噴丸強化處理的案例
噴丸強化與激光噴丸
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噴丸強化與激光噴丸
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噴丸強化與激光噴丸
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高強度汽車齒輪表面強化技術的研究現狀和發展趨勢（一）
圖 12 最大赫茲應力與齒面疲勞壽命關系
3.2 齒輪噴丸強化
噴丸強化通過機械手段在齒輪表面產生壓縮變形，使表面產生形變改性層，從而使表面強度提高，是齒輪提高齒輪疲勞強度廣泛應用的方法。噴丸處理使齒面強化層內產生很大的塑性變形，齒面表層殘余奧氏體向馬氏體轉變，誘發轉變成的馬氏體有方向性，并沿滑移線平行成束排列，原始馬氏體的位錯密度增加，結構得到細化，噴丸使得齒輪的表面顯微硬度和齒面數十微米下的殘余壓應力提高，可大幅度提高汽車齒輪的彎曲疲勞強度極限和使用壽命。
噴丸處理使得齒輪表面完整性發生下列主要變化，即① 引入殘余壓應力場；② 形變細化組織結構；③ 表面硬度的變化；④ 表面粗糙度改變；其中①②③前 4種表層變化，均可改善齒輪的疲勞壽命，而噴丸帶來的表面粗糙度增加則可能降低材料疲勞性能，對齒輪的噪聲產生惡化，不利于汽車的振動噪聲特性。通過控制噴丸強度、丸粒直徑等工藝參數、采取復合噴丸來改善噴丸對齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強化表面完整性的控制關鍵則主要體現在對齒面殘余應力分布狀態與表面粗糙度的控制，避免出現“欠噴”和“過噴”兩種不當的噴丸強化。
3.2.1 強力噴丸
日本在汽車齒輪抗彎曲疲勞強度表面強化技術研究方面，研究開發了多種形式的齒輪表面噴丸強化處理技術。如圖13所示，為齒輪表面噴丸強化示意圖。
圖 13 齒輪表面噴丸強化示意圖
日本馬自達汽車公司首先研究開發了高壓噴嘴形齒輪表面強力噴丸處理技術[7]。該處理技術在室溫條件下，用可控性極好的噴嘴形噴丸機使高硬度鑄造鋼丸(Φ0.4~0.6 mm)在高壓下高速碰撞齒輪表面，使齒面在受到反復加熱和急冷瞬間得到強化，齒輪表層附近的殘留壓縮應力顯著提高，從而抑制疲勞裂紋的進展。
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噴丸強化基本概念
近期工作中接觸噴丸強化（強力噴丸）比較多，搜索了一些資料，做了一些筆記，記錄了一些照片，整理一下，與大家共享。希望與大家交流。
1.強化噴丸概念
在了解噴丸強化技術之前，我們有必要將拋丸、噴砂、噴丸的三個容易混淆的概念解釋一下。這三個概念其實就四個字：噴、拋、丸、砂，其中，噴拋是工藝方法，丸砂是使用的材料。噴，是用高壓空氣將丸、砂吹到工件的表面，拋是用高速旋轉的葉片拋射到工件表面，丸用的是鋼丸，砂用的是石英砂等。
噴丸過程就是將大量彈丸噴射到零件表面上的過程，有如無數小錘對表面錘擊，因此，金屬零件表面產生極為強烈的塑性形變，使零件表面產生一定厚度的冷作硬化層，稱為表面強化層，此強化層會顯著地提高零件的疲勞強度。 測評強化丸質量有三個基本參數：強度、覆蓋率、表面粗糙度。
2.噴丸強度
影響噴丸強度的工藝參數主要有：彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量、噴丸時間等。彈丸直徑越大，速度越快，彈丸與工件碰撞的動量越大，噴丸的強度就越大。噴丸形成的殘余壓應力可以達到零件材料抗拉強度的60％，殘余壓應力層的深度通常可達0.25mm，最大極限值為１mm左右。噴丸強度需要一定的噴丸時間來保證，經過一定時間，噴丸強度達到飽和后，再延長噴丸時間，強度不再明顯增加。在噴丸強度的阿爾門試驗中，噴丸強度的表征為試片變形的拱高。
3.阿爾門（Almen）試驗
噴丸強度常用N試片（用于有色金屬試驗）、A試片（最常用）、C試片（更高強度）來進行測量， A試片和C試片之間關系為近似3倍關系。如用C試片測得強度為0.15-0.20C mm就相當于0.45-0.60A mm。圖中厚的為C試片，薄的為A試片。
試驗過程中，先測量試片原有變形，然后將卡好該試片的工裝置于噴丸箱內，采用與工件相同的工藝進行噴射。噴丸結束，取下試片，測量變形拱高。
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案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018.
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噴丸強化簡介
噴丸強化是常用的表面處理技術之一，屬于冷加工方法的一種。噴丸過程即是大量球形小彈丸轟擊需加工的表面的過程，其目的是為了獲得更好的表面質量和更好的疲勞性能。噴丸強化在零件表面可以形成表面殘余壓應力（Compressive residual stress，CRS）層，表面壓應力可以有效增強零件的疲勞強度，延長零件的疲勞壽命；同時作為冷加工的方法，噴丸又能使零件表面位錯密度增高，表面晶粒細化，起到冷作硬化作用，同時也抑制了疲勞裂紋的擴展；噴丸方法還能將疲勞源由表面驅趕到零件表層以下。位于表層以下的疲勞源所引發的疲勞強度極限，或稱內部疲勞極限，是表層疲勞極限的1.3~1.4倍。
通過改變表面疲勞強度來改善零件疲勞強度的手段有很多，例如磨削加工、機械拋光、電解拋光、表面滲碳、滲氮、表面淬火、表面激光加工、表面滾壓、振動沖擊、拋/噴丸等。相比其他強化手段，噴丸強化方法受材料種類、材料靜強度，零件幾何結構和尺寸大小的影響較小，且成本較低。
噴丸強化的諸多優點使得對其的研究和興趣一直沒有中斷，由于噴丸是一種復雜的，過程隨機的工藝過程，以往針對其的研究多為試驗研究，實際工程中加工的工藝條件和工藝參數也都是人為根據工程經驗選擇的。然而實驗研究昂貴費時，實施不便；工業經驗應用范圍有限，且經驗的建立需要大量的試錯過程，不可能一蹴而就。試驗方法和工程經驗法的固有缺陷以及諸如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN/PATRAN等具有強大功能的有限元軟件的出現，將研究者的注意力吸引到了噴丸過程的數值仿真領域。數值仿真方法不僅經濟、易于實施，而且它同樣能對噴丸過程中彈丸沖擊靶材的機理做深入研究，能夠獲得大量試驗所需的應力應變，位移變形等參數。因此，數值仿真分析方法在噴丸領域的應用研究日益深入。
展開 噴丸強化表面的疲勞過程
噴丸強化是利用高速彈丸流對金屬材料表面進行沖擊，使其表面及近表面發生塑性變形，出現應變硬化、組織結構和殘余應力的變化，可以改善零件的表面完整性，提高零件在室溫下和疲勞斷裂抗力和應力腐蝕開裂抗力。
本文研究了高強度彈簧鋼50CrVA無缺口板狀試樣經淬火回火后達到1200～1800MPa的抗拉強度時表面處理后的殘余應力，以及各種表面狀態下的疲勞行為。
材料和熱處理
50CrVA主要成分見表1。用長400mm的試樣先在860℃淬火，然后分別在390℃、500℃、615℃進行回火，獲得了抗拉強度為1200MPa、1500MPa、1800MPa的試樣。試樣按表2進行表面處理。
表1 50CrVA主要成分(%)
表2 表面狀態和材料狀態
試驗結果
試樣的加載采用四點彎曲法，最小應力為常數200MPa，最大應力可變。殘余應力的測試采用X射線法，晶格變形可按照Sin2ψ 法計算。為了測量殘余應力分布，使用電解拋光對試樣的表面進行連續剝層。
疲勞試驗前的表面狀態見表3，抗拉強度1500MPa的試樣表面粗糙度，在未噴丸時大約為31μm，而經噴丸處理后升高至63μm，強度為1200MPa的試樣情況與此類似。但1800MPa的高強度水平的試樣噴丸后表面粗糙度卻顯著的降低至37μm。
表3 疲勞試驗前的表面狀態
試樣表面上的殘余壓應力隨著抗拉強度的增加而增加，并且殘余壓應力的最大值和它在表面層下的深度也與此類似。預應力噴丸使試樣表面產生了最大的殘余壓應力，同時預應力噴丸不但使殘余應力的最大值增加，而且使最大值距表面的深度增加。
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噴丸強化作為一種成本低，適用范圍廣的表面強化技術一直有著不錯的生命力。在實際工程中，噴丸強度的覆蓋率和阿爾門強度均是通過試片試噴完成的，但是有限元仿真工作者們也一直沒有放棄使用計算機輔助技術來實現更低技術成本，更方便快捷的噴丸結果預測。
通常來說模擬噴丸過程有如下幾種套路：
單粒實體（或有質量的剛性殼體，下同）彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，合理的計算時間較短，一般在幾分鐘到幾十分鐘之間。
多粒規則排布實體彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，殘余應力分布研究，合理的計算時間隨彈丸數量的增加而增加，一般在1~5小時左右。
多粒隨機排布實體彈丸沖擊平面靶材，適用于機理研究，殘余應力分布研究，覆蓋率研究，表面粗糙度研究。如果專注于殘余應力研究，此方法相比方法2并無明顯優勢，反而要花費不少時間在前處理上。此方法合理的計算時間隨彈丸數量的增加而增加，通常達到100%覆蓋率和較均勻的應力分布時，再附加一小段穩定應力波動的時間，隨后即可停止計算，根據通常計算規模，計算時間從幾小時到幾十小時不等。
離散元模擬彈丸沖擊任意形狀靶材，適用于殘余應力分布研究，噴丸成形研究，覆蓋率研究，表面粗糙度研究。仿真過程較為接近真實工藝，但是由于計算時間的約束，無法模擬真實工程中幾十秒到幾分鐘的大時間跨度過程。只能在合理的范圍內，對工藝時間進行大比例的壓縮。
等效方法（溫度等效法，壓力層法等等），此類方法適用于宏觀變形和應力的研究，而且往往是在獲取大量實驗數據之后才能進行有意義的等效。無法研究覆蓋率，表面粗糙度等表面完整性指標。但是勝在可以使用隱式分析，計算時間較短，可能是五種方法里最短的。不過對于復雜形狀的工件，其前處理較為繁瑣。
綜上分析，方法4在研究范圍上最為廣泛，較為適合研究機構和高校的研究工作。
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筆記99：噴丸強化用鋼絲切丸的磨損失效機理
筆記99：噴丸強化用鋼絲切丸的磨損失效機理
ABAQUS通過VDLOAD子程序模擬激光噴丸強化
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ABAQUS通過VDLOAD子程序模擬激光噴丸強化
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一招搞定金屬材料表面完整性！再也不用擔心零件疲勞失效了
通常直徑小、圓整度好的彈丸，容易獲得均勻光滑的表面，光滑表面有利于維持殘余應力穩定性，增加抗疲勞性能，如微粒噴丸強化技術、復合噴丸強化技術等。
從噴丸工藝類型角度，相對于傳統干式噴丸，激光噴丸、濕式噴丸、高壓水射流噴丸和超聲噴丸（彈丸式）的表面粗糙度較小。例如，7050 鋁合金在常規S110 彈丸噴丸強化下表面粗糙度Ra 值超過4μm，而激光噴丸強化表面粗糙值降為1μm。在相同噴丸強度下，如圖4 所示（Ra 為平均粗糙度，Rmax 為最大粗糙度深度，Rz為平均峰谷深度），超聲噴丸強化的粗糙度值為傳統干式噴丸的1/3 甚至更低。超聲噴丸設備使用的丸粒與傳統方式不同，噴射介質除傳統形狀的丸粒外還有兩端為不同曲率半徑的噴針，丸粒材質一般選用硬度較高的鎢碳鋼或軸承鋼等，對丸粒的圓度和表面光潔度要求也更高，在噴丸室內丸粒的速度方向隨機，而且速度較低，這些因素都使超聲噴丸處理后的工件表面粗糙度值下降。空軍工程大學研究表明，表面光滑不銹鋼（Ra 值為0.419μm）經激光噴丸強化處理后Ra 值為0.584μm，激光噴丸強化后受噴材料表面粗糙度值增加較小。濕式噴丸由于加入了液體潤滑，有效地降低了彈丸與受噴材料表面的干摩擦，表面粗糙度較傳統干式噴丸強化也明顯改善，大連理工大學陳國清等利用“干式噴丸+ 濕式噴丸”的復合噴丸工藝，既實現了在鈦合金表層形成較深的殘余壓應力層，又有效控制了材料表面粗糙度。
表層硬度
硬度是顯微組織加工硬化程度的一種表征，與噴丸變形層組織存在對應關系。噴丸變形層的硬度呈梯度分布，表面硬度值最高，沿深度方向硬度值逐漸降低，最終趨向基體硬度。噴丸應變硬化效果主要取決于微觀組織細化程度，同時與位錯密度、固體相變程度相關。
展開 民用航空發動機制造用到不少鍛壓技術
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大量采用電子束焊、釬焊工藝，代替手工焊接工藝
07
大量采用薄壁焊接件
08
大量采用噴丸強化處理
采用多種噴丸強化處理，可顯著增強零件疲勞壽命。
壓氣機葉片盤國內首次采用濕噴丸、玻璃噴丸工藝、激光噴丸工藝，噴丸參數與葉片的變形規律難以掌握。渦榫槽及腹板、彈性支承、輸出軸鼠籠部位，前后擋板均采用噴鑄鋼丸、陶瓷丸工藝強化技術。渦輪葉片榫齒采用剛噴丸、陶瓷噴丸工藝。
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