金属零件表面改性喷丸强化技术0

金属零件表面改性喷丸强化技术

金属零件表面改性喷丸强化技术 2011年12月09日 来源： 【摘要】传统的机械喷丸工艺在工业界已经得到广泛的应用。随着激光技术的发展，出现了一种新的加工工艺——激光喷丸。它能改善金属零件表面的机械性能，尤其是在表面产生压缩应力，使零件的抗应力腐蚀等能力大为提高，从而延长零件的疲劳寿命。由于激光喷丸具有形成的残余压应力比机械喷丸深等优势，因而强化效果更佳。【关键词】喷丸；机械喷丸；激光喷丸工业界广泛应用的机械喷丸（ShotPeening，简称喷丸）强化工艺是一种有效的表面微动防护手段，它通过对零件表层实施冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力。冷作硬化使零件的强度有所提高，残余压应力则会消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的拉应力，晶粒晶格的畸形使零件在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命。世界上第一台激光器诞生以后，随着对激光技术应用研究的深入和相关学科技术的发展，近年来人们开始用强激光诱导的高幅冲击波改善金属零件表面的机械性能，并称之为激光喷丸（LaserShotPeening简称LSP）或激光冲击。1机械喷丸大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件的表面喷射，无数粒弹丸犹如一个个榔头不断地锤击零件表面，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格歪扭和高密度位错，在充裕的时间内，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此就在工件层表面和近表面形成残余的压应力。1.1喷丸质量的表征及影响参数喷丸强化的效果和质量的表征指标主要有喷丸的强度、覆盖率和喷丸后零件的表面粗糙度值，每一项指标都受多项工艺参数的影响。影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。在喷丸强度的阿尔曼试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、喷射角度和距离、喷丸时间等。在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能达到100％；反之，覆盖率会下降。在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。影响表面粗糙度的因素有零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射的角度和速度、零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小；喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗糙。当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。1.2喷丸的特点及工业应用喷丸强化工艺适应性较广；工艺简单、操作方便；生产成本低，经济效益好，强化效果明显。近年来，随着计算机技术发展，带有信息反馈监控的喷丸技术已在实际生产中得到应用，使强化的质量得到了进一步提高。目前喷丸强化不仅用于汽车工业领域的弹簧、连杆、曲轴、齿轮、摇臂、凸轮轴等承受交变载荷的部件，还广泛用于其他工业领域。如喷丸强化可以提高电镀零件的疲劳强度和结合力；各种合金钢经过任何一种电镀处理后，一般均会导致疲劳强度下降10％~60％，而喷丸强化则可有效提高疲劳强度，同时还可以增加电镀层的结合力，防止起泡。2激光喷丸激光喷丸是用超短脉冲的激光束代替有质弹丸，用它诱导的冲击波来强化金属零件的表面。吸收层（黑漆）激光脉冲等离子体金属工作冲击波冲击波冲击波约束层（水、光学玻璃）其成形机理：短脉冲的强激光透过透明约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层（黑漆层）上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极

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