王忠良，王飛岳

(中航工業(yè)慶安集團有限公司，西安 710077)

15-5PH材料結(jié)構(gòu)件噴丸質(zhì)量研究

王忠良，王飛岳

(中航工業(yè)慶安集團有限公司，西安 710077)

15-5PH材料結(jié)構(gòu)件表面噴丸強化后存在粗糙度超差、色差和尖角部位塌邊等問題，通過分析和試驗驗證，零件噴丸后的粗糙度跟噴丸強度沒有直接關(guān)系，而跟影響噴丸強度的參數(shù)，包括空氣壓力、丸流量、噴槍角度有直接關(guān)系。噴丸后粗糙度會隨著空氣壓力的降低而降低，隨著丸流量的降低而升高，且噴丸角度為90°時，噴丸后粗糙度最佳。色差及塌邊問題的改善，需要在工裝設(shè)計時，保證噴丸面完全暴露，避免噴丸面多次重復(fù)裝夾，從而產(chǎn)生重疊區(qū)的情況，同時工藝參數(shù)設(shè)定方面，零件尖邊位置，應(yīng)選用小的噴丸強度，從而減小丸料束對尖邊位置的沖擊，在噴丸軌跡設(shè)定方面，減少丸料束與尖邊位置的接觸時間。

噴丸強化；粗糙度；塌邊

0 引言

航空關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，如齒輪、銷子、彈簧等，長期處于交變應(yīng)力和局部集中載荷下的零件，疲勞斷裂是其發(fā)生失效的主要模式。在現(xiàn)有的各種表面改性工藝中，噴丸強化技術(shù)是最為有效和經(jīng)濟的方法，與其它工藝相比，噴丸強化具有成本低廉、效果顯著、且表面粗糙度低和殘余壓應(yīng)力場深等特點，其實際是一種表面重復(fù)彈塑性變形的過程[1]，在材料表層造成具有一定厚度的組織強化層[2]和殘余壓應(yīng)力層[3-4]。除了能夠改善零件的疲勞性能，還能顯著提高應(yīng)力腐蝕開裂抗力[5]。噴丸強度和覆蓋率是檢驗噴丸質(zhì)量的主要指標，但在實際應(yīng)用中，零件的外觀質(zhì)量如粗糙度、顏色均勻性、毛刺、塌邊等問題對于最終裝配有較大影響，需要通過優(yōu)化工藝方法和參數(shù)來確保零件的各項指標達到最終要求[6]。噴丸會增加零件表面粗糙度，在表面形成的微裂紋源會降低零件的疲勞壽命，但這種不利影響遠小于所形成的殘余壓應(yīng)力層所帶來的改善效果[7-8]。在常規(guī)工藝條件下，加工表面粗糙度要求較高(Ra≤3.5 μm)的零件時，容易出現(xiàn)表面質(zhì)量不合格問題，對于材料硬度較小的零件，容易在邊角和孔口處出現(xiàn)塌邊。為解決上述技術(shù)問題，需要對工件材料特性、結(jié)構(gòu)和工藝進行深入分析研究，針對主要影響因素確定工藝參數(shù)，達到改善質(zhì)量的目標。

1 試驗設(shè)備

所用的噴丸設(shè)備為五軸聯(lián)動數(shù)控噴丸機，配備計算機過程監(jiān)控系統(tǒng)，對噴丸過程中各噴槍的丸料流量和氣體壓力進行實時監(jiān)控，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)使用不同丸料種類進行噴丸強化。使用的丸料為鑄鋼丸S230，HRC 52～56。1號和2號噴槍為標準噴槍，用于對零件外表面的噴槍，可同時使用，也可單獨使用；3號噴槍為旋轉(zhuǎn)噴槍，用于對較淺的內(nèi)孔噴丸；4號噴槍為長矛槍，可以實現(xiàn)對深孔的噴丸。粗糙度儀分辨率為0.05 μm，內(nèi)置自動打印機。

2 15-5PH材料零件噴丸粗糙度問題改進

2.1 15-5PH材料零件噴丸粗糙度問題來源

航空起落架用銷子，其基體材質(zhì)為15-5PH，熱處理后硬度值為HRC 38～42，要求使用鑄鋼丸S230，噴丸強度為0.2～0.3 A，覆蓋率200%。從已有的經(jīng)驗來看，噴丸粗糙度與零件表面硬度有強相關(guān)性，當(dāng)零件的表面硬度低于HRC 45時，噴丸后的表面粗糙度很難達到Ra≤3.5 μm的要求。

2.2 試驗方法及分析討論

試驗在保證強度及覆蓋率的要求下，采用不同參數(shù)對零件進行噴丸，觀察噴丸后粗糙度的變化。此次試驗中共選用了7組噴丸參數(shù)進行試驗，具體噴丸參數(shù)和結(jié)果見表1。噴嘴速度為400 mm/min，零件旋轉(zhuǎn)速度40 r/min，噴嘴與零件的距離150 mm，覆蓋率按照100%控制，強度驗證及噴丸示意圖分別見圖1、圖2。

從表1前3組的數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)空氣壓力為0.2 MPa，噴丸角度為45°，丸流量由2 kg/min到4 kg/min逐漸增大時，噴丸強度由0.27 A下降為0.25 A，噴丸后粗糙度Ra由4.41 μm降為4.05 μm，噴丸強度及噴丸后覆蓋率均減小，但是減小幅度較小，說明丸流量對噴丸強度及覆蓋率的影響較小。

由第1組和第4組的數(shù)據(jù)可以看出，丸流量為2 kg/min，噴丸角度為45°時，當(dāng)壓力由0.2 MPa降為0.15 MPa時，噴丸強度由0.27 A降為0.22 A，噴丸后粗糙度Ra由4.41 μm降為3.6 μm，噴丸強度及覆蓋率均減小，且減小幅度相對較大。說明空氣壓力對噴丸強度及噴丸后覆蓋率的影響較大。

表1 銷子噴丸試驗參數(shù)及結(jié)果

圖1 45°時的強度驗證試片和零件裝夾方式及噴槍運行軌跡示意圖Fig.1 Intensity test piece, part installation way and nozzle running track at 45°

圖2 90°時的強度驗證試片和零件裝夾方式及噴槍運行軌跡示意圖Fig.2 Intensity test piece, part installation way and nozzle running track at 90°

空氣壓力及丸流量均是影響噴丸強度的主要參數(shù)，從前4組的數(shù)據(jù)能夠看出，覆蓋率的變化規(guī)律跟噴丸強度一致，似乎粗糙度的變化與噴丸強度有關(guān)，其實實際情況并不是這樣。在后續(xù)的試驗中，設(shè)定噴丸角度為90°，空氣壓力為0.15 MPa，丸流量由3 kg/min到5 kg/min逐漸增大時，噴丸強度由0.31 A降到0.29 A，噴丸后粗糙度Ra由3.12 μm降為2.97 μm。從后3組數(shù)據(jù)中可以看出，噴丸強度較第4組都有所提高，但噴丸后粗糙卻都降低，所以說噴丸后的粗糙度跟噴丸強度沒有直接關(guān)系。

從第4和第5組的數(shù)據(jù)對比中可以看出，空氣壓力同為0.15 MPa時，噴丸角度由45°調(diào)整為90°，丸流量由2 kg/min調(diào)整為3 kg/min，噴丸后粗糙度Ra由3.60 μm降為3.12 μm，且下降幅度較大。由于從前3組的實驗結(jié)論得出丸流量對噴丸粗糙度的影響較小，所以說當(dāng)噴丸角度為90°時，對噴丸后粗糙度的改善是較為明顯的。

將經(jīng)過45°噴丸后的試片在20倍放大鏡下觀察，其表面彈痕呈不規(guī)則狀，彈坑面積較大，材料發(fā)生了明顯的塑性變形，高點較多，且其方向性較為一致，這是由于在45°噴丸時材料表面受到了方向一致的沖擊，彈丸的動能被受噴表面吸收后產(chǎn)生了塑性變形，且塑性變形沿著彈丸運動方向擴展，過程中不斷累積使得塑性變形不斷增大，產(chǎn)生了隆起高度較大的高點。90°噴丸后的試片在20倍放大鏡下觀察，其表面彈痕呈規(guī)則圓形，彈坑面積較小，材料同樣發(fā)生了明顯的塑性變形，高點處隆起高度較小，且沒有明顯的方向性，這是由于90°噴丸時彈丸與材料基體垂直接觸，塑性變形在彈坑周圍均勻分布，凸起高度一致，過程中彈坑疊加對高點的產(chǎn)生有抑制作用，所以噴丸后的表面較為細致且均勻一致。

3 15-5PH材料噴丸色差及塌邊問題改進

3.1 噴丸色差及塌邊問題

航空起落架用固定銷套，其材質(zhì)為15-5PH，要求整體噴丸，使用鑄鋼丸S230，噴丸強度0.2～0.4 A，覆蓋率200%。實際參數(shù)為：丸流量2 kg/min，噴槍角度45°，噴嘴移動速度400 mm/min，零件旋轉(zhuǎn)速度40 r/min，零件與噴嘴距離控制在150 mm，強度值為0.26 A。噴丸后零件出現(xiàn)如圖3所示的質(zhì)量問題。其中，圖3a中零件外表面中間位置有寬度為8～9 mm的顏色較深區(qū)域，圖3b中零件內(nèi)孔孔口位置存在向孔內(nèi)翻卷的塌邊。

3.2 噴丸色差及塌邊產(chǎn)生原因分析

零件材料的強度和表面硬度越高，塑性變形越困難，在相同的噴丸強度下，丸粒沖擊彈坑淺，表面粗糙度降低越小。零件原始表面粗糙度也對噴丸后的表面粗糙度有一定影響，原始表面越粗糙，噴丸后粗糙度降低越小，相反，原始表面越光滑，噴丸后粗糙度降低越大[9]。鋼鐵材料表面噴丸后的外觀一致性與噴丸參數(shù)的一致性有直接關(guān)系[10]。當(dāng)基體材料強度和硬度一定時，要獲得一定值的弧高度，噴丸參數(shù)起決定性作用，其與丸料尺寸、流量、空氣壓力、噴槍角度、距離有耦合作用[11-12]。

圖3 零件噴丸后的狀態(tài)Fig.3 Condition of part after shot peening

零件強度驗證示意圖如圖4a所示，零件裝夾及噴丸示意圖如圖4b所示。從圖4b中可以看出：噴丸工裝通過零件外圓定位，在噴丸過程中，工裝裝夾位置區(qū)域被遮蔽，要將零件整體噴丸，需將零件翻轉(zhuǎn)后再進行一次噴丸，所以在零件外表面中間位置會出現(xiàn)噴丸重疊區(qū)域，噴丸后此區(qū)域顏色較深(圖3a)。同時零件的所有表面噴丸均采用標準噴槍，當(dāng)噴槍移動至零件孔口邊緣位置時，由于噴槍角度為45°，丸料束會對孔口位置產(chǎn)生向下的沖擊力，且根據(jù)噴槍的運動軌跡來看，丸料束與孔口邊緣位置的接觸時間較長，導(dǎo)致噴丸后孔口邊緣位置產(chǎn)生向內(nèi)翻卷的塌邊(圖3b)。

圖4 強度驗證試片和零件裝夾方式及噴槍運行軌跡示意圖Fig.4 Intensity test piece, part installation way and nozzle running track

3.3 改進方案

通過對以上色差及塌邊產(chǎn)生原因的分析，要解決噴丸色差問題，零件外表面必須一次性噴丸，從而保證外表面噴丸的一致性，這就需要從工裝方面進行改進，外表面噴丸時，零件通過內(nèi)孔進行裝夾，將零件外表面完全暴露。同時內(nèi)孔噴丸時，零件通過外表面進行裝夾，避免外表面的二次噴丸。而解決塌邊問題，首先要從工藝方面進行改進，降低噴丸強度，減小丸料束對孔口邊緣位置的沖擊力，同時通過上述工裝的改進，減少丸料束與孔口邊緣位置的接觸時間。以下即為噴丸工裝及工藝的具體改進方法。

1)工裝改進方法。

零件工裝拆分為2個工裝，外表面噴丸工裝通過零件內(nèi)孔定位，內(nèi)孔噴丸工裝通過外圓定位。

零件外表面噴丸強度驗證如圖5所示，裝夾及噴丸示意圖如圖6所示。從圖6可以看出，通過1號噴槍實現(xiàn)外表面一次性噴丸，解決了零件外表面部分區(qū)域顏色較深的問題，同時按照這樣的噴丸軌跡，丸料束與零件孔口邊緣的接觸時間變短，也降低了塌邊產(chǎn)生的幾率。

零件內(nèi)孔噴丸強度驗證方法如圖7a所示，零件裝夾及噴丸示意圖如圖7b所示。按圖7b所示，零件通過一次翻轉(zhuǎn)，用3號噴槍實現(xiàn)內(nèi)孔噴丸。這種方式不僅縮短了丸料束與零件孔口邊緣的接觸時間，同時通過翻轉(zhuǎn)零件的方式噴丸，2次噴丸過程中丸料束對尖邊位置的沖擊力是相反的，降低了尖邊產(chǎn)生的幾率。

圖5 改進后的外表面不同區(qū)域強度驗證試片裝夾示意和噴槍運行軌跡示意圖Fig.5 Installation way of intensity test piece and nozzle running track for different surface after improvement

圖6 改進后外表面裝夾及噴丸示意圖Fig.6 Part installation way and shot peening of surface after improvement

2)工藝參數(shù)改進方法。

改進前的零件外表面水平區(qū)域的噴丸參數(shù)如下：空氣壓力0.2 MPa，介質(zhì)流量2 kg/min，噴丸角度45°，距離(150±15)mm，零件轉(zhuǎn)動速率40 r/min，此參數(shù)下的噴丸強度為0.26 A。

為降低噴丸強度，同時保證圖紙要求的噴丸強度0.2～0.4 A，在這次工藝改進中僅通過將空氣壓力下調(diào)至0.15 MPa，降低噴丸強度至0.23 A。

通過對零件工裝及工藝的改進，銷套噴丸后外表面顏色均勻一致，且孔口位置的塌邊問題得到了很大的改善，已經(jīng)不影響零件的裝配。同時通過工裝改進，實現(xiàn)了多個零件的一次性噴丸，減少了零件的裝卸時間及噴丸設(shè)備的運行啟動時間，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

1)噴丸后粗糙度會隨著空氣壓力的降低而降低，隨著丸流量的降低而升高，且噴丸角度為90°時，噴丸后粗糙度效果最好。零件噴丸后的粗糙度跟噴丸強度沒有直接關(guān)系，而跟影響噴丸強度的參數(shù)，包括空氣壓力、丸流量、噴丸角度有直接關(guān)系。所以噴丸生產(chǎn)中，為滿足噴丸后的粗糙度要求，在保證噴丸強度及覆蓋率的前提下，應(yīng)選用噴丸角度為90°，較低的空氣壓力及較大的丸流量。

圖7 改進后內(nèi)表面噴丸示意圖Fig.7 Shot peening of internal surface after improvement

2)為避免零件噴丸后產(chǎn)生色差及塌邊，需要在工裝設(shè)計時，保證噴丸面完全暴露，避免噴丸面通過裝夾，而產(chǎn)生的二次噴丸情況。同時在工藝參數(shù)設(shè)定方面，在保證技術(shù)要求的情況下，零件尖邊位置，應(yīng)選用小的噴丸強度，從而減小丸料束對尖邊位置的沖擊，在噴丸軌跡設(shè)定方面，應(yīng)減少丸料束與尖邊位置的接觸時間。

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Shot Peening Quality Research for Structure Parts Made by 15-5PH Steel

WANG Zhong-liang，WANG Fei-yue

(AVICQing’anGroupCo.,Ltd.,Xi’an710077,China)

Poor harshness, color difference and turnup of sharp edge areas were found after structure parts of 15-5PH steel were shot peened. After analysis and test verification, it is found that the harshness of the parts after shot peening is not directly related to the shot peening intensity, but it is affected by shot peening parameters, including air pressure, flow and angle of shot peening. The harshness after shot peening decreased with the decrease of air pressure, but increased with the decrease of flow. When the shot peening angle is 90°, the best harshness can be obtained. In order to avoid the color difference and turnup after shot peening, the installation equipment should be improved to ensure the whole surface for shot peening will be exposed, and the shot peening surface should avoid repeated clamping and overlapping area. In addition, the shot peening parameters should be improved. For sharp edge areas of the parts, the shot peening intensity should be small to reduce the impact of balls on sharp tips, and the shot peening path should be adjusted to decrease the impact time of balls on sharp tips.

shot peening; harshness; turn-up

2016年12月17日

2017年2月17日

王忠良(1982年-)，男，工程師，主要從事金屬熱處理及表面改性等方面的研究。

TG178

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.006

1673-6214(2017)02-0101-06