影響噴丸/噴砂強化效果的工藝參數(shù)很多，包括丸料規(guī)格、丸料供給壓力、丸料流量、噴丸時間、噴槍與工件距離、噴射角度、噴嘴直徑等。其中，表面覆蓋率主要與噴丸時間有關(guān)，殘余應(yīng)力、硬度、粗糙度等指標(biāo)受各參數(shù)綜合影響[16-18]。表1中列出了某重型燃氣輪機拉桿螺栓噴砂強化表面理化性能的指標(biāo)要求。為兼顧各項要求，需要合理設(shè)置各類工藝參數(shù)。由于開展理化性能檢驗需要對試件進行破壞性解剖處理,研究全部參數(shù)變量下的影響規(guī)律耗時耗力,而正交試驗?zāi)芡ㄟ^少量的試驗次數(shù)尋找到最優(yōu)工藝參數(shù)組合[18],故開展正交試驗以確定各參數(shù)的最優(yōu)組合。

表1 燃氣輪機拉桿螺栓噴砂檢查指標(biāo)

Table 1 Gas turbine rod bolt sandblasting inspection index

2、同材質(zhì)試板噴砂正交試驗

2.1正交試驗水平選擇

將1根拉桿毛坯料切割為若干個直徑60mm、厚10mm的餅狀試塊，用于噴砂正交試驗。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定了丸料規(guī)格A、噴槍移動速度B、噴槍與工件距離C、丸料供給壓力D、丸料流量E5個關(guān)鍵因素的3個水平值，如表2所示，并按照L18(35)正交表設(shè)計試驗。

表2 噴砂試驗因素水平表

Table 2 Factor level of sandblasting

2.2正交試驗結(jié)果分析

18組試驗的分組及檢測結(jié)果如表3所示。表中，K為每個指標(biāo)水平下的取值之和 ( 如 K 1 代表指標(biāo)取水平1時的和);k為K的平均值(相應(yīng)的K除以水平數(shù),本文為3水平);R為k的極差(最大值減最小值)?？梢钥闯?，18組試驗的殘余應(yīng)力最小值為597MPa，滿足指標(biāo)要求，而絕大部分試驗組的表面粗糙度和硬度均不合格。綜合來看，只有第5、6、11、17組試驗結(jié)果滿足表1的指標(biāo)要求。通過極差分析可以得出:對于表面粗糙度指標(biāo),5個因素影響的主次順序為 E >  A >  D >  B >  C;對于硬度指標(biāo), 5個因素影響的主次順序為 B>E>D>A>C;對于殘余應(yīng)力指標(biāo),5個因素影響的主次順序為 A >  D >  E >  C >  B。

由表3還可以看出，D、E對表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力3個指標(biāo)的影響均較大，B、C的影響相對較小, A的影響適中。 3個指標(biāo)中, A對表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響更為明顯,這也與噴砂強化的一般規(guī)律 [13]相吻合。由于粗糙度的目標(biāo)值是趨小,因此粗糙度的最優(yōu)組合是 E 2 A 3 D 2 B 3 C 2 ;硬度和殘余應(yīng)力的目標(biāo)值是趨大，其最優(yōu)組合分別是B3E2D1A1C2、 A 3 D 2 E 2 C 2 B 3 。

基于上述分析結(jié)果,針對3個指標(biāo)采用綜合平衡法得到的最優(yōu)參數(shù)選擇為A3B3C2D2E2,即丸料規(guī)格選擇白剛玉WA#180,噴槍移動速度選擇10mm/s,噴槍與工件距離選擇100mm,丸料供給壓力選擇0.55MPa,丸料流量選擇6kg/min。觀察表3發(fā)現(xiàn)，

A3B3C2D2E2組合在正交試驗組中沒有出現(xiàn)，為驗證其實際噴砂效果，開展了最優(yōu)參數(shù)組下的拉桿螺栓試件噴砂驗證性試驗。

表3 噴砂工藝正交試驗分組及試驗結(jié)果

Table 3 Orthogonal experiment grouping and results of sandblasting process

3、拉桿螺栓試件噴砂試驗

參考標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品拉桿螺栓尺寸 1: 1制作了試件。由上文分析可知，丸料供給壓力和丸料流量對表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力3個指標(biāo)的影響較大。為獲得合格的工藝參數(shù)，本研究在最優(yōu)組H1的基礎(chǔ)上增加了 3個試驗組H2~H4和1個未噴砂的對照組H5。拉桿螺栓試驗件噴砂試驗參數(shù)如表4所示。

表4 拉桿螺栓試件噴砂試驗參數(shù)

Table 4 Parameters of sandblasting test for the threaded rod specimens

試驗后將每個試驗件分割為3份,分別用于測量表面粗糙度、硬度和殘余應(yīng)力，并分別在每份試驗件0°、90°、180°和270°位置切出4個試塊,以4個試塊檢測值的平均值作為最終值。圖2對比了表4中5組試驗件的表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力檢測結(jié)果。可以看出:5組試驗件中，H5的3個指標(biāo)均處在較低水平，H1~H4的3個指標(biāo)均有明顯提高;H2、H3的3個指標(biāo)均滿足表1中的齒面檢測要求。

為驗證H2、H3試驗組的螺紋尺寸變化和螺紋表面噴砂覆蓋率指標(biāo)，采用外徑千分尺和螺紋千分尺測量并記錄了噴砂前后螺紋外徑、中徑值，同時目視檢查了覆蓋率，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，H2、H3試驗組均滿足表1中的螺紋尺寸和螺紋表面噴砂覆蓋率指標(biāo)要求。結(jié)合圖2數(shù)據(jù)，相比之下，H2試驗組的硬度值和殘余應(yīng)力值更高，雖然其表面粗糙度值也較高，但仍在要求范圍內(nèi)。綜合考慮，本文最終選擇H2試驗組參數(shù)，即彈丸規(guī)格選擇白剛玉WA#180，噴槍移動速度選擇10mm/s,工件與噴槍距離選擇100mm,丸料供給壓力選擇0.55MPa,丸料流量選擇4kg/min,作為最終產(chǎn)品拉桿噴砂工藝參數(shù)。

表5 噴砂前后螺紋尺寸對比

Table 5 Thread size comparison before and after sandblasting

此外，從表5還可以得出，在覆蓋率超過100%的情況下，噴砂后的螺紋外徑、中徑尺寸較噴砂前平均減少了約0.03mm,這主要是由于噴砂會剝離螺紋表層少量組織 [15]。為進一步觀察噴砂前后螺紋牙型變化,使用工業(yè)電子放大鏡觀察螺紋表面形貌,如圖3所示。噴砂前螺紋牙面清晰可見加工刀痕，噴砂后表面呈啞光色，刀痕消失，表面變得凹凸不平。采用輪廓測量儀對螺紋牙型輪廓進行檢測,結(jié)果如圖4所示，噴砂后螺紋牙型輪廓面整體內(nèi)縮約0.015mm。由此可見,噴砂處理在引起試件表面粗糙度上升的同時，還造成了輪廓尺寸變化。

4、結(jié)論

(1)噴砂參數(shù)中，丸料供給壓力和丸料流量對表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力3個指標(biāo)的影響均較大;噴槍移動速度、噴槍與工件距離對3個指標(biāo)的影響相對較小;丸料規(guī)格對3個指標(biāo)的影響適中,其中對表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響相對較大。

(2)滿足性能指標(biāo)要求的產(chǎn)品拉桿噴砂工藝參數(shù)為:白剛玉WA#180彈丸,噴槍移動速度10mm/s,噴槍與工件距離100mm,丸料供給壓力0.55MPa,丸料流量4kg/min。

(3)噴砂處理起到了表面強化作用,試驗件表面硬度及殘余應(yīng)力均有明顯提高，但同時帶來了表面粗糙度上升和輪廓尺寸變化。在進行噴砂強化效果評價時,既要選擇合適的量化指標(biāo),也要綜合考慮各因素對指標(biāo)的影響。

參考文獻:

[1]李浦,袁奇.拉桿轉(zhuǎn)子接觸界面參數(shù)識別和動力學(xué)研究進展[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2023,57(10):39-52.

LI Pu,YUAN Qi. Research progress on interface parameter identification and dynamics of tie-bolt rotors[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2023,57(10):39-52.(in Chinese)

[2]侯世遠，廖日東.螺紋聯(lián)接松動過程的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].強度與環(huán)境,2014,41(2):39-52.

HOU Shiyuan,LIAO Ridong. Research progress on self-loosening of threaded fasteners[J]. Structure&Environment Engineering,2014,41(2):39-52.(in Chi-nese)

[3] GONG Hao,DING Xiaoyu,LIU Jianhua,et al.Review of research on loosening of threaded fasteners[J].Friction,2022,10(3):335-359.

[4] PAI N G,HESS D P. Three-dimensional finite element analysis of threaded fastener loosening due to dynamic shear load[J]. Engineering Failure Analysis,2002,9(4):383-402.

[5]于澤通，劉建華，張朝前，等.軸向交變載荷作用下螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的松動試驗研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2015，35(6):732-736.

YU Zetong,LIU Jianhua,ZHANG Chaoqian,et al. An experimental study on self-loosening of bolted joints under axial vibration[J].Tribology,2015,35(6):732-736.(in Chinese)

[6]余沛坰,鄧喆,魏佳明,等.燃氣輪機轉(zhuǎn)子分布式拉桿螺栓螺紋受載和松動特性[J].計算機輔助工程，2024,33(3):13-17.

YU Peijiong,DENG Zhe,WEI Jiaming,et al. Load and loosening characteristics of distributed tension rod bolt thread in gas turbine rotor[J]. Computer Aided Engineering,2024,33(3):13-17.(in Chinese)

[7]莫易敏,王賡,滿健康,等.彈簧墊圈在高強度螺栓連接中的防松性能分析[J].制造技術(shù)與機床,2014，(9):73-76.

MO Yimin,WANG Geng,MAN Jiankang,et al. The

locking performance of spring washer in high strength bolt connection[J]. Manufacturing Technology&Machine Tool,2014,(9):73-76.(in Chinese)

[8]秦留軍,顧伯勤.噴丸強化在改善螺栓抗疲勞性能中的應(yīng)用[J].潤滑與密封,2013,38(6):86-89.

QIN Liujun,GU Boqin. Application of shot-peening strength on improving anti-fatigue property of bolt[J].Lubrication Engineering,2013,38(6):86-89.(in Chinese)

[9]薛海峰,張煜超,宗艷,等.基于微粒子噴丸處理的螺栓防松能力改善研究[J].表面技術(shù),2018,47(2):20-24.

XUE Haifeng,ZHANG Yuchao,ZONG Yan,et al.Improvement of anti-loosening performance of bolts treated by fine particle peening[J]. Surface Technol-ogy,2018,47(2):20-24.(in Chinese)

[10]宋樹亮，梁海嘯，張遠彬，等.微粒子噴丸對螺栓連接結(jié)構(gòu)性能的改善研究[J].機械,2023,50(11):38-45.

SONG Shuliang,LIANG Haixiao,ZHANG Yuanbin,et al. Study on improving the performance of bolted joint by micro-shot peening[J]. Machinery,2023,50(11):38-45.(in Chinese)

[11]化俞新，李豐，張德乾，等.橫向交變載荷作用下三種涂層螺栓的防松性能[J].潤滑與密封，2023,48(7):67-73.

HUA Yuxin,LI Feng,ZHANG Deqian,et al. Anti-loosening performance of three kind of coated bolts under cyclic transverse load[J]. Lubrication Engineer-ing,2023,48(7):67-73.(in Chinese)

[12]崔洋,石海,謝宏志.超高強度鋼復(fù)雜薄壁零件噴丸變形控制工藝研究[J].工具技術(shù),2021,55(9):80-83.

CUI Yang,SHI Hai,XIE Hongzhi. Research on shot peening deformation control technology of complex thin-walled part of ultra-high strength steel[J]. Tool Engineering,2021,55(9):80-83.(in Chinese)

[13]張俊雙,劉鳳鈴,唐濤,等.噴丸處理對不銹鋼表面影響的研究[J].金屬熱處理,2022,47(6):232-239.

ZHANG Junshuang,LIU Fengling,TANG Tao,et al.Research of impact of shot peening on stainless steel surface[J]. Heat Treatment of Metals,2022,47(6):232-239.(in Chinese)

[14]LI Jian,LI Yibo,HUANG Minghui,et al. Improvement of aluminum lithium alloy adhesion performance based on sandblasting techniques[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives,2018,84:307-316.

[15]魏英華,袁曉光,安敏,等.噴砂處理對8Cr4Mo4V鋼表面狀態(tài)的影響[J].航空制造技術(shù),2019,62(21):40-46.

WEI Yinghua,YUAN Xiaoguang,AN Min,et al. Effect of sand blasting treatment on surface state of 8Cr4Mo4V steel[J].Aeronautical manufacturing technology,2019,62(21):40-46.(in Chinese)

[16]GHASEMI A,HASSANI-GANGARAJ S M,MAH-MOUDI A H,et al. Shot peening coverage effect on residual stress profile by FE random impact analysis[J].Surface Engineering,2016,32(11):861-870.

[17]周兆鋒,洪捐.工藝參數(shù)對TC4鈦合金噴丸強化影響的仿真分析[J].機械科學(xué)與技術(shù),2022,41(9):1414-1419.

ZHOU Zhaofeng,HONG Juan. Simulation and analysis of the effect of process parameters on shot peening strengthening of TC4 alloy[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2022,41(9):1414-1419.(in Chinese)

[18]吳少杰,劉懷舉,張仁華,等.基于正交實驗和數(shù)據(jù)驅(qū)動的噴丸表面完整性參數(shù)預(yù)測[J].表面技術(shù),2021，50(4):86-95.

WU Shaojie,LIU Huaiju,ZHANG Renhua,et al. Pre-diction of surface integrity parameters of shot peening based on orthogonal experiment and data-driven[J].Surface Technology,2021,50(4):86-95.(in Chinese)

（注，原文標(biāo)題：GH4169高溫合金拉桿螺栓噴砂強化試驗研究_程正）