障问题一般集中在喷丸、丸粒循环输送和防水系统上。
一、喷丸系统
喷丸系统采用压缩空气为动力, 将直径0.8～1.2mm的钢丸喷射到待处理工件表面。喷丸系统由空气压缩机、储气罐、干燥机、喷丸罐、气路控制系统构成, 压缩空气流向原理见图1。
1. 压力开关异常与系统漏气
系统中如压缩空气无法正常流通或无法达到规定的压力, 喷丸罐中的钢丸会堵塞丸阀, 都造成无法出丸。首先是空压机问题, 喷丸房所用空压机为中小型螺杆空压机, 空压机自带的气罐上有压力开关, 当达到设定压力 (0.8MPa) 时, 压力开关发出信号使空压机停止工作, 低于0.6MPa时, 压缩机开始工作。实际工作中会出现压缩空气压力降到0.4MPa的现象, 这是由于运转过程中, 空压机的振动使压力传感器元件的弹簧松动所致。通过调整该压力开关, 可使空压机恢复正常压力。空压机及相关系管路漏气, 系统压力无法达到规定值, 也可导致无法喷丸。
2. 压缩空气含水较多
压缩空气含水量较多, 如直接使用会造成钢丸粘连堵塞喷丸阀。储气罐要每天放水一次, 以避免罐内水分较多而使干燥机无法对压缩空气进行彻底干燥的问题。喷丸阀堵塞后, 需要拆卸喷丸阀将钢丸清理, 如遇下雨天气, 空气含水较严重时, 则需要将喷丸罐内的钢丸全部放出后晒干再装回。
经过干燥机的压缩空气分三路, 一路为主气源到气动球阀的主回路上, 另两路为控制气源接到气动换向电磁阀上用于控制气动球阀和喷丸阀开启。电磁阀出现无法换向情况时, 必然导致球阀和喷丸阀无法正常开启, 一般情况下, 都是电磁阀线圈或阀芯内有杂质卡死了阀芯, 导致无法换向, 更换电磁阀线圈或清理阀芯可解决此问题。
二、丸粒循环输送系统常见故障
钢丸经过喷枪喷射到工件表面后, 通过喷丸房底部铺设的筛网落入房体下的螺旋输送装置中。螺旋输送装置有减速机带动链条驱动, 将钢丸输送到提升系统。提升系统再将钢丸提升到过滤罐中, 过滤罐对钢丸进行初次过滤, 把钢丸中的杂质滤除。过滤罐底部有一个气动控制门, 当系统工作时门打开, 钢丸依靠重力流入喷丸罐内到达喷丸阀处, 喷丸阀以压缩空气为动力将钢丸输送至喷枪喷射出去。钢丸循环输送系统流程图见图2。实际工作中, 会出现钢丸不能及时补充的情况。
1. 螺旋输送系统和提升系统故障
可检查减速机是否无法正常运转, 如果减速机异常, 一般是由于保养不善, 未及时更换润滑油导致减速机故障;驱动电机供电短路导致缺相烧毁, 此问题主要由于输送电机和提升电机均处于地下比较潮湿环境所致。其次是螺旋输送机和提升块较大面积磨损, 无法起到输送钢丸的作用。预防以上故障, 需要维修人员主动巡检、定期保养、积极维修。
2. 过滤罐气动门和喷丸阀故障
由于气缸频繁动作, 气缸与门连接处的螺栓容易断裂, 无法打开过滤罐门将钢丸输送到喷丸罐中。其次是气动系统故障导致气缸无法动作, 其中包括气动换向电磁阀故障, 气缸密封元件失效, 系统漏气和堵塞等问题。实际工作中, 电磁阀导致的故障较多, 喷丸阀处的故障一般是钢丸板结成块造成出丸口堵塞。此问题主要是环境潮湿导致, 雨天比晴天出现此故障概率要大很多。
三、防水系统
喷丸房地基施工时, 就要对地基进行防水处理, 以免钢丸板结无法出丸。建地基时, 应使用防水涂层材料覆盖地基的所有表面。选址建址时, 要尽量避开铺在地表下的水管路。由于风机、除尘和空压机系统在厂房外, 需要搭建雨棚。如遇无法避免地基渗水的情况出现, 需要在地基处安放潜水泵。
混合水射流喷丸强化技术 第4篇
关键词：混合水射流,喷丸,残余压应力,疲劳
引言
喷丸强化是一种有效提高金属零部件疲劳寿命的冷加工工艺,它具有效果好、成本低、生产效率高等优点,目前,广泛应用于机械、化工、冶金、航空航天等领域。随着工业的快速发展,对性能好和表面质量要求高的金属零件的需求日益增多,由此催生了一些有别于传统喷丸强化的表面强化新技术,如激光喷丸强化、微粒喷丸强化、超声喷丸强化、双面喷丸强化和水射流喷丸强化等。其中,水射流喷丸强化是在20世纪80年代末由Zafred[1]首先提出的,因其具有受喷材料表面粗糙度值增加小、喷丸强度范围宽、覆盖率高、喷丸灵活、控制方便、无尘、安全绿色环保等优点而得到了快速发展。
混合水射流喷丸强化是水射流喷丸强化技术的延拓与发展,是近期在水射流喷丸强化技术基础上发展起来的又一种喷丸强化新工艺,它具有喷丸强度高、喷丸压力低、强化效果好等优点,因此,混合水射流喷丸强化技术是喷丸强化技术发展的新方向之一。
1 混合水射流喷丸强化原理及装置
混合水射流喷丸强化基本原理就是在高压水中加入弹丸粒子,使其与携带巨大能量的高压水混合,形成混合水射流高能流束喷射到零件表面上,利用混合水射流中弹丸的冲击作用使零件表层材料产生塑性变形,从而引入残余压应力,达到提高零件疲劳寿命的目的。
混合水射流根据弹丸粒子加入方式的不同,可分为后混合水射流和前混合水射流。后混合水射流主要是根据传统的引射泵原理设计的,即弹丸粒子在负压或正压作用下,直接被“抽吸”入混合室与高压水混合后通过喷嘴喷出形成射流。前混合水射流是弹丸粒子先与高压水在储丸中混合,然后再经高压输送管进一步混合,最后经喷嘴喷出形成射流。
根据混合水射流形式不同,混合水射流喷丸强化装置分为后混合水射流喷丸强化装置和前混合水射流喷丸强化装置,通常均由供水系统、供压系统、供丸系统、控制系统和工作台等几部分组成。
典型的后混合水射流喷丸强化装置如图1所示。其工作过程为:水箱1中水经过滤器2进行粗、精过滤,达到使用要求后,由增压泵3中的前置泵吸入,经过增压泵3增压至工作压力,并输送到喷头的水喷嘴15内,经水喷嘴进入混合室16内。供丸系统采用干式供丸,预先向贮丸箱13中注入弹丸,待注满后,打开气阀10和11,开启弹丸阀12,同时启动空气压缩机7,压缩空气经油水分离器8,将压缩空气中凝聚的水分和油分等杂质分离清除,使压缩空气得到净化。压缩空气由高频开关阀9控制,通过控制开关频率来调整供气次数,从而控制弹丸的供给量。弹丸经弹丸阀12由压缩空气送入混合室16内,并与水喷嘴15喷射出的水射流在混合室16内发生剧烈掺混合能量交换后,经弹丸喷嘴17喷向零件18表面。喷丸后的水和弹丸由收集箱19进行收集,同时,为保证供丸的连续性,要定期向贮丸箱13中补充新弹丸。上述工作过程均由控制柜20来控制,其中控制柜(a)控制喷头和回转装置的运动,控制柜(b)控制供丸系统,控制柜(c)控制供水系统和供压系统。
图2为典型的前混合水射流喷丸强化装置图[2]。其工作过程为:由高压泵2来的高压水分为两股,第一股高压水经水阀8和高压管进入供丸室11,形成向下的螺旋流,同时,通过弹丸粒子间的缝隙向上做渗流运动,弹丸在自重和螺旋流的作用下经供丸器流入混合室13,然后经浆料阀14向下流动;第二股高压水经水阀9通到浆料阀14下端,与流入的弹丸在高压管内均匀混合流向喷嘴,经喷嘴加速后以近于水射流的速度喷射到金属零件表面。
后混水射流喷丸强化装置弹丸供给均匀、能实现精确、连续供丸、易调节,但由于弹丸与水混合时间短,速度相差较大,弹丸难以进入水射流中心,射流冲蚀能力较弱,影响了其喷丸强化的质量和效率。前混合水射流喷丸强化改善了弹丸和水的混合效果,绝大多数弹丸能够进入水射流中心部位,弹丸和水的混合更加均匀,可以获得较高的喷丸速度,达到良好的喷丸效果,但弹丸流量的精确控制目前还没有得到有效解决。
2 混合水射流喷丸强化效果
2.1 喷丸对残余压应力的影响
前后混合水射流喷丸均可以有效增大金属材料表层的残余压应力。
采用后混合水射流对AISI 304不锈钢进行喷丸,当第1组喷丸参数:靶距为152mm、压力为103MPa、速度为1.02m/min、弹丸粒度为120#,当第2组喷丸参数:靶距为203mm、压力为262MPa、速度为1.02m/min、弹丸粒度为80#,当第3组喷丸参数:靶距为254mm、压力为172MPa、速度为1.02m/min、弹丸粒度为54#,当第4组喷丸参数:靶距为254mm、
压力为262MPa、速度为1.02m/min、弹丸粒度为80#时,产生的喷丸表面残余压应力分别为203MPa、461MPa、424MPa和463MPa,由以上可知最大残余压应力是在第4组喷丸参数时获得,最大值为463MPa。同时,弹丸尺寸和射流压力是影响残余应力最主要的参数,其影响分别超过25%和15%[3]。
采用前混合水射流分别对2Al1铝合金和45钢进行,均会产生较大的残余压应力,当对2Al1铝合金的喷丸压力分别为1MPa和4MPa时,喷丸产生的残余压应力分别为-132.7MPa和-109.2MPa,当对45钢的喷丸压力分别为4MPa和8MPa时,喷丸产生的残余压应力分别为-422.4MPa和-407.2MPa[4]。
2.2 喷丸对疲劳寿命的影响
前后混合水射流喷丸可以有效提高金属材料的疲劳寿命。
采用后混合水射流对AISI 304不锈钢和TiAl4V钛合金进行喷丸,当喷丸压力为262MPa、靶距为203mm、弹丸粒度为54#时,Ti6Al4V钛合金的疲劳强度增加了25%。
采用前混合水射流对2Al1和45钢疲劳试样进行喷丸,然后进行疲劳试验,对于2Al1铝合金,当应力振幅由190.3MPa减小到155.7MPa,试样疲劳寿命由未喷丸的9.324×104次和2.857×105次相应提高到1.001×106次和7.230×106次,分别增大了10.74倍和25.31倍;对于45钢,应力振幅由352.5MPa减小到282MPa,喷丸试样由未喷丸的4.794×104次和1.888×105次相应提高到1.202×105次和3.503×106次,分别增大了2.51倍和18.56倍。且喷丸前疲劳裂纹萌生于试样表面,喷丸后,疲劳裂纹有的萌生于试样内部,有的萌生于试样表面。
3 结语
(1)混合水射流喷丸强化是高压水射流技术的延拓和发展,具有喷丸强度高、强化效果好、对喷丸装置抗压性要求低、安全绿色环保等优点;
(2)混合水射流喷丸强化装置通常由供水系统、供压系统、供丸系统、控制系统和工作台等几部分组成。
(3)前后混合水射流喷丸强化均可以有效提高金属材料表层的残余压应力和提高金属材料的疲劳寿命。
参考文献
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后混合水射流喷丸强化装置设计 第5篇
关键词：水射流,喷丸强化,工件定位
1 引言
喷丸强化是提高金属零部件疲劳性能最有效的方法。后混合水射流喷丸强化是高压水射流技术的一个重要分支,是1980年代末问世的一项湿法喷丸强化新技术[1]。其强化原理是:由高压泵产生的高压水,通过喷头的水喷嘴喷出形成高压水射流,弹丸由供丸装置送入混合室,与高压水射流在混合室内发生剧烈掺混和动量交换,最后经弹丸喷嘴喷出,形成弹丸射流并喷射到金属零部件表面上,使零部件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变(冷作硬化层),呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力分布(应力强化),从而达到提高零部件周期疲劳强度和抗应力腐蚀能力的目的[2,3,4,5,6]。它开辟了后混合水射流新的应用领域,并使传统的喷丸强化技术增添了新的技术优势,且喷丸强化效果显著[7,8]。然而经检索目前并无专门用于实际工业生产的后混合水射流喷丸强化装置,大大制约着科研工作者对后混合水射流喷丸强化技术的深入研究及工业推广,因此研制适用于工业生产实际的成本低、喷丸效果好、安全可靠、使用方便、经济环保的后混合水射流喷丸强化装置具有较大的经济意义和重要的应用价值。
2 系统设计
后混合水射流喷丸强化装置主要由供水系统、供压系统、供丸系统及控制系统组成。
(1)供水系统
对于后混合水射流喷丸强化装置而言,水是动能传递的载体。供水系统对喷丸强化装置用水进行水质软化处理,使水的pH值达到6～8,并对水的pH值进行监测,必要时加入清洗剂、防锈剂等添加剂,并采用具有粗、精双重过滤的过滤器进行过滤,确保滤去水中粒径大于0.45μm的尘埃、微粒、矿物质沉淀物等,以减轻对过流部件的腐蚀和磨损,延长各过流部件的使用寿命。
(2)供压系统
供压系统是整个喷丸强化装置的动力源,是将原动机的能量转换为水的压力能输出,为水射流喷丸强化装置的正常工作提供动力的系统,因此其输出压力范围、供压稳定性及脉动量均影响着喷丸压力和强化效果。供压系统采用前置泵和增压泵,前置泵将水箱中的水经过滤器输送至增压泵内,由增压泵加压至工作压力。设计中装置压力为:0～380MPa,脉动量控制在5%之内,增压装置采用卧式双作用柱塞增压泵,不均匀系数为13%。并安装压力检测装置,将检测到的压力显示在压力表上,以便操作人员对工作压力进行监控和调节,满足喷丸所需的工作压力。
(3)供丸系统
在进行后混合水射流喷丸强化时,需向喷头的混合室内均匀、连续、精确地供给弹丸,因此要求其工作可靠、不堵塞以及定量供丸、连续供丸。设计中采用以压缩空气为动力、可以实现大流量供给的干丸供给系统。该系统由空气压缩机、油水分离器、气阀、贮丸罐、弹丸阀、供丸管等组成,如图1所示。其中油水分离器是分离压缩空气中凝聚的油分和水分等杂质的装置,使压缩空气得到净化,减少空气、弹丸混合流的含水量;贮丸罐为倒锥形,可以保证弹丸供给通畅、不易堵塞;气阀控制空气流量;弹丸阀控制弹丸流量。
1.空气压缩机2.油水分离器3,8.气阀4.罐盖5.贮丸罐6.弹丸阀7.供丸管
(4)控制系统
控制系统是控制水射流喷丸强化装置中各轴的运动以及供水系统、供压系统、供丸系统的工作,并控制喷丸强化过程中各个参数,以实现对金属零部件的精确喷丸,使其得到预期的强化效果。
设计中考虑对回转工件的喷丸强化,机床具有X、Y、Z轴以及绕工件转动的回转轴,因此其控制系统应具备四轴三联动的功能,并可实现对供水系统、供压系统及供丸系统的精确控制。综合考虑上述要求及性价比等,设计中采用国产华兴WA-320W型数控系统作为后混合水射流喷丸强化装置的控制系统。
3 结构设计
(1)工作台
工作台是后混合水射流喷丸强化装置的主体部分,设计中工作台采用具有喷丸效率高、跨距大、刚度高的喷头运动式龙门结构。整体结构主要由左右龙门架与横梁、工作台面与回转机构、动力元件、传动系统、防护罩及工件定位装置等几部分组成。整个工作台具有X、Y、Z轴以及绕工件转动的回转轴B轴,可实现四轴三联动,如图2所示。
由于喷头上的弹丸喷嘴为脆性材料制成,不能与受喷工件发生直接接触,因此不易对正起喷位置,所以容易导致实际喷丸位置与理论喷丸位置存在误差。为减小或消除这种误差、实现喷丸效果,本文首次设计了能够应用于工业生产的激光工件定位装置,如图3所示,主要由激光探头、探头座、导轨和锁紧装置等组成。其工作原理是当受喷工件安装并固定在工作台面后,沿导轨4分别移动X向和Y向上的探头座2,使激光探头1发出的扇面形激光束对准起喷位置,然后控制喷头移到两激光束所相交的位置,当两个激光探头发出的扇面形激光完全被喷头遮住时便完成了工件的定位。
1.激光探头2.探头座3.锁紧螺钉4.导轨5.工作台6.扇面三形激光束7.相交线
(2)喷头
喷头是水射流喷丸强化装置中重要的组成部分,其性能优劣和使用寿命的长短直接影响着喷丸强化的效果和经济效益。后混合水射流喷丸喷头主要由水喷嘴、混合室和弹丸喷嘴三部分组成。综合考虑能量传输效率、射流密集性及加工难易性等因素,将喷头设计成单射流侧进式结构,如图4所示。其基本工作原理是,高压水通过中间管路经水喷嘴1喷出高压水射流,弹丸由空气压缩机为动力源的供丸系统送至喷头的混合室2内,并在混合室内与水射流掺混和能量交换,经弹丸喷嘴4喷出,形成弹丸射流。
1.水喷嘴2.混合室3.锁紧螺母4.弹丸喷嘴
水喷嘴是高压水的压能转变为动能的唯一零件,考虑能量传输效率、耐磨性、加工难易性及使用成本等因素,将水喷嘴设计成圆锥收敛形,采用人造红宝石制成,如图5所示,其中收敛角α=13°、d=0.33mm、l=0.8mm、L=2mm、D=2mm。
弹丸喷嘴的结构形式与水喷嘴结构相近,并适当加长了圆柱段的长度。弹丸喷嘴直径过小,不仅磨损严重,而且还会影响混合室内的真空度,严重时甚至被弹丸堵塞;弹丸喷嘴直径过大,射流扩散严重,而且还有可能造成空气由弹丸喷嘴流入混合室,破坏混合室内的真空度,影响弹丸与水射流的混合效果,进一步加剧弹丸射流扩散。设计中采用碳化钨硬质合金作为弹丸喷嘴材料,弹丸喷嘴长度为77.5mm,弹丸喷嘴直径为0.8mm。
4 结语
本文在满足安全可靠、使用方便、经济环保等要求的基础上,设计了可对板类、轴类及曲面类金属零部件实现全覆盖率喷丸强化的后混合水射流喷丸强化装置。供水系统采用具有粗、精双重过滤的过滤器对后混合水射流喷丸用水进行过滤并检测其pH值;供压系统采用卧式双作用柱塞增压泵为增压装置,并安装压力检测装置检测工作压力;供丸系统采用以压缩空气为动力的干丸供给系统,实现了工作可靠、供丸均匀、不堵塞、定量供丸和连续供应弹丸;控制系统采用可实现四轴三联动的华兴WA-320W型数控系统;工作台设计为喷头运动式的龙门结构,具有X、Y、Z轴和绕工件转动的回转轴4个基本坐标轴,并首次设计了可提高工件定位精度的激光工件定位装置;喷头为结构简单、体积小、易于加工、射流稳定性较高的单射流侧进式喷头,水喷嘴采用由人造红宝石加工成的圆锥收敛形结构,收敛角为13°,弹丸喷嘴采用具有高硬度和耐磨性的碳化钨硬质合金制成,长度为77.5mm,直径为0.8mm。
参考文献
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喷丸强化对齿轮传动特性的影响 第6篇
1 齿轮对比试验
本试验在功率流封闭式齿轮疲劳试验台上, 采用快速齿轮疲劳试验方法, 即罗卡提 (Locati) [2]方法, 对相同材料的未喷丸齿轮和喷丸强化齿轮进行接触疲劳试验。试验过程中, 采用时域与频域综合方式, 全程实时监测扭矩、转速、振动、噪声、油温等变化情况, 对齿轮传动状态进行跟踪, 并采集相应的数据。
1) 试验齿轮为标准渐开线直齿圆柱齿轮, 齿轮材料为20Cr Mn Ti合金锻钢;模数m=3;齿数Z1=Z2=50;压力角α=20°;齿宽b=29 mm;工作齿宽bH=8~10 mm;啮合中心距a=150 mm;01号~10号试验齿轮都经过表面渗碳淬火处理, 有效硬化层深度为0.7~1.0 mm, 其中编号为01号、05号、06号和08号的试验齿轮为未进行表面喷丸强化, 02号、07号、09号和10号试验齿轮经过喷丸强化处理;齿面硬度为58HRC~64HRC;精度等级为6级。
2) 试验装置。一是试验台及传感器:试验是在太原理工大学齿轮研究所的电功率流封闭式齿轮试验台上完成。试验时改变输入转速和负载, 可获得不同转速和负载工况下齿轮箱的动态数据。转矩转速传感器在线监测齿轮的转速和扭矩;压电式IEPE传感器 (1号~8号) 、噪声传感器 (9号~10号) 、温度传感器 (11号) 和信号采集仪等为动态特性测试采集数据。齿轮箱及传感器布置情况见图1。二是试验齿轮的安装:试验齿轮齿宽29 mm, 试验采用图2所示的正反面交错搭接啮合方式。试验齿轮实际接触齿宽8~10 mm。
3) 试验载荷。据齿轮接触应力、弯曲应力公式及相关试验资料确定试验载荷σH为1 400 MPa, 1 500 MPa, 1 600 MPa, 1 700 MPa, 1 800 MPa, 1 900 MPa, 2 000 MPa, 2 100 MPa, 2 200 MPa, 2 300 MPa, 共十级, 在各级试验载荷下, 齿轮转速均为1 200 r/min。
4) 疲劳点蚀程度失效判据。一是本次试验以任一齿面的点蚀面积率达到4%作为接触疲劳失效依据。二是弯曲疲劳失效判据[3]:试验过程中, 载荷或频率突然下降5%~10%, 便停机检查, 只要试验齿轮齿根处出现可见疲劳裂纹或轮齿发生断裂, 则判定该齿轮发生弯曲疲劳失效, 立即停止试验。
5) 试验方法。疲劳试验之前, 首先对装配好的齿轮进行跑合。跑合载荷分空载、150 N·m, 300 N·m三种, 对应转速与运转时间为600 r/min, 30 min;800 r/min, 60 min;800 r/min, 60 min。
疲劳试验分为三组, 1号轮、5号轮与7号轮、10号轮为第一组;6号轮、8号轮与7'号轮10'号轮为第二组;6'号轮1'号轮与2号轮、9号轮为第三组。每一组试验齿轮都含一副喷丸强化齿轮及一副未喷丸齿轮, 同一组齿轮试验载荷及工况条件完全相同。不同组之间, 试验载荷及工况条件不完全相同。
2 试验结果与分析
1) 疲劳强度对比。三组试验齿轮接触疲劳极限值对比见表1;弯曲疲劳极限值对比见表2。通过表1、表2可知:未喷丸齿轮和喷丸齿轮的接触疲劳强度平均值分别1 589 MPa和1 814 MPa, 弯曲疲劳强度平均值分别为642 MPa和818 MPa。喷丸强化工艺能有效提高齿轮疲劳强度。
(MPa)
2) 振动信号RMS分析。在机械工程测试中,
(MPa)
对随机信号进行时域分析, 可以快速分析系统的瞬态和稳态性能。均方根幅值 (RMS) 是时域分析中经常用到的幅值参数, 其计算公式为
本文以均方根幅值作为统计特征值, 描述齿轮传动过程中产生的振动。图3与图4为不同载荷下1号和7号传感器振动信号RMS值随转矩的变化曲线, 分析可知, 1号和7号传感器振动RMS值随着载荷的增加而增大。在相同载荷下, 喷丸齿轮1号传感器振动RMS值高于未喷丸齿轮, 随着载荷的增加, 差距愈加明显;对于7号传感器, 喷丸齿轮和未喷丸齿轮在轴向振动RMS值相差不大, 反而未喷丸的RMS值比喷丸处理的略大。这是因为对齿轮进行喷丸强化时, 会使轮齿发生塑性变形, 齿面粗糙度增大, 从而引起径向振动RMS值变大。试验齿轮为直齿轮, 正常啮合情况对轴向振动RMS值影响不大, 但本次试验齿轮为错齿啮合, 齿轮在加载运转时发生变形会向轴向两端挤压, 未喷丸齿轮轮齿硬度较小, 变形较大, 轴向挤压更加严重, 与喷丸齿轮相比, 其轴向振动RMS值较大。
3 结论
通过试验获得未喷丸齿轮和喷丸齿轮的接触疲劳强度平均值分别1 589 MPa和1 814 MPa, 喷丸强化可使齿轮的接触疲劳强度提高14.16%。通过试验获得未喷丸齿轮和喷丸齿轮的弯曲疲劳强度平均值分别为642 MPa和818 MPa, 喷丸强化可使齿轮的弯曲疲劳强度提高27.42%。由于喷丸过程中弹丸对齿轮表面的高速撞击, 使轮齿发生塑性变形, 齿面粗糙度增大, 传动过程中振动增大。
摘要：在功率流封闭式齿轮疲劳试验台上, 对喷丸强化20Cr Mn Ti渗碳淬火齿轮进行疲劳对比试验。为进一步探索喷丸强化工艺对齿轮的抗疲劳特性及动态特性的影响, 采用了分组、改变工况条件等试验方法。试验结果表明, 喷丸强化能显著提高齿轮的疲劳强度, 其接触疲劳强度可提升14.6%, 弯曲疲劳强度提升27.42%;但通过对振动数据分析, 发现喷丸强化对齿轮的动态性能有不良影响, 喷丸强化使齿轮在传动过程中振动增大。
关键词：齿轮,喷丸强化,疲劳强度,动态特性
参考文献
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超声喷丸 第7篇
为满足不断提高的安全性要求, 现代客运列车需要采用辗钢车轮。这些辗钢轮按规定的行业标准喷丸, 以改善其滚动应力下的抗疲劳断裂性能。喷丸可以延长轮子的服役寿命。Standard Steel公司已有2台带式喷丸机, 并于2004年着手考虑其替代设备, 因其需要更现代的维护友好性系统来提升其日常生产工艺, 尤其是要更新那些老式的喷丸装置。
在分析了需求并与带式喷丸机的技术人员和工程师达成一致意见后, 鉴于现有设备的结构基础, Standard Steel公司选择了1台新的两轮喷丸机。2007年, 在应对大量需求以提高其生产量时, Standard Steel公司又定购了1台同样的设备。
用叉车将辗钢轮放到倾斜式进口传送带上, 操作员手动控制打开喷丸箱, 将辗钢轮对垂直放好, 并在两个喷轮前旋转45～50 s, EzeFit喷轮从两侧同时喷出S660硬化钢丸。一个喷丸循环结束后, 出口门打开, 辗钢轮被推到出口传送带上。同样, 操作员用叉车在出口叉取喷丸后的轮对, 并将其放置到检测台上 (见图1) 。
开行多班轮换制后, 喷丸机的生产能力大约为每小时60个辗钢车轮。
Standard Steel公司的项目经理Jeffrey Richardson先生说:“这2台设备不但明显降低了维修费用, 还减少了检修停工期, 并能轻易地提高约30%的车轮生产率。”为满足顾客对零件表面处理的要求, 这2台机器必将继续为锻造厂的日常生产做出重要贡献。
超声喷丸 第8篇
铝合金由于密度小且强度高在航空工业得到了广泛应用, 如Al-Cu-Mg铝合金具有较高强度和断裂韧性, 以及良好的抗疲劳性能, 一直用于制造飞机蒙皮等。但该系列铝合金对局部腐蚀十分敏感, 容易发生点蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀、应力腐蚀等, 从而对铝合金结构的安全造成隐患。而飞机在停放时, 机翼蒙皮受到自身重力作用, 如果同时处于盐雾、湿气或其他腐蚀性环境中, 容易发生应力腐蚀。
喷丸对铝合金表面层的影响主要包括细化表层晶粒, 在表层引入残余压应力和增大表面粗糙度等。晶粒细化和残余压应力是提高应力腐蚀抗性的有利因素[1,2,3], 而粗糙度增大则会降低材料的应力腐蚀抗性。晶粒细化程度、残余压应力的深度与数值及粗糙度均随着喷丸强度的升高而增大。如何协调有利因素和不利因素以达到有效改善2024铝合金应力腐蚀抗性的目的, 需要对喷丸工艺进行优化。本文研究了2024铝合金在3.5%Na Cl+0.5%H2O2中的应力腐蚀行为, 以及三种强度喷丸处理对其应力腐蚀行为的影响, 拟为其工程应用提供参考。
2 试验
试验用2024铝合金为2 mm厚的板材, 成分为Cu 3.8~4.9, Mg 1.2~1.8, Mn 0.3~0.9, Fe 0.59, Si 0.5, Ti<0.2, 余量Al。热处理状态为490℃固溶处理后自然时效。
应力腐蚀试样形状及尺寸如图1所示, 试样的受力方向沿着板材的轧制方向。试样加工成形后用水砂纸将各面打磨到1200#。喷丸处理采用玻璃丸 (直径0.20~0.25 mm) , 试样共有4种表面状态, 其表面处理和编号分别为:机械打磨 (BM) , 强度0.12mm N覆盖率100%喷丸 (SP 1) , 强度0.18mm N覆盖率100%喷丸 (SP 2) , 强度0.28 mm N覆盖率100%喷丸 (SP 3) 。
3 试验结果
3.1 2024铝合金的应力腐蚀行为
图2为2024铝合金应力腐蚀试验后的表面扫描电镜照片, 可以看到试样发生了严重的腐蚀, 表面完全被较厚的腐蚀产物覆盖。对断口进行扫描电镜观察, 发现腐蚀已穿入到材料内部, 发生腐蚀的材料丧失了力学性能, 随着腐蚀发展, 试样有效承载面积逐渐减小, 最终有效承载部分所受应力超过其抗拉强度, 试样发生断裂。
3.2 喷丸对应力腐蚀影响
图3为各表面状态试样的应力腐蚀寿命, 未喷丸试样的平均寿命为13天;较低强度喷丸 (0.12mm N) 试样的寿命相比基材的应力腐蚀寿命略有提高;适中强度喷丸 (0.18mm N) 试样的应力腐蚀寿命有明显提高, 较基材提高42%;过高强度喷丸 (0.28mm N) 试样的应力腐蚀寿命反而低于基材, 较基材降低36%。为探索各强度喷丸对2024铝合金应力腐蚀寿命的影响原因, 对试样的表面状态进行了表征。
图4为基材和0.12mm N强度喷丸试样的表面XRD衍射图, 喷丸试样的衍射峰出现了明显的宽化和偏移。衍射峰的宽化表明喷丸使得铝合金表面发生了加工硬化和晶粒细化[4];衍射峰的偏移是由于残余应力的引入。图5为各试样显微硬度沿层深分布, 喷丸影响层的硬度变化和深度均随着喷丸强度的升高而增大。
对各强度喷丸试样表面的残余应力进行了测量 (图6) , 发现喷丸使铝合金表面产生残余压应力, 而且压应力的数值随着喷丸强度的提高而增大。粗糙度是影响腐蚀性能的重要因素, 随着喷丸强度的升高, 表面粗糙度也逐渐增大。
4 讨论
喷丸对铝合金表面的影响主要有以下三个方面[5]:表层晶粒细化、引入残余压应力和表面粗糙度增加。由于其他合金元素的存在, 铝合金表面存在与基体性质有差异的晶界和第二相等, 使得铝合金表面的钝化能力和钝化膜的耐蚀性均比纯铝差, 晶界和第二相等部位钝化膜更容易破坏, 从而引起点蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀。喷丸引起的晶粒细化使铝合金表面的晶界和晶内的比例增加, 组织更均匀, 使局部腐蚀得到缓解, 腐蚀趋向均匀化, 降低了腐蚀影响深度喷丸引入的残余压应力能够抵消铝合金表面部分外加应力和晶界腐蚀产物产生的外推力[1], 降低裂纹尖端的应力强度因子, 抑制腐蚀裂纹的产生和扩展。喷丸的强度越大, 晶粒细化的程度与残余压应力的深度和数值越大, 但粗糙度随之增大。表面粗糙度的增加会增大铝合金与腐蚀介质接触的实际面积, 使均匀腐蚀速率增加。而且喷丸强度越大, 引起的表面的损伤性破坏 (如开裂和叠层等) 也越严重, 在受到应力腐蚀时, 容易从损伤处发生局部腐蚀或萌生裂纹。所以采用喷丸处理来提高2024铝合金应力腐蚀性能时, 需要采用合适喷丸参数。较低强度 (SP:0.12 mm N) 喷丸引起的表面的损伤小但表面残余压应力较小, 晶粒细化层深度较浅, 对铝合金应力腐蚀性能改善效果不佳;过高强度 (SP:0.28 mm N) 喷丸, 尽管引入了较大的表面残余压应力和造成了较深的强化层, 但导致的表面损伤程度较大, 反而降低了铝合金的应力腐蚀抗性;只有采取适中强度 (SP0.18 mm N) 的喷丸处理, 表面引入较大的残余压应力和造成适中的强化层深度, 且喷丸导致的表面损伤程度较低, 才能使2024铝合金的应力腐蚀抗性得到最有效的改善。
5 结论
5.1 2024在3%Na Cl+0.5%H2O2溶液中具有应力腐蚀敏感性, 应力和腐蚀介质的协同作用会增大2024的腐蚀深度。
5.2采用喷丸处理来提高2024铝合金的应力腐蚀抗性时, 需要采用合适的喷丸参数, 喷丸强度过低则效果不佳, 喷丸强度太高反而会降低其应力腐蚀寿命, 只有合适强度的喷丸才能达到最佳效果。
参考文献
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