CN101962706B - 超高强度钢零件小孔的复合强化方法 - Google Patents

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本发明属于表面强化技术，涉及对超高强度钢零件上小孔的表面强化方法的改进。其特征在于，分别对孔壁进行喷丸强化和对孔口进行挤压强化，强化工艺步骤如下：孔口倒圆；孔壁喷丸；孔口挤压。本发明兼顾了喷丸强化表面质量可靠性高、工艺实施可行性好、以及孔口挤压强化层深、强化效果好的优点，提高了超高强度钢零件小孔的抗疲劳性能。

Description

超高强度钢零件小孔的复合强化方法
技术领域
本发明属于表面强化技术，涉及对超高强度钢零件上小孔的表面强化方法的改进。 
背景技术
由于飞机起落架多以疲劳方式发生失效，因此对疲劳性能的要求较高。高强度钢的强度很高，但随之而来的是其应力集中敏感度高，其疲劳强度随Kt值的提高大幅度下降。并且零件疲劳裂纹多萌生于应力集中部位。零件上的孔是结构的不连续处，也是典型的应力集中部位，如何改善带孔零件的疲劳性能是工程应用中所面临的一大现实问题。对于零件上小孔的表面强化，工程上应用的主要有两种方法，一种是小孔的孔壁和孔口的挤压强化技术，另一种是孔壁和孔口的喷丸强化技术。这两种方法有各自的优缺点，其中小孔挤压强化的强化层较深，强化效果优异，但是挤压易造成孔壁的划伤，且对于尺寸超大且形状复杂的零件，实施孔壁挤压难度很大，甚至无法实施。例如，某型号飞机架前、主起落架零件上的孔需要强化，由于两方面的原因，造成常规的孔芯棒挤压工艺无法实施。原因之一是：由于零件尺寸超大且形状复杂，孔挤压强化方式在实际生产中应用遇到了大的困难；原因之二是：由于材料强度过高(σb＞1800MPa)，芯棒挤压过程中受到约束力过大，造成强化过程中易出现芯棒断裂、孔尺寸超差和粗糙度高等问题。而小孔喷丸技术具有工程适用性强，效率高，易实施，且对喷射表面损伤小，但是其强化效果不及挤压强化方法。 
发明内容
本发明的目的是：提出一种对孔壁进行喷丸强化并对孔口进行挤压强化的超高强度钢零件小孔的复合强化方法，以兼顾喷丸强化表面质量可靠性高、工艺实施可行性好、孔口挤压强化层深、强化效果好的优点，提高超高强度钢零件小孔的抗疲劳性能。 
本发明的技术方案是：超高强度钢零件小孔的复合强化方法，其特征在于，分别对孔壁进行喷丸强化和对孔口进行挤压强化，强化工艺步骤如下： 
1、孔口倒圆：喷丸强化前，对孔边进行倒圆处理，倒圆半径的选择如下： 
Figure DEST_PATH_GSB00000596729400021
2、孔壁喷丸：喷丸工艺参数如下：弹丸种类：铸钢丸；喷丸方式：采用毛枪旋转与进给方式对孔壁直接进行喷射；喷丸强度：I＝0.15A～0.30A；喷丸覆盖率：C≥100％；喷射角度即喷嘴与受喷表面切线的夹角：α＝90°±15°； 
3、孔口挤压：采用液压机进行孔口挤压，孔口挤压所使用的挤压头倒圆部分的曲率半径为r，孔口挤压所用载荷为14MPa～40MPa，挤压次数为1次。 
本发明的优点是：兼顾了喷丸强化表面质量可靠性高、工艺实施可行性好、以及孔口挤压强化层深、强化效果好的优点，提高了超高强度钢零件小孔的抗疲劳性能。 
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。对于零件上的小孔，表面强化的方法有两种，一种是对孔壁和孔口进行喷丸强化，另一种是分别对孔壁和孔口进行挤压强化，在HB/Z 26《航空零件喷丸强化工艺通用说明书》和HB/Z 170《航空金属零件孔挤压强化工艺》中对喷丸和挤压工艺有详细的规范。但是针对零件复杂结构和材料高强度的特点，将两种强化方式复合使用，分别对孔壁进行喷丸强化，对孔口进行挤压强化，能够兼顾喷丸强化表面质量可靠性高、工艺实施可行性高，孔口挤压强化层深、强化效果好的优点，是本发明的核心所在。 
超高强度钢零件小孔的复合强化方法，其特征在于，分别对孔壁进行喷丸强化和对孔口进行挤压强化，强化工艺步骤如下： 
1、孔口倒圆：喷丸强化前，对孔边进行倒圆处理，倒圆半径的选择如下： 
喷丸强度A    喷丸区域零件厚度     倒圆半径R 
mm            mm                  mm 
＜0.20        1～2                0.25～0.80 
Figure BSA00000292603200031
2、孔壁喷丸：喷丸工艺参数如下：弹丸种类：铸钢丸；喷丸方式：采用毛枪旋转与进给方式对孔壁直接进行喷射；喷丸强度：I＝0.15A～0.30A；喷丸覆盖率：C≥100％；喷射角度即喷嘴与受喷表面切线的夹角：α＝90°±15°； 
3、孔口挤压：采用液压机进行孔口挤压，孔口挤压所使用的挤压头倒圆部分的曲率半径为r，孔口挤压所用载荷为14MPa～40MPa，挤压次数为1次。 
实施例1：Φ14mm孔的复合强化 
1.孔口倒圆 
采用绞刀对孔口进行手工倒圆，倒圆半径为1.0mm。 
2.孔喷丸 
工艺选择： 
(1)弹丸 
弹丸种类：铸钢丸 
弹丸尺寸：φ0.4mm 
(2)喷丸方式：采用毛枪旋转与进给方式对孔壁直接进行喷射 
(3)喷丸强度：0.25A 
(4)喷丸覆盖率：100％ 
(5)喷射角度(喷嘴与受喷表面切线的夹角)：85° 
3.孔口挤压 
使用液压机，自制孔口挤压头对孔口进行挤压强化，挤压载荷为21MPa。 
使用上述工艺步骤对A-100钢中间开孔拉-拉疲劳试样上小孔进行强化处理后，对强化效果进行了考核。残余应力测试结果见表2所示，说明强化前，材料表面是热处理和机械加工过程中产生的残余拉应力，在疲劳过程中，残余拉应力与外加载荷叠加，提高了有效载荷，损害材料的疲劳性能；强化后，表面拉应力转变为压应力，压应力产生与拉应力相反的作用，能够有效提高材料的疲劳性能。疲劳试验结果如表3所示，使用复合强化工艺后，试 样的疲劳寿命比未强化提高了近3倍，而孔壁和孔口均采用喷丸方式的试样，疲劳寿命提高幅度不大，强化效果不及复合强化的方法。 
表2表面残余应力 
  组别   未强化   孔口挤压强化部位   孔壁喷丸强化部位
  表面残余应力/MPa   +115   -400   -921
表3孔强化试样疲劳寿命对比(σmax＝700MPa，R＝0.1) 
Figure BSA00000292603200041
实施例2：Φ12mm孔的复合强化 
1.孔口倒圆 
采用绞刀对孔口进行手工倒圆，倒圆半径为1.0mm。 
2.孔喷丸 
工艺选择： 
(1)弹丸 
弹丸种类：铸钢丸 
弹丸尺寸：φ0.4mm 
(2)喷丸方式：采用毛枪旋转与进给方式对孔壁直接进行喷射 
(3)喷丸强度：0.20A 
(4)喷丸覆盖率：100％ 
(5)喷射角度(喷嘴与受喷表面切线的夹角)：85° 
3.孔口挤压 
使用液压机，自制孔口挤压头对孔口进行挤压强化，挤压载荷为21MPa。 
使用上述工艺步骤对A-100钢中间开孔拉-拉疲劳试样上小孔进行强化处理后，对强化效果进行了考核。残余应力测试结果见表4所示，。疲劳试验结果如表5所示，使用复合强化工艺后，试样的疲劳寿命比未强化提高了4 倍以上。 
表4表面残余应力 
Figure BSA00000292603200051
表5孔强化试样疲劳寿命对比(σmax＝700MPa，R＝0.1) 
实施例3：Φ10mm孔的复合强化 
1.孔口倒圆 
采用绞刀对孔口进行手工倒圆，倒圆半径为1.0mm。 
2.孔喷丸 
工艺选择： 
(1)弹丸 
弹丸种类：铸钢丸 
弹丸尺寸：φ0.2mm 
(2)喷丸方式：采用毛枪旋转与进给方式对孔壁直接进行喷射 
(3)喷丸强度：0.20A 
(4)喷丸覆盖率：100％ 
(5)喷射角度(喷嘴与受喷表面切线的夹角)：85° 
3.孔口挤压 
使用液压机，自制孔口挤压头对孔口进行挤压强化，挤压载荷为16MPa。 
使用上述工艺步骤对A-100钢中间开孔拉-拉疲劳试样上小孔进行强化处理后，对强化效果进行了考核。残余应力测试结果见表6所示，。疲劳试验结果如表7所示，使用复合强化工艺后，试样的疲劳寿命比未强化提高了2 倍以上。 
表6表面残余应力 
Figure BSA00000292603200061
表7孔强化试样疲劳寿命对比(σmax＝700MPa，R＝0.1) 
Figure BSA00000292603200062
本发明首次将孔喷丸和孔口压边两种强化工艺同时使用。这样以来，孔结构中对疲劳性能的薄弱处均得到强化，从而大大提高了零件的疲劳性能。与其他技术相比，本技术方案有以下几方面优点： 
(1)孔壁喷丸与孔壁挤压工艺相比，本技术受零件结构和尺寸的限制较小，工程适用性强，且喷丸强化的表面质量可靠性高，不易造成表面损伤； 
(2)与小孔喷丸技术相比，本技术对孔结构中最薄弱环节孔口的强化更加有效和充分。 

Claims (1)

1.超高强度钢零件小孔的复合强化方法，其特征在于，分别对孔壁进行喷丸强化和对孔口进行挤压强化，强化工艺步骤如下：
1.1、孔口倒圆：喷丸强化前，对孔边进行倒圆处理，倒圆半径的选择如下：
Figure FSB00000596729300011
1.2、孔壁喷丸：喷丸工艺参数如下：弹丸种类：铸钢丸；喷丸方式：采用毛枪旋转与进给方式对孔壁直接进行喷射；喷丸强度：I＝0.15A～0.30A；喷丸覆盖率：C≥100％；喷射角度即喷嘴与受喷表面切线的夹角：α＝90°±15°；
1.3、孔口挤压：采用液压机进行孔口挤压，孔口挤压所使用的挤压头倒圆部分的曲率半径为r，孔口挤压所用载荷为14MPa～40MPa，挤压次数为1次。
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