噴丸對2A14鋁合金桶形零件表面粗糙度的影響

■昌河飛機工業集團有限責任公司 （江西景德鎮 333000） 俞應煒 沈國喜 李智勇

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工程師 俞應煒

噴丸強化作為表面強化工藝之一，相對其他表面改性工藝而言比較簡單，但是使用效果卻非常顯著，目前已應用于航天航空、機車和汽車等各個領域。

噴丸強化原理是利用噴射出的彈丸強烈撞擊材料，在表面形成小凹坑，使材料表面發生塑性變形，從而在金屬表面產生殘余應力。表層下壓縮的晶粒由于要恢復到原來的形狀，從而會產生一個均勻的殘余壓應力層，使材料表面得到強化，經過噴丸處理之后，材料表層的組織結構發生變化，晶粒細化，位錯密度增大，晶格畸變增大，最終形成很高的殘余壓應力。材料表層殘余應力的存在將明顯地提高材料的抗疲勞性能和疲勞壽命，提高材料表面的強度和硬度、以及抗應力腐蝕及耐高溫氧化等性能。

1.試驗用材料

試驗選用2A14鋁合金桶形零件，其材料強度較高，熱強性好，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。

圖1 噴丸處理前的零件

表1 2A14鋁合金化學成分

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。

采用型號為SP1200 G4的氣動式噴丸機，其工作原理如圖2所示，玻璃鋼丸在負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生塑性變形。噴丸丸粒采用規格為AGB70的玻璃彈丸，符合AMS 2431/6標準，其形貌如圖3所示。

噴丸強度的驗證采用如圖4所示的自制工裝，將驗證ALMEN試片的標準底座通過螺釘固定在自制工裝中，并將ALMEN標準試片固定于標準底座上。ALMEN標準試片滿足SAE J 442和AMS 2431/2文件要求。測試次數滿足最低要求的4次。

2.試驗方法

（1）噴丸壓力和丸流量的選擇。噴丸時，在有一定壓力氣流的情況下，彈丸以一定的動能形成一條有規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度決定的。而通過ALMEN試片的驗證，繪制出飽和曲線，確定出飽和點，就能確定出相應的噴丸強度。在確定氣流的壓力值時，應盡量考慮使用較低的氣流壓力，以減少對于材料表面的磨損。

彈丸流量是單位時間內噴嘴噴射出彈丸的數量，流量和氣流壓力相關，低的氣流壓力應該對應較低的流量，對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，通過調整噴槍上下移動的速度，可以得到不同的噴丸強度，通過調整噴槍上下移動的速度為300mm/min、600mm/min和900mm/min時，分別得到對該零件的噴丸強度為三個固定值：0.35mm（A）、0.31mm（A）和0.27mm（A）。

（2）噴丸時間的確定和覆蓋率的檢測。噴丸時間由ALMEN試片的飽和時間決定，但可根據試片達到的飽和時間對零件表面達到100%覆蓋率的時間，進行相應的借鑒，阿夫拉米方程對于平均覆蓋率是基于隨機統計的顆粒到達速度一致的假設，該方程為

C＝100[1－exp（－nr2Rt）]

圖2 噴丸處理

圖3 玻璃丸粒

式中，C為覆蓋率（%）；n為阿夫拉米指數；r為凹痕半徑；R為形成凹痕的平均速度；t為形成凹痕所需時間。

根據阿夫拉米方程，可以觀察到覆蓋率越來越接近100%，但理論上不可能達到100%。最后10%覆蓋率所需時間是開始百90%覆蓋率所需時間的1.5倍。達到100%覆蓋率的最后1%所用噴丸時間將大約占總時間的20%，達到最后2%覆蓋率所需噴丸時間將接近總時間的40%，在99%的覆蓋率情況下，有85%的位置被擊打過兩次或更多，有50%的位置被擊打過5次或更多。一般來說，覆蓋率達到98%，就可以說是等于100%覆蓋了。如果想要達到100%的覆蓋率，可能會導致過度噴丸情況。98%的覆蓋率控制將會顯著節省噴丸時間。通過以上公式推測，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，得出達到100%覆蓋率的時間為20min。

表面覆蓋率采用熒光法進行測定，在進行噴丸前在零件表面涂抹上一層熒光劑，并在黑燈下進行照射，確保零件表面完全覆蓋上一層熒光劑，再對零件進行噴丸。噴丸后在黑燈下進行照射，若無熒光，或基本沒有熒光，則可判斷其覆蓋率達到100%。具體過程如圖5所示。

圖4 自制工裝

選取一個零件，進一步對其表面噴丸后的形貌進行檢測，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，沒有出現噴射不到的面，和熒光覆蓋率檢測一致，說明表面覆蓋率良好。放大后如圖6c所示，表面無裂紋出現，且形成了一層較為致密的強化層。

3.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表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由電學長度傳感器轉化成電信號，經放大、濾波、計算后顯示儀表指示出表面粗糙度值，并用Ra來評定輪廓表面的粗糙度。

圖5 熒光法進行覆蓋率測試過程

利用粗糙度儀對2A14鋁合金表面進行粗糙度測試，分別測量了噴丸前和噴丸后的表面粗糙度，如表2所示。當未噴丸零件表面粗糙度值較小時，噴丸以后表面粗糙度值開始增大，這是因為噴丸前零件表面硬度不是太高，零件表面較均整，且彈丸在零件表面產生的撞擊能量是不均勻的，導致在相對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；但是當被噴丸零件的表面粗糙度值較大時，零件表面本身就是不均勻的，且是不平整的，當彈丸以均勻的速度打擊在零件表面時，造成表面的塑性變形，反而會使原本粗糙不平整的表面變得平整。

從表2可以看出，不同的噴丸強度下，表面產生的強度越高，其相對低強度對表面的影響也越大，但是對表面粗糙度的影響總的趨勢是一致的。零件表面噴丸的實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量和速度，如圖7所示為彈丸粒子受力與加速方向示意圖。

根據牛頓第二定律，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力，可表示為

式中，M為彈丸質量（kg）；cx為拖動系數；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為彈丸通過噴嘴噴到被加工表面的時間（s）；p為彈丸的密度。

根據熱力學公式

圖6 鋁合金桶形件噴丸后表面形貌

表2 噴丸工藝對鋁合金表面粗糙度的影響

圖7 彈丸粒子受力與加速方向

式中，p0、ρ0分別為標準大氣壓強以及標準大氣壓強下的密度；P、ρG分別為工作氣壓以及工作氣壓下的密度。

彈丸質量可以忽略不計，最終彈丸粒運動的微分方程為

其中，c為積分常數，當邊界條件t＝0、彈丸速度v＝0時，c＝1/vG，因此

從以上推導公式可以看出，不同噴丸工藝參數對表層的性能影響可以歸結為：彈丸的動能和噴嘴輸出氣流彈丸的速度、彈丸到達零件表面的時間、彈丸密度以及時間有關。

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，還需調整彈丸的丸粒大小，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。對零件表面粗糙度的影響，不僅和噴丸的強度有關，同時也和噴丸粒子的尺寸以及表面覆蓋率都有相應的關系。

4.結語

（1）通過局部放大結合熒光檢測的方法，零件表面彈丸坑均勻分布在零件表面上，沒有出現噴射不到的面，說明表面覆蓋率良好，表面無裂紋出現，且形成了一層較為致密的強化層。

（2）同種彈丸不同的噴丸強度可以在一定范圍內改變零件的表面粗糙度，當零件表面粗糙度值Ra＝0.30～0.65μm時，可將表面粗糙度值提高到Ra＝2.2μm左右。當零件表面粗糙度值Ra＝1.40～1.75μm時，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。當零件表面粗糙度值Ra＝2.8～7.1μm時，可將表面粗糙度值降低到Ra＝2.3～6.1μm。

（3）從彈丸粒子的微分方程推導出不同噴丸工藝參數對表層的性能影響，可以歸結為彈丸的動能和噴嘴輸出氣流彈丸的速度、彈丸到達零件表面的時間、彈丸密度以及時間有關，其強度越高，相比于低強度對表面的影響也越大，但是對表面粗糙度的影響總的趨勢是一致的。