噴丸對(duì)材料表面有何影響

一、試驗(yàn)用材料試驗(yàn)選用2A14鋁合金桶形零件，其材料強(qiáng)度較高，熱強(qiáng)性好，具有良好的可切削性，電焊和焊縫性能良好，其具體成分如表1所示。表12A14鋁合金化學(xué)成分將2A14鋁合金桶形零件分為４組（見圖1），第一組表面粗糙度值Ra＝0.30～0.65μm，第二組表面粗糙度值Ra＝2.20～4.71μm，第三組表面粗糙度值Ra＝6.5～7.1μm，第四組表面粗糙度值Ra＝1.40～1.75μm。（a）第一組（b）第二組（c）第三組（d）第四組圖1噴丸處理前的零件采用型號(hào)為SP1200G4的氣動(dòng)式噴丸機(jī)，其工作原理如圖2所示，玻璃鋼丸在負(fù)壓的情況下被吸附到了高壓噴嘴前，彈丸在高壓的作用下噴射到零件的表面，使得在零件表面上產(chǎn)生塑性變形。噴丸丸粒采用規(guī)格為AGB70的玻璃彈丸，符合AMS2431/6標(biāo)準(zhǔn)，其形貌如圖3所示。圖2噴丸處理圖3玻璃丸粒噴丸強(qiáng)度的驗(yàn)證采用如圖4所示的自制工裝，將驗(yàn)證ALMEN試片的標(biāo)準(zhǔn)底座通過(guò)螺釘固定在自制工裝中，并將ALMEN標(biāo)準(zhǔn)試片固定于標(biāo)準(zhǔn)底座上。ALMEN標(biāo)準(zhǔn)試片滿足SAEJ442和AMS2431/2文件要求。測(cè)試次數(shù)滿足最低要求的4次。圖4自制工裝二、試驗(yàn)方法1、噴丸壓力和丸流量的選擇噴丸時(shí)，在有一定壓力氣流的情況下，彈丸以一定的動(dòng)能形成一條有規(guī)律的彈丸流作用于材料表面。而彈丸噴出速度和沖擊力量是由氣流壓力的大小決定的，材料塑性變形的程度是由噴丸在材料表面的強(qiáng)度決定的。而通過(guò)ALMEN試片的驗(yàn)證，繪制出飽和曲線，確定出飽和點(diǎn)，就能確定出相應(yīng)的噴丸強(qiáng)度。在確定氣流的壓力值時(shí)，應(yīng)盡量考慮使用較低的氣流壓力，以減少對(duì)于材料表面的磨損。

彈丸流量是單位時(shí)間內(nèi)噴嘴噴射出彈丸的數(shù)量，流量和氣流壓力相關(guān)，低的氣流壓力應(yīng)該對(duì)應(yīng)較低的流量，對(duì)于該零件選擇將氣流壓力定為0.5×105Pa，彈丸流量為3kg/min。彈丸流量和氣流壓力確定后，通過(guò)調(diào)整噴槍上下移動(dòng)的速度，可以得到不同的噴丸強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)整噴槍上下移動(dòng)的速度為300mm/min、600mm/min和900mm/min時(shí)，分別得到對(duì)該零件的噴丸強(qiáng)度為三個(gè)固定值：0.35mm（A）、0.31mm（A）和0.27mm（A）。2、噴丸時(shí)間的確定和覆蓋率的檢測(cè)噴丸時(shí)間由ALMEN試片的飽和時(shí)間決定，但可根據(jù)試片達(dá)到的飽和時(shí)間對(duì)零件表面達(dá)到100%覆蓋率的時(shí)間，進(jìn)行相應(yīng)的借鑒，阿夫拉米方程對(duì)于平均覆蓋率是基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的顆粒到達(dá)速度一致的假設(shè)，該方程為式中，C為覆蓋率（％）；n為阿夫拉米指數(shù)；r為凹痕半徑；R為形成凹痕的平均速度；t為形成凹痕所需時(shí)間。

根據(jù)阿夫拉米方程，可以觀察到覆蓋率越來(lái)越接近百分之百，但理論上不可能達(dá)到百分之百。最后百分之十覆蓋率所需時(shí)間是開始百分之九十覆蓋率所需時(shí)間的1.5倍。達(dá)到100%覆蓋率的最后1%所用噴丸時(shí)間將大約占總時(shí)間的20%，達(dá)到最后2%覆蓋率所需噴丸時(shí)間將接近總時(shí)間的40%，在99%的覆蓋率情況下，有85%的位置被擊打過(guò)兩次或更多，有50%的位置被擊打過(guò)5次或更多。一般來(lái)說(shuō)，覆蓋率達(dá)到98%，就可以說(shuō)是等于100%覆蓋了。如果想要達(dá)到百分之百的覆蓋率，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度噴丸情況。98%的覆蓋率控制將會(huì)顯著節(jié)省噴丸時(shí)間。通過(guò)以上公式推測(cè)，凹坑半徑就為彈丸的半徑，形成凹坑的平均速度近似為噴射速度，得出達(dá)到100%覆蓋率的時(shí)間為20min。

表面覆蓋率采用熒光法進(jìn)行測(cè)定，在進(jìn)行噴丸前在零件表面涂抹上一層熒光劑，并在黑燈下進(jìn)行照射，確保零件表面完全覆蓋上一層熒光劑，再對(duì)零件進(jìn)行噴丸。噴丸后在黑燈下進(jìn)行照射，若無(wú)熒光，或基本沒有熒光，則可判斷其覆蓋率達(dá)到100%。具體過(guò)程如圖5所示。（a）零件表面涂熒光劑效果（b）零件進(jìn)行噴丸前（c）零件噴丸后效果圖5熒光法進(jìn)行覆蓋率測(cè)試過(guò)程選取一個(gè)零件，進(jìn)一步對(duì)其表面噴丸后的形貌進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示，從圖6a、圖6b中可以看出，彈丸坑均勻分布在零件表面上，沒有出現(xiàn)噴射不到的面，和熒光覆蓋率檢測(cè)一致，說(shuō)明表面覆蓋率良好。放大后如圖6c所示，表面無(wú)裂紋出現(xiàn)，且形成了一層較為致密的強(qiáng)化層。（a）（b）（c）圖6鋁合金桶形件噴丸后表面形貌三、表面粗糙度分析利用針尖曲率半徑為2μm左右的金剛石觸針沿被測(cè)表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由電學(xué)長(zhǎng)度傳感器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、計(jì)算后顯示儀表指示出表面粗糙度值，并用Ra來(lái)評(píng)定輪廓表面的粗糙度。

利用粗糙度儀對(duì)2A14鋁合金表面進(jìn)行粗糙度測(cè)試，分別測(cè)量了噴丸前和噴丸后的表面粗糙度，如表2所示。當(dāng)未噴丸零件表面粗糙度值較小時(shí)，噴丸以后表面粗糙度值開始增大，這是因?yàn)閲娡枨傲慵砻嬗捕炔皇翘?，零件表面較均整，且彈丸在零件表面產(chǎn)生的撞擊能量是不均勻的，導(dǎo)致在相對(duì)較平整的材料表面形成較大的凹坑，從而造成表面粗糙度值增大；但是當(dāng)被噴丸零件的表面粗糙度值較大時(shí)，零件表面本身就是不均勻的，且是不平整的，當(dāng)彈丸以均勻的速度打擊在零件表面時(shí)，造成表面的塑性變形，反而會(huì)使原本粗糙不平整的表面變得平整。表2噴丸工藝對(duì)鋁合金表面粗糙度的影響從表2可以看出，不同的噴丸強(qiáng)度下，表面產(chǎn)生的強(qiáng)度越高，其相對(duì)低強(qiáng)度對(duì)表面的影響也越大，但是對(duì)表面粗糙度的影響總的趨勢(shì)是一致的。零件表面噴丸的實(shí)際效果主要取決于彈丸噴射在零件表面上能量的傳遞，而能量主要取決于彈丸的質(zhì)量和速度，如圖7所示為彈丸粒子受力與加速方向示意圖。圖7彈丸粒子受力與加速方向根據(jù)牛頓第二定律，彈丸丸粒的微分方程可以描述為F為彈丸粒子受到的拖動(dòng)力，可表示為式中，M為彈丸質(zhì)量（kg）；cx為拖動(dòng)系數(shù)；vG為輸出氣流速度；pG為噴嘴輸出空氣密度（kg/mm3）；vt為噴嘴輸出氣流中彈丸速度（m/s）；d為彈丸直徑（mm）。得到彈丸粒子的微分方程式中，t為彈丸通過(guò)噴嘴噴到被加工表面的時(shí)間（s）；p為彈丸的密度。根據(jù)熱力學(xué)公式式中，p0、ρ0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)以及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的密度；P、ρG分別為工作氣壓以及工作氣壓下的密度。彈丸質(zhì)量可以忽略不計(jì)，最終彈丸粒運(yùn)動(dòng)的微分方程為其中c為積分常數(shù)，當(dāng)邊界條件t＝0、彈丸速度v＝0時(shí)，c＝1／vG，因此從以上推導(dǎo)公式可以看出，不同噴丸工藝參數(shù)對(duì)表層的性能影響可以歸結(jié)為：彈丸的動(dòng)能和噴嘴輸出氣流彈丸的速度、彈丸到達(dá)零件表面的時(shí)間、彈丸密度以及時(shí)間有關(guān)。若需更大范圍地控制零件表面的粗糙度，即改變零件表面狀態(tài)，還需調(diào)整彈丸的丸粒大小，其不僅能夠反映零件表面噴丸后的微觀集合形狀特征，也可以反映表面凹坑輪廓的最大高度，也可以控制不平整的表面。對(duì)零件表面粗糙度的影響，不僅和噴丸的強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)也和噴丸粒子的尺寸以及表面覆蓋率都有相應(yīng)的關(guān)系。四、結(jié)語(yǔ)（1）有出現(xiàn)噴射不到的面，說(shuō)明表面覆蓋率良好，表面無(wú)裂紋出現(xiàn)，且形成了一層較為致密的強(qiáng)化層。（2）同種彈丸不同的噴丸強(qiáng)度可以在一定范圍內(nèi)改變零件的表面粗糙度，當(dāng)零件表面粗糙度值Ra=0.30~0.65μm時(shí)，可將表面粗糙度值提高到Ra=2.2μm左右。當(dāng)零件表面粗糙度值Ra=1.40~1.75μm時(shí)，噴丸后表面粗糙度將和零件表面粗糙度基本一致，在Ra=1.6μm左右。當(dāng)零件表面粗糙度值Ra=2.8