简介

抛喷丸强化是提高金属部件疲劳强度和耐腐蚀性等机械性能的冷加工工艺。主要在航空航天和汽车行业应用这些改善技术，因为这些部件的交变应力较高，特别是弹簧、驱动轴、曲轴、齿轮、连杆、转向和传动部件以及涡轮叶片等组件[1-6]。为了进一步增强组件的动态强度，使用直径为100µm的粒子进行细粒强化，大约比传统抛喷丸强化工艺中使用的粒子小一个数量级[7]。特别对于小齿轮等不易接近的部件，细粒强化有很大优势。此外，使用较小的粒子时，机器表面质量会高于用传统抛喷丸强化加工的表面[4,7]。对于齿轮制造过程，这一事实特别有助于强化加工后的精磨或振动研磨等研磨处理的应用，从而减少产生凹痕。

由于粒子质量低，使用压缩空气加速的动能有限，导致有些应用的边界层塑性变形不足。一个替代方法就是使用高压水射流加速粒子，产生更强动能。在可行性研究中，分析了水射流细粒强化(WJFPP)及其对阿尔门强度的影响，并与使用压缩空气的抛喷丸强化进行了对比。

实验程序

在此研究中，在WJFPP中使用了水射流切割机器。在喷射操纵中使用了六轴机器人，最大进给速度高达vf = 2.5m/s。使用液压增压器实现水压高达p = 600MPa，流速高达VW = 2.5/min。通过注入将粒子加入到水射流中。选择结合孔直径dD = 0.3mm，焦点孔直径dF = 1.0mm，长度lF = 76mm。使用不同粒子尺寸的铸钢丸对比抛喷丸强化(dP = 1.0mm)和水射流细粒强化(dP = 0.2mm)。为了涵盖所选区域，加工了横向距离b = 0.5mm，进给速度vf = 500mm/min的几个路径。撞击角度保持在α = 90°，隙距s = 20mm。试验设置说明见图1。

阿尔门试片用于量化和比较抛喷丸强化和水射流细粒强化的强化处理强度。强化加工产生的压应力造成试片变形，产生弧高h，图2。孤高与传输能量成比例，还与残余压应力成比例。阿尔门强度被称为曲线的第一点，如果曝光时间加倍，孤高仅增加10%。阿尔门强度单位为mm，后面跟着阿尔门试片类型。在此研究中，使用A型结果单位就是mm A。

结果

在第一个试验中，对不同粒子尺寸压缩空气的抛喷丸强化进行了对比。使用了ds = 1.0mm和ds = 0.2mm两种铸钢丸直径，检测了它们对阿尔门强度的影响。如果强化时在齿轮中使用硬化钢(20MnCr5)，将得到I1 ≈ 0.2mm A(中强度)和I2 ≈ 0.4mm A(高强度)的适当的阿尔门强度报告[8]，从而引导出好的疲劳行为和耐磨性。结果表明，当传统抛喷丸强化的ds = 1.0mm，空气压力p = 0.5MPa时，可获得合适的阿尔门强度。如果齿根中的小齿轮极难接近，通常使用的粒子尺寸无法在这些小几何体中碰撞，则需要使用较小的粒子几何体。但是，将粒子尺寸减小到ds = 0.2mm会导致获得的阿尔门强度的影响不足，图3。由于压缩空气密度低，无法产生足够的动态粒子能量获得齿轮所需的强度。

用水作为加速媒介可大大增加动态粒子能量。即使粒子直径较小，也能获得不同水压条件下适当阿尔门强度的整体带宽，图4。水压在p = 60至200Mpa之间变化会导致阿尔门强度呈线性增加。继续增加压力显示没有有益效果，表明阿尔门试片的残余压应力可能已经达到最大值。

总结

使用压力空气的传统抛喷丸强化是一种应用广泛的工艺，用于增加很多部件的动态强度，只要能提供必要的冲击能力，就也非常适用。对于小半径的小几何体强化，必须减小粒子尺寸。对于这些应用，用压缩空气增加有时并不能获得要求的粒子能量。在此工作中调查了使用液体作为加速媒介，及其对阿尔门强度的影响。由于粒子加速更加有效，水射流细粒强化似乎是一项有前景的技术，可以减少难以接近的零件的高残余压应力。通过变化不同水压，可以在更广泛的范围内控制粒子能量，且能轻松地与要求值匹配。

前景

虽然阿尔门强度较好地估计了产生的能量，但是仍要在进一步试验中观察残余压应力，以更加详细地对比使用压缩空气的细粒强化零件。同时，还需要进一步观察水射流细粒强化零件的静态和动态行为，以验证此工艺的优势。

参考文献

[1] Burrell, N.: Controlled Shot Peening of Automotive Components. Society of Automotive Engineers, Technical Paper Series 850365, 1985.
[2] Fett, G. A.: Understanding Shot Peening: A Case History. In: Modern Casting (73), June, 1983, pp. 29 - 31.
[3] Harada, Y.; Mori, K.: Effect of processing temperature on warm shot peening of spring steel.
In: Journal of Materials Processing Technology, Vol. 162 - 163, 2005, S. 498 - 503.
[4] Harada, Y.; Tanaka, S.; Itoh, M.; Nakatani, M.: Effect of Microshot Peening on Fatigue Life of Spring Steel SUP9. In: Procedia Engineering, Vol. 81, 2014, pp. 1493 - 1498.
[5] Hirsch, T.; Wohlfahrt, H.; Macherauch, E.: Fatigue Strength Of Case Hardened And Shot Peened Gears. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Shot Peening (ICSP-3), 1987, pp. 547 - 560.
[6] Inoue, K.; Maehara, T.; Yamanaka, M.; Kato, M.: The Effect of Shot Peening on the Bending Strength of Carburized Gear Teeth. JSME International Journal, Series 3, Vibration, control engineering, engineering for industry, Vol. 32 (1989) No. 3, S. 448 - 454.
[7] Kobayashi, Y.; Daisuke, G.; Seki, M.; Lei, W.: The effect of fine particle shot peening on the rolling contact fatigue strength. In: Proceedings of the 11th International Conference on Shot Peening (ICSP-11), 2011, S. 323 - 328.
[8] Optimierung Flankentragfähigkeit - Steigerung der Zahnflankentragfähigkeit durch Kombination von Stahlbehandlung und Finishingprozess. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V., Forschungsvorhaben Nr. 521 I, Heft 957, 2010.

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