一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法 |
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| 申请号 | CN202410173524.4 | 申请日 | 2024-02-07 | 公开(公告)号 | CN117845150A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 中国北方发动机研究所; | 发明人 | 赵志强; 王根全; 周海涛; 何晓东; 周润天; 许虹雯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 铝 合金 气缸 盖 水 腔 喷丸 强化方法，包括以下步骤：S1、确定加工设备、喷丸强度；S2、测量喷丸表面 覆盖 率；S3、测量内腔表面残余应 力 ；S4、测量粗糙度。本发明采用硬质合金直 喷枪 和侧喷枪，用以改变喷丸过程中的弹丸流动方向。对于实际 铝合金 气缸盖内腔喷丸强化，采用比较适中的喷丸工艺参数3kg喷丸空气压力对应0.15Amm喷丸强度，可使水腔内腔表面表层至200μm处残余压 应力 均达到所期望的要求。沿用此强化工艺参数可以高效快捷的对铝合金气缸盖水腔进行强化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法，其特征在于：包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法技术领域背景技术[0002] 喷丸强化技术是提高铝合金气缸盖水腔等零件强度、抗应力腐蚀以及延长使用寿命的关键制造工艺，目前广泛应用于铝合金等金属材料加工业界。喷丸处理所导致的材料 表层变化包括引入残余压应力场、产生形变细化组织结构以及表面粗糙度改变，其中喷丸 残余压应力场和喷丸形变细化组织结构均有助于延长金属零部件的使用寿命，表面粗糙度 增加虽然略微降低材料表面的某些性能，带来一些不利影响，所以如何提高喷丸的均匀性 这是一个待解决的问题。 发明内容[0003] 有鉴于此，本发明旨在提出一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法，以解决上述问题，提供一种既能保证喷丸均匀性，又能有效增强水腔内腔表面力学性能的新型喷丸工艺。 [0004] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： [0005] 一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法，包括以下步骤： [0006] S1、确定加工设备、喷丸强度； [0007] S2、测量喷丸表面覆盖率； [0008] S3、测量内腔表面残余应力； [0009] S4、测量粗糙度； [0011] 确定铝合金气缸盖水腔的喷丸强度为0.15Amm； [0012] 八个水腔腔口作为一个单元，按照顺序进行12次相同喷丸参数的喷丸作业。 [0013] 进一步的，步骤S2中，利用局部网格法测量喷丸表面覆盖率；首先利用图像分析软件统计出被喷丸网格数量，然后与总网格数量进行对比得出比值；以98％作为覆盖率测量 的极限值即约为100％，两倍于98％覆盖率喷丸时间所对应的覆盖率为200％并以此类推。 [0014] 进一步的，步骤S3中，利用X射线应力分析仪，测定不同喷丸时间处理的铝合金气缸盖水腔内腔表面残余应力；利用已测喷丸处理后水腔内腔表面不同位置处残余应力值， 建立喷丸时间与其对应残余应力之间的关系。 [0015] 进一步的，在测量X射线衍射谱线时，选择Cr‑Ka辐射，Al(311)衍射晶面，V滤波片；‑6 ‑1 测定铝合金喷丸残余应力X射线弹性常数为：S2/2＝19.54×10 MPa ，在±45°范围内确保 衍射峰完整。 [0016] 进一步的，在保证喷丸覆盖率的条件下结合电化学腐蚀剥层技术建立不同喷丸强度与其产生的残余应力沿层深分布的关系； [0018] 进一步的，步骤S4中，利用表面粗糙度仪，由计算机控制和数据计算，测量不同喷丸时间水腔内腔表面的粗糙度，检测的粗糙度参数为Ra，其中取样长度0.4mm并且连续取5 段，每个喷丸表面均重复测量3次，最后取其平均值。最后对不同喷丸时间处理的水腔内腔 表面典型位置处粗糙度进行对比。 [0019] 进一步的，所述直喷枪的内径为8‑10mm，出口设置在直喷枪端部作为直出口，直出口的内径呈锥形状；所述直出口设计为锥角，角度为10°‑12°； [0020] 所述侧喷枪的出口设置在侧喷枪的一侧作为侧出口，端部封闭，所述侧喷枪的内径也为8‑10mm；所述侧出口的内径也呈锥形状，所述侧出口所在轴线与侧喷枪整体所在轴 线形成的角度范围为30°‑60°。 [0022] (1)本发明一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法，采用硬质合金直喷枪和侧喷枪，用以改变喷丸过程中的弹丸流动方向。对于实际铝合金气缸盖内腔喷丸强化，采用比较适 中的喷丸工艺参数3kg喷丸空气压力对应0.15Amm喷丸强度，可使水腔内腔表面表层至200μ m处残余压应力均达到所期望的要求。沿用此强化工艺参数可以高效快捷的对铝合金气缸 盖水腔进行强化。 [0023] (2)本发明一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法，在保证强化均匀性及覆盖率的前提下可以明显提高铝合金气缸盖水腔的力学性能。与其他表面强化工艺相比，采用本发 明提出的喷丸工艺加工后的水腔内腔表面粗糙度更小、残余压应力更大，铝合金气缸盖水 腔内腔表面力学性能更加优良。 附图说明 [0024] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： [0025] 图1为本发明实施例所述的直喷枪示意图； [0026] 图2为本发明实施例所述的侧喷枪示意图。 [0027] 附图标记说明： [0028] 1、直喷枪；11、直出口；2、侧喷枪，21、侧出口。 具体实施方式[0029] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0030] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个” 的含义是两个或两个以上。 [0031] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。 [0032] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 [0033] 一种铝合金气缸盖水腔喷丸强化方法，包括以下步骤： [0034] S1、确定加工设备、喷丸强度； [0035] S2、测量喷丸表面覆盖率； [0036] S3、测量内腔表面残余应力； [0037] S4、测量粗糙度； [0038] 优选的，S1中，加工采用配有旋转工作台及硬质合金直喷枪1、侧喷枪2的设备进行喷丸强化： [0039] 确定铝合金气缸盖水腔的喷丸强度为0.15Amm； [0040] 八个水腔腔口作为一个单元，按照顺序进行12次相同喷丸参数的喷丸作业。 [0041] 优选的，步骤S2中，利用局部网格法测量喷丸表面覆盖率；首先利用图像分析软件统计出被喷丸网格数量，然后与总网格数量进行对比得出比值；以98％作为覆盖率测量的 极限值即约为100％，两倍于98％覆盖率喷丸时间所对应的覆盖率为200％并以此类推。 [0042] 优选的，步骤S3中，利用X射线应力分析仪，测定不同喷丸时间处理的铝合金气缸盖水腔内腔表面残余应力；利用已测喷丸处理后水腔内腔表面不同位置处残余应力值，建 立喷丸时间与其对应残余应力之间的关系。 [0043] 优选的，在测量X射线衍射谱线时，选择Cr‑Ka辐射，Al(311)衍射晶面，V滤波片；测‑6 ‑1 定铝合金喷丸残余应力X射线弹性常数为：S2/2＝19.54×10 MPa ，在±45°范围内确保衍 射峰完整。 [0044] 优选的，在保证喷丸覆盖率的条件下结合电化学腐蚀剥层技术建立不同喷丸强度与其产生的残余应力沿层深分布的关系； [0045] 其中，电化学腐蚀参数为：电压15V，电流2A，饱和NaCl电解液，数显千分尺测量腐蚀深度。 [0046] 优选的，步骤S4中，利用表面粗糙度仪，由计算机控制和数据计算，测量不同喷丸时间水腔内腔表面的粗糙度，检测的粗糙度参数为Ra，其中取样长度0.4mm并且连续取5段， 每个喷丸表面均重复测量3次，最后取其平均值。最后对不同喷丸时间处理的水腔内腔表面 典型位置处粗糙度进行对比。 [0047] 优选的，所述直喷枪1的内径为8‑10mm，出口设置在直喷枪1端部作为直出口11，直出口11的内径呈锥形状；所述直出口11设计为锥角，角度为10°‑12°； [0048] 所述侧喷枪2的出口设置在侧喷枪2的一侧作为侧出口22，端部封闭，所述侧喷枪2的内径也为8‑10mm；所述侧出口22的内径也呈锥形状，所述侧出口22所在轴线与侧喷枪2整 体所在轴线形成的角度范围为30°‑60°。 [0049] 为满足铝合金气缸盖水腔内腔表面喷丸均匀性，分别采用硬质合金直喷枪1和侧喷枪2，用以改变喷丸过程中的弹丸流动方向，保证喷丸覆盖率、残余应力值、硬度和粗糙度 达到设计目标值。 [0050] 本方法通过以下具体实施例进行说明； [0051] (1)确定喷丸强度 [0053] 如表1为喷丸机喷丸空气压力与弹丸流量的关系， [0054] [0055] 表1 [0056] 如表2给出不同喷丸空气压力所对应的A型ALMEN试片的喷丸饱和弧高即喷丸强度，以此确定空气压力与喷丸强度的对应关系。 [0057] [0058] 表2 [0059] 在保证喷丸覆盖率的条件下结合电化学腐蚀剥层技术建立不同喷丸强度与其产生的残余应力沿层深分布的关系。电化学腐蚀参数为：电压15V，电流2A，饱和NaCl电解液， 数显千分尺测量腐蚀深度。 [0060] 表3为喷丸残余应力沿层深分布情况， [0061] [0062] 表3 [0063] 结果表明喷丸空气压力2kg、3kg和4kg对应表面和层深200μm处残余压应力均达到所期望的要求。对于实际铝合金气缸盖内腔喷丸强化，拟采用比较适中的喷丸工艺参数3kg 喷丸空气压力对应0.15Amm喷丸强度，通过调整喷丸时间方法来确保缸盖内腔表面各个部 位达到100％喷丸覆盖率。 [0064] (2)喷丸均匀性及操作方案 [0065] 气缸盖水腔内腔表面喷丸需要确保喷丸均匀性。气动喷丸室配备旋转工作台用以调整被喷丸铝合金气缸盖的方位角，采用硬质合金直喷枪1和侧喷枪2用以改变喷丸过程中 的弹丸流动方向；以上设施足以保证喷丸均匀性； [0066] 铝合金气缸盖水腔8个腔口为一个单元，喷枪按一定顺序伸入不同腔口进行喷丸作业。每个单元共计喷丸12次。具体顺序如表4所示。喷丸结束后，沿各个腔口附加一道压缩 空气空吹清除残留丸料等污物。 [0067]喷丸顺序 喷枪类型 弹丸入口 弹丸出口 1 直喷枪1 A E 2 直喷枪1 B F 3 直喷枪1 C G 4 直喷枪1 D H 5 直喷枪1 E A 6 直喷枪1 F B 7 直喷枪1 G C 8 直喷枪1 H D 9 侧喷枪2 A B 10 侧喷枪2 B A 11 侧喷枪2 E F 12 侧喷枪2 F E [0068] 表4 [0069] (3)建立不同喷丸时间与其处理的水腔内腔表面各点喷丸覆盖率的关系； [0070] 利用局部网格法，测量喷丸表面覆盖率。此方法的具体操作步骤为， [0071] 首先利用图像分析软件统计出被喷丸网格数量，然后与总网格数量之比值。每个喷丸位置重复测量3次，最后取其平均值。理论上，覆盖率一般按照下式计算： [0072] Cn＝1‑(1‑C1)n [0073] 式中C1和Cn分别为喷丸1次和喷丸n次的表面覆盖率以百分数表示，n喷丸时间因数或喷丸次数。实际测量中可作到精确测量的Cn值为98％，故通常以98％作为覆盖率测量 的极限值即约为100％，两倍于98％覆盖率喷丸时间所对应的覆盖率为200％并以此类推。 对于多数试件的喷丸强化，覆盖率超过100％即可。在喷丸空气压力为3kg的条件下，运用以 上理论和方法试验并对比不同喷丸时间与覆盖率的关系，通过调整喷丸时间方法来确保缸 盖内腔表面各个部位达到100％喷丸覆盖率； [0074] 如下表5所示，为不同喷丸时间与覆盖率的关系，采用3kg空气压力每对气缸盖水腔单元60s×12喷丸时间后水腔表面喷丸覆盖率均超过100％。附加装卸工装喷嘴以及喷后 清理等，一套完整气缸盖6对水腔单元需要6×60s×12×1.3＝5616s；即约一个半小时喷丸 后即可达到预期的喷丸覆盖率效果； [0075] [0076] [0077] 表5 [0078] (4)建立不同喷丸时间与其处理的水腔内腔表面各点残余应力的关系； [0079] 利用X衍射应力分析测量方法，选择Al(311)衍射晶面，X射线弹性常数为S2/2＝‑6 ‑1 19.54×10 MPa ，在2θ范围内确保衍射峰完整。利用已测喷丸处理后水腔内腔表面典型位 置的残余应力值，建立喷丸时间与残余应力之间的关系。并比较不同喷丸时间对铝合金气 缸盖水腔内腔表面残余应力的影响。水腔内腔表面各点残余应力如表6所示； [0080] [0081] [0082] 表6 [0083] (5)建立不同喷丸时间与其处理的水腔内腔表面各点粗糙度之间的关系； [0084] 利用TR220表面粗糙度仪，由计算机控制和数据计算，测量不同喷丸时间水腔内腔表面的粗糙度，检测的粗糙度参数为Ra，其中取样长度0.4mm并且连续取5段，每个喷丸表面 均重复测量3次，最后取其平均值。最后对不同喷丸时间处理的水腔内腔表面典型位置处粗 糙度进行对比，如表7所示； [0085] [0086] [0087] 表7 [0088] 通过以上测量结果表明，经本发明所提出的喷丸强化工艺处理后的水腔内腔表面粗糙度更小、残余压应力更大，铝合金水腔内腔表面力学性能更加优良。本喷丸加工技术优 势明显，易操作，可大规模生产，经济效益高。 |
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