趙樂川，馬泳濤，張倫敦，安樂樂

（1.鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2 鄭州大學(xué)河南省資源與材料工業(yè)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450001）

1 引言

為了提高齒輪的疲勞性能，通常先經(jīng)過表面硬化即熱處理等來提高表面的硬度和強度，然后再通過表層改性強化技術(shù)如：噴丸、輥壓或者激光沖擊強化來引入比較大的殘余壓應(yīng)力場來提高其接觸疲勞和彎曲疲勞[1]。噴丸、滾壓、激光沖擊三種強化方式都是使金屬表面材料發(fā)生彈塑性形變進而引入殘余應(yīng)力場，噴丸處理是通過壓縮空氣使丸粒加速撞擊試樣，滾壓處理是通過滾柱金屬接觸試樣，而激光沖擊屬于非接觸加工方式[2-5]。但噴丸處理所用的空氣壓力不超過1MPa，丸粒的速度不超過100m/s，滾壓處理適合加工平整的平面，不適合加工特殊曲面或者小區(qū)域，激光功率太大，對人體也有一定的危害。高壓水射流技術(shù)是一種新興的改性技術(shù)，以其環(huán)保安全易于加工狹小區(qū)域備受國內(nèi)外廣泛關(guān)注，高壓水射流包括普通純水射流、脈沖射流、空化射流、磨料水射流等相關(guān)技術(shù)[6]。

高壓水射流噴丸技術(shù)為固體丸粒與高速射流混合而成的兩相射流產(chǎn)生極強的沖擊力。高壓水射流噴丸技術(shù)根據(jù)丸粒與高壓水的混合時機不同又分為前混合與后混合水射流噴丸技術(shù)，在工程實踐中，垂直噴射的情況比較少見，更多的是射流以一定角度噴射表面[7-12]。目前國內(nèi)外關(guān)于后混合水射流偏移角度的研究較少，尤其是在特殊工況需要小角度噴射的研究較少，小角度射流所帶來的表層改性不利影響需要試驗研究，得出有效的解決方案保證實際工況對表面改性的要求。

文獻[13]用AISI4340 為有限元和噴丸試驗材料，發(fā)現(xiàn)入射角度增大時，殘余應(yīng)力和層深也會增大。文獻[14]以彈簧鋼SAE1070為試驗材料，發(fā)現(xiàn)空化水射流噴丸不同入射角下的沖擊壓力和殘余應(yīng)力在有效加工區(qū)域幾乎相等。文獻[15]研究微磨料漿體射流發(fā)現(xiàn)在沖擊角度為75°時達到了沖蝕峰值。對于復(fù)雜曲面的加工如齒輪的齒根強化亦或者特殊情況下需要變換入射角度來避免加工干涉，研究后混合射流入射角度對殘余應(yīng)力的影響十分必要，選用18CrNiMo7-6 滲碳合金鋼為試驗材料，選擇射流壓力、射流角度、噴嘴移動速度、噴射次數(shù)、靶距五個因素進行正交試驗，研究加工后試樣的顯微硬度、殘余應(yīng)力和粗糙度隨水射流工藝參數(shù)的變化規(guī)律，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)。

2 試驗準備及測試儀器介紹

2.1 試驗材料

試驗材料為18CrNiMo7-6 滲碳合金鋼，化學(xué)成分，如表1 所示。所有試樣（30×30×30）mm 先經(jīng)過熱處理滲碳工藝，最后進行表面磨削處理，試樣照片，如圖1 所示。試驗儀器為經(jīng)過加入供丸裝置及專用夾具改裝的后混合水刀，其可變壓力范圍為（70～413）MPa，其中丸粒（直徑為0.2mm，材料是410 不銹鋼）供給采用供丸裝置利用丸粒自重及高壓射流所帶來的負壓卷吸進入混砂室，最終經(jīng)過混砂管噴出作用于試樣表面進行沖擊，現(xiàn)場試驗照片及角度調(diào)整方式，如圖1 所示。

表1 18Cr Ni Mo7-6 滲碳合金鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of 18Cr Ni Mo7-6 Carburizing Alloy wt%

圖1 試驗材料及試驗現(xiàn)場條件Fig.1 Testing Materials and Site Conditions

2.2 測試儀器

對改性后的試樣進行測試的主要參數(shù)為殘余應(yīng)力、硬度、粗糙度和表面形貌四個參數(shù)，所用的儀器如下[10]：

采用加拿大Proto 高速大功率X 射線殘余應(yīng)力分析儀對試驗過后的試樣進行殘余應(yīng)力的測量，測量使用Cr 靶，每個面測三個點，以其均值為該面的殘余應(yīng)力值。測量時管電壓為30kV，管電流為25mA，鉻靶K-Alpha 輻射，F(xiàn)e（211）衍射。X 射線彈性常數(shù)為：1/2S2=5.92×10-6/MPa、S1=1.28×10-6/MPa。

采用HV-1000 型顯微硬度計測量試樣的硬度，施加的試驗力為9.8N，采用自動加卸載試驗力，試驗力保持時間為10s，通過測量壓痕對角線的長度得出硬度值，每個面測量五個點，取其平均值為該面的硬度值；采用電化學(xué)腐蝕的方法對試樣進行剝層，目的是測量每層深度下的殘余應(yīng)力及硬度數(shù)值，剝層深度通過千分表進行測量。

采用三維表面形貌測量儀測定試樣的表面粗糙度Ra 值，測量選擇區(qū)域為（3×3）mm，每個試樣測量三個區(qū)域并取平均值作為該試樣表面粗糙度值。

3 正交試驗設(shè)計及分析

3.1 正交實驗設(shè)計

試驗在平板試樣上（20×20）mm 的區(qū)域采用直線循環(huán)噴射的方法，以噴射壓力、噴嘴與試樣的夾角、噴嘴移動速度、噴射次數(shù)及噴射靶距五個因素作為變量，為方便后面計算等將五個因素分別記為P、α、v、R、H；丸粒選用0.2mm 直徑的410 不銹鋼丸粒，噴嘴直徑大小選用1.2mm，移動間距值設(shè)為0.6mm；通過正交試驗找出影響殘余應(yīng)力最大因素，進而找出合理的最優(yōu)工藝參數(shù)，正交試驗采用五因素四水平正交表，試驗條件，如表2 所示。選用的五因素四水平正交表，如表3 所示。

表2 正交試驗條件設(shè)置Tab.2 Orthogonal Test Condition Setting

表3 五因素四水平正交表Tab.3 Orthogonal Test Table

3.2 實驗結(jié)果及分析

3.2.1 殘余應(yīng)力

測出（1～16）號及原始試樣的殘余應(yīng)力，分別按照原始殘余應(yīng)力曲線及射流壓力四個水平畫出四個殘余應(yīng)力曲線，如圖2 所示?？梢钥闯鼋?jīng)過表層改性的試樣殘余應(yīng)力曲線呈勺子狀。從圖2（a）中可以看出原始試樣殘余應(yīng)力場分布，表面殘余應(yīng)力為-97.43MPa，然后在20μm 深度達到了最大值為-164.48MPa，然后在降低最終趨于穩(wěn)定值大概在-100MPa 左右；圖2（b）到圖2（e）是按照壓力增加的趨勢將16 個試樣作圖，通過圖2 可以看出，經(jīng)過后混合射流表層強化處理之后，試樣所獲得的殘余壓應(yīng)力場明顯提高，最大殘余壓應(yīng)力在射流壓力為（150～300）MPa 分別可以達到-1081.94MPa、-1104.36 MPa、-1269.31MPa、-1300.7MPa，可以看出試樣所獲得的殘余壓應(yīng)力最大值隨著壓力的增加而增加；從射流角度來看，圖2（b）～圖2（e）中很明顯可以看出45°和60°相比于大角度75°和90°的最大殘余壓應(yīng)力值大小及深度都要小，這是由于產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力是由射流所帶來的法向沖擊力帶來的，而角度的減小會削弱法向分力的大小。

圖2 正交試驗殘余應(yīng)力曲線Fig.2 Orthogonal Test Residual Stress Curve

接下來分析極差，確定各因素的重要程度，由于極差分析計算過程簡單，此處不再列舉計算過程。經(jīng)過計算P 因素的極差RP=-230.6025 最大，說明P 因素對最大殘余壓應(yīng)力值的影響程度最大。v、R、H 因素的極差值都是（40～50）之間最小，說明H 因素對最大殘余壓應(yīng)力值的影響程度不大，其他三個因素居中，其中α 因素Rα=-136.8325 大小比v、R、H 三個因素要大得多，說明α 因素對最大殘余壓應(yīng)力的影響程度也比較大。進一步可以畫出P、α、v、R、H五個因素對最大殘余壓應(yīng)力影響的趨勢，如圖3 所示。

圖3 極差分析圖Fig.3 Range Analysis Chart

從圖中可以看出，噴射壓力越大越好，根據(jù)前期課題組的試驗結(jié)果來看，350MPa 試驗殘余應(yīng)力值大小幾乎不變，所以認為300MPa 為最優(yōu)水射流壓力值；射流角度根據(jù)分析結(jié)果來看是75°比90°好，認為垂直入射時射流沖擊表面的瞬間會往四周反彈，其中純水會四面散開，這會導(dǎo)致有部分拉應(yīng)力產(chǎn)生降低一定的殘余壓應(yīng)力值，而75°有一個角度反射，這種程度會降低（這也與微磨料射流殘余應(yīng)力規(guī)律相似[15]）；噴嘴移動速度、強化次數(shù)和靶距的影響都不大，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)來看，噴嘴移動速度取400mm/min 最好，強化次數(shù)取3 次最好，靶距取70mm 最好。

在一項實驗中，諸多因素對響應(yīng)的影響是有主次關(guān)系的。根據(jù)極圖可以發(fā)現(xiàn)因素點子散布范圍大的因素是主要的，散布范圍小的是次要的。從圖3 容易看出主次關(guān)系如下：

通過上述分析，推斷最佳水平組合為P300α75v400R3H70，可惜在16 次試驗中沒有包含這個水平組合，故要試驗驗證。根據(jù)得到的最優(yōu)參數(shù)補做了一次試驗，就是17 號試樣，如圖2（e）中17 號殘余應(yīng)力曲線，該試樣得到的最大殘余應(yīng)力值為：-1292.14MPa，其最大殘余壓應(yīng)力對應(yīng)的深度為100μm，根據(jù)測試機器誤差允許范圍±10MPa，故可認為該參數(shù)即為最優(yōu)參數(shù)，證實了前面正交分析的結(jié)論。

3.2.2 粗糙度

試樣粗糙度，如圖4 所示。其中0 代表原始試樣，可以看出在（1～16）號這16 個試樣中存在試樣2 和試樣3 比原始試樣0 粗糙度小的情況，這說明后混合射流的角度有降低粗糙度的能力，隨著射流壓力的增加，粗糙度在300MPa 的時候顯著增加，壓力的增加也增加了沖蝕程度。

圖4 正交試驗試樣粗糙度Fig.4 Orthogonal Test Sample Roughness

3.2.3 顯微硬度

16 個正交及原始試樣測試后的顯微硬度曲線，如圖5 所示。首先可以看出試樣經(jīng)過后混合射流之后硬度會得到強化，可以看出原始試樣表面硬度為59.5HRC，最大硬度為61.0HRC，經(jīng)過表層改性后最大硬度在射流壓力150MPa 下為66.0HRC，200MPa下為66.3HRC，250MPa 下為67.4HRC，300MPa 下為67.9HRC，可以發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加，硬度增加，其中在各個壓力下除了300MPa 硬度最大的對應(yīng)的角度都是75°，這其實也印證了前面最優(yōu)的工藝角度中最優(yōu)角度為75°。通過正交試驗分析得出了壓力和角度兩個因素對殘余應(yīng)力峰值影響較其他三個顯著，而在實際的工況中如果需要小的射流角度來加工，其他已經(jīng)選擇最優(yōu)的參數(shù)不能改變，只能通過改變射流強化次數(shù)進一步強化。由于正交試驗16 個試樣實驗條件變量復(fù)雜，不能看出噴射次數(shù)對殘余應(yīng)力峰值及硬度的單獨影響程度，故需要進一步做噴射次數(shù)對殘余應(yīng)力峰值及硬度的單因素試驗，得出噴射次數(shù)對試樣改性的具體參數(shù)提升效果。

圖5 正交試驗硬度曲線Fig.5 Orthogonal Test Hardness Curve

4 單因素試驗設(shè)計及分析

4.1 噴射次數(shù)試驗設(shè)計

試驗在平板試樣上（20×20）mm 的區(qū)域采用直線循環(huán)噴射的方法，以射流角度為變量進行單因素試驗，射流壓力為300MPa，噴嘴直徑為1.5mm，噴嘴移動速度為500mm/min，噴射次數(shù)為一次/兩次，噴射靶距為10mm，丸粒選用0.2mm 直徑的410 不銹鋼丸粒，噴射移動的間距為0.75mm，試驗條件，如表4 所示。

表4 單因素試驗條件設(shè)置Tab.4 Single Factor Test Condition Setting

4.2 結(jié)果及分析

4.2.1 殘余應(yīng)力

試驗后測試出的殘余應(yīng)力效果，如圖6 所示。以每種角度一張圖，圖內(nèi)噴射次數(shù)比較的方式呈現(xiàn)。射流角度為45°時的殘余應(yīng)力圖，如圖6（a）所示。一次，二次，三次射流強化之后的最大殘余壓應(yīng)力值分別為-1130.32MPa、-1179.49MPa、-1174.34MPa，殘余應(yīng)力最大值深度分別是40μm、60μm、60μm；射流角度60°時的殘余應(yīng)力圖，如圖6（b）所示。其中三條曲線最大殘余壓應(yīng)力值分別為-1211.95MPa、-1284.44MPa、-1269.83MPa，最大殘余應(yīng)力值對應(yīng)的深度為40μm、80μm、80μm；射流角度75°時的殘余應(yīng)力圖，如圖6（c）所示。其中三條曲線最大殘余壓應(yīng)力值分別為-1210.20MPa、-1225.78MPa、-1287.89MPa，最大殘余應(yīng)力值對應(yīng)的深度為80μm、100μm、100μm；射流角度90°的殘余應(yīng)力圖，如圖6（d）所示。其中三條曲線最大殘余壓應(yīng)力值分別為-1282.73MPa、-1244.46MPa、-1332.6MPa，最大殘余應(yīng)力值對應(yīng)的深度為60μm、80μm、80μm。從四個圖中可以看出噴射次數(shù)的增加對于最大殘余應(yīng)力值提升不大，只有（50～70）MPa，但殘余壓應(yīng)力在深度方向上有明顯的提升，通過增加射流強化次數(shù)，可以使殘余應(yīng)力往更深的方向延伸，并且殘余應(yīng)力場在近表層即（0～140）μm 深度更為均勻，其中最能體現(xiàn)這一點的是圖6（d），也就是射流角度是90°時，在試樣表層（40～140）μm 深度之間殘余應(yīng)力絕對值大小全部超過1200MPa，由于后混合射流混合丸粒噴射對試樣表面會帶來較為粗糙的不利影響，殘余應(yīng)力場引入的比較深有利于下一步的精加工。

圖6 單因素試驗殘余應(yīng)力Fig.6 Single Factor Test Residual Stress

4.2.2 顯微硬度

四個角度下測得的硬度曲線，如圖7 所示。每張圖中分別體現(xiàn)了射流次數(shù)對該角度對硬度的影響。射流角45°的硬度曲線，如圖7（a）所示。可以看出隨著射流次數(shù)的增加硬度峰值增加大概1HRC，但在強化兩次后無增加現(xiàn)象，同理圖8（b）～圖8（d）三張圖中也體現(xiàn)了射流次數(shù)的增加可以使硬度峰值提升的現(xiàn)象，其中射流角為60°時提升為2HRC，比較大，其中射流角為90°是提升效果不明顯，說明射流強化次數(shù)的增加可以帶來硬度的增加，超過兩次后面的射流強化次數(shù)對于硬度的提升較小，對于硬度來說，強化兩次較為合適。根據(jù)單因素試驗的結(jié)果得出了和正交試驗相同的結(jié)論：噴射次數(shù)對殘余應(yīng)力峰值只有小幅度提升，綜合四個射流角度下噴射次數(shù)可以使殘余應(yīng)力峰值增加70MPa，殘余應(yīng)力峰值層深會延伸20μm，硬度對于75°及以下提升2HRC 較為明顯，但無論是殘余應(yīng)力還是硬度45°多次噴射提升效果并沒有達到90°一次噴射的效果，故工程應(yīng)用建議不使用低于45°的射流角度，而（45～75）°之間建議噴射兩次，（75～90）°之間建議噴射一次。

圖7 單因素試驗硬度曲線Fig.7 Single Factor Test Hardness Curve

5 結(jié)論

通過正交及單因素試驗研究了后混合水射流入射角度對殘余應(yīng)力，表面粗糙度及硬度的影響得出以下結(jié)論：（1）通過正交試驗分析，得出射流壓力和射流角度對殘余壓應(yīng)力的影響相對于其他三個因素較為顯著，其中影響最大的因素是射流壓力，根據(jù)分析結(jié)果推斷最優(yōu)工藝組合為射流角度75°，射流壓力300MPa，混砂管移動速度400mm/min，噴射次數(shù)3 次，噴射靶距為70mm；（2）存在小角度射流可以使試樣表面質(zhì)量優(yōu)化，壓力的增加會增加試樣的表面粗糙度，尤其是在300MPa 時，會顯著增加沖蝕程度，在同一壓力下，噴射次數(shù)對粗糙度的影響也比較大；（3）影響硬度提升的主要因素跟殘余應(yīng)力一樣是水壓，壓力越大試樣的硬度會越高，而同一壓力下，噴射次數(shù)的增加會進一步硬化表面使試樣硬度增加，這主要適用于（45～75）°射流角度，多次射流強化相比一次硬度增加2HRC，且噴射兩次強化后硬度無明顯提升。（4）噴射次數(shù)的增加可以使殘余應(yīng)力峰值及峰值對應(yīng)深度有所增加，當(dāng)射流角度是90°時，在試樣表層（40～140）μm 深度之間殘余應(yīng)力絕對值大小全部超過1200MPa，殘余應(yīng)力在小幅度增加的同時，殘余應(yīng)力場更加深入且較為均勻，效果理想，對比硬度提升情況，二次噴射性價比更高。