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水射流细粒强化的可行性研究

2020-05-25 09:37:12

简介

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。

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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,zui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di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di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。

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       如果强化时在齿轮中使用硬化钢(20MnCr5),将得到I1 ≈ 0.2mmA(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zui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。

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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。 

 

振动光饰和喷抛丸处理 - 用于增材制造部件后期处理的系统

适用于增材制造所生产工件的高适应性研磨方法

近几年来,增材制造(也称为“3D 打印”)的技术特征,包括其生产技术以及生产装置和材料,都经历了高速发展。但是,增材制造部件的后期处理仍然存在一定技术挑战。在许多情况下,振动光饰和喷抛丸处理能够以独具成本效益的方式为增材制造工件创造出所需的表面光洁度 – 只要这些研磨方法适合增材制造的独特要求。

增材制造早已跳出了仅作为原型制作技术的阶段,现已几近成为少量生产标准产品的系统。这种独特的制造方法在涉及工件定制,以及快速灵活地小批量生产具有复杂几何特性的部件时甚是高效。无论是处理金属材料、塑料、复合材料、陶瓷或玻璃,它都同样高效;事上,原材料的选择在某种程度上来说已不再受到限制!后期生产操作,例如去除支撑结构、表面平滑整匀、边缘倒圆、高亮抛光和表面处理,全都需要审慎考虑每个工艺阶段,以求获得可接受的表面处理效果。要考虑的因素包括用于制造部件的实际增材制造技术、粒度、所应用材料层中的公差,以及生产室中的工件定位。

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