高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)原理和應(yīng)用分析

材料表面改性作為傳統(tǒng)材料性能優(yōu)化的基礎(chǔ)研究被列為國(guó) 家自然科學(xué)基金“九五”“、十五”優(yōu)先資助領(lǐng)域 ,充分體現(xiàn)了表 面改性技術(shù)在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的顯 著作用和重要地位 。而在表面涂鍍 、表面合金化和摻雜 、表面組 織轉(zhuǎn)化等眾多表面改性技術(shù)群中 ,對(duì)提高金屬零構(gòu)件抗交變載 荷作用下的疲勞能力最顯神威的是噴丸強(qiáng)化技術(shù) 。它集制造工 藝和使用維修于一體 ,從邊際設(shè)計(jì)的維修補(bǔ)救措施 ,發(fā)展到原型 設(shè)計(jì)的一部分 ;目前 ,廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、核動(dòng)力、兵 器 、石油 、煤炭 、化工 、機(jī)車 、工程機(jī)械 、汽輪機(jī) 、農(nóng)機(jī) 、塑料模具 、 電氣開關(guān)等眾多工業(yè)部門。隨著科技的進(jìn)步 ,新的噴丸方法不 斷涌現(xiàn) ,超音速噴丸 、高壓水射流噴丸 、高能振動(dòng)噴丸 等相繼 問世 。高壓水射流技術(shù)是近 30 年來迅猛發(fā)展起來的一項(xiàng)新技 術(shù) 。它的應(yīng)用范圍由單純采礦業(yè)的水力開采發(fā)展到機(jī)械 、化工 、 航空 、航天 、建筑 、紡織 、冶金等眾多領(lǐng)域 ,用以切割 、清洗 、除銹 和破碎等作業(yè)。在 20 世紀(jì) 80 年代末 ,Zafred 首先提出了利用 高壓水射流進(jìn)行金屬表面噴丸強(qiáng)化的思想 ,從而開始了高壓水 射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)的研究 。

1 .高壓水射流噴丸強(qiáng)化機(jī)理

高壓水射流噴丸強(qiáng)化的基本原理 ,就是將攜帶巨大能量的 高壓水射流以某種特定的方式高速噴射到金屬零構(gòu)件表面上 , 使零構(gòu)件表層材料在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生塑性形變 (冷作硬化 層) ,呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu) (組織強(qiáng)化) 和殘余應(yīng)力分布 (應(yīng)力強(qiáng) 化) ,從而達(dá)到提高零構(gòu)件周期疲勞強(qiáng)度的目的 。

高壓水射流噴丸強(qiáng)化時(shí) ,在水射流的強(qiáng)烈沖擊碰撞下材料 表層產(chǎn)生的變形是由多種作用引起的 ,對(duì)于不同的射流介質(zhì) 、射 流形式和噴射方式 ,各種作用效果不同 ,有的居于主導(dǎo)地位 ,有 的處于次要位置 。筆者研究認(rèn)為 ,高壓純連續(xù)水射流噴丸強(qiáng)化 時(shí) ,水射流的滯止壓力引起的沖擊和彈性沖擊波產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓 力起主導(dǎo)作用 ;脈沖水射流噴丸強(qiáng)化時(shí) ,彈性沖擊波產(chǎn)生的動(dòng)態(tài) 壓力和液體橫向分流對(duì)表面的剪切作用居主要地位 ;空化水射 流噴丸強(qiáng)化時(shí) ,空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊起主要作用 ;混合水射流(混入彈丸) 噴丸強(qiáng)化時(shí) ,彈丸沖擊壓入產(chǎn)生的法向力和切向力 起主導(dǎo)作用。Ramulu 等 研究表明 ,高壓水射流噴丸強(qiáng)化與 傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化具有相似的工藝過程和表現(xiàn)形式 ,水射流沖擊 下在零構(gòu)件表層形成塑性形變 ,產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 ,增加了材料表 面硬度 ,從而可以有效控制疲勞源的萌生和裂紋的擴(kuò)展 ,提高零 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度 。

2 .高壓水射流噴丸強(qiáng)化方法

高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝的不足 ,具有廣闊的應(yīng)用前景。各國(guó)學(xué)者認(rèn)識(shí)到這一技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì) ,從 Zafred 提出高壓水射流噴丸強(qiáng)化工以來便相繼開始研究 ,探索各種強(qiáng)化方法 。美國(guó)的 Kunaporn 等設(shè)計(jì)了高壓純水射流噴丸器 ,采用出口帶圓柱段的圓錐收斂型噴嘴和扇型噴嘴對(duì)70752T6 鋁合金進(jìn)行噴丸強(qiáng)化試驗(yàn) ,結(jié)果表明 :純水射流噴丸強(qiáng) 化對(duì)受噴材料疲勞壽命的影響取決于噴參數(shù) ,即噴射壓力 、噴嘴移動(dòng)速度 、靶距 、著流時(shí)間及噴嘴類型等 ,且在相同條件圓 錐收斂型噴嘴比扇型噴嘴產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的作用效果好 ,但表面粗糙度值也高 ; 在扇型噴嘴試驗(yàn)條件下疲勞壽命最大提高25%左右。俄羅斯的 ФУДОВИН等研制了電液壓脈沖射流噴丸器 ,脈沖放電產(chǎn)生 180 ~360MPa 的脈沖壓力 ,使經(jīng)噴嘴噴出的液體速度達(dá)到 150~700mΠs ,作用于零件的被處理面上使之強(qiáng)化 ,經(jīng)三家機(jī)器制造企業(yè)工業(yè)性試驗(yàn)表明 ,噴丸強(qiáng)化效果顯著 ,可適用于任何復(fù)雜形狀表面。日本的 Hitoshi 等設(shè)計(jì)了帶有加熱器的空化射流噴丸器 ,采用圓柱形噴嘴對(duì) SUP7 鋼噴丸強(qiáng)化 ,即使上游壓力為 20 MPa 時(shí) ,噴丸后材料的疲勞強(qiáng)度也可以提高 10 %左右 。日本開發(fā)了自吸式干丸后混合水射流噴丸強(qiáng)化加工設(shè)備 ,噴丸器高壓水的壓力為 100~250 MPa ,玻璃彈丸直徑為 0. 05 ~ 0. 20 mm ,已用于本田技研工業(yè)公司熊本制作所進(jìn)行汽車后軸傳動(dòng)齒輪的大批量噴丸強(qiáng)化加工 。筆者基于流體 網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)了前混合水射流和前混合自激振蕩水射流噴丸強(qiáng)化裝置 (系統(tǒng)原理見圖 1) ,選用 0. 26~0.35mm 的玻璃丸 ,對(duì)2A11 鋁合金和 45 # 鋼進(jìn)行噴丸強(qiáng)化試驗(yàn) ,結(jié)果表明 ,在噴射壓力為 15 MPa 時(shí) ,兩種強(qiáng)化方式均可以獲得顯著的噴丸強(qiáng)化效果。

目前 ,高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)的研究剛剛起步 ,理論上有 待發(fā)展 ,技術(shù)上有待完善 。

3 .高壓水射流噴丸強(qiáng)化特點(diǎn)

高壓水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)與傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝相比具有以下特點(diǎn) :

1)容易對(duì)存在狹窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等進(jìn)行強(qiáng)化。
2)受噴表面粗糙度值增加很小,減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象,提高了強(qiáng)化增益效果。
3)純水射流噴丸強(qiáng)化時(shí),工作介質(zhì)為水,無固體彈丸廢棄物,符合綠色材料選擇原則,同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋率,且不會(huì)由于固體彈丸的破損而降低強(qiáng)化表面的可靠性。
4)水介質(zhì)和動(dòng)力源來源廣泛,可實(shí)現(xiàn)全強(qiáng)度噴丸和同時(shí)加工幾個(gè)表面,比能耗和成本低、生產(chǎn)效率高。
5)噴頭體積小,反作用力小,移動(dòng)方便,易于實(shí)現(xiàn)光控、數(shù)控及機(jī)械手控制,提高噴丸強(qiáng)化質(zhì)量。
5)整套噴丸裝置體積不大,可以裝在機(jī)動(dòng)車上進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作和外場(chǎng)作業(yè)。
7)噪聲低、無塵、無毒、無味、安全、衛(wèi)生,有利于環(huán)境保護(hù)和操作者的健康,可實(shí)現(xiàn)綠色噴丸強(qiáng)化。

4.結(jié)論

1)高壓水射流噴丸強(qiáng)化能有效控制疲勞源的萌生和裂紋的擴(kuò)展,提高零構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。
2)水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)與傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化工藝相比具有相似的工藝過程和表現(xiàn)形式,強(qiáng)化作用也是由組織強(qiáng)化和應(yīng)力強(qiáng)化共同完成。
3)水射流噴丸強(qiáng)化過程中力的作用行為取決于射流介質(zhì)、射流形式和噴射方式。
4)水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)先進(jìn)、優(yōu)勢(shì)明顯,具有廣闊的應(yīng)用前景。