关键词：弹簧喷丸，残余应力，组织结构改性，表面粗糙度
姜传海1 王仁智2 王奇3
(1-上海交通大学材料学院 ，2-北京航空材料研究院3-大奇金属磨料有限公司)
1、前言
弹簧是工程机械的关键基础零件，其质量的优劣直接影响着整机的性能。近十余年来，弹簧制造行业在生产规模和产量方面均获得了极大的发展，但弹的表面强化工艺与其工艺优化的若干问题，仍需深入研究。
弹簧的表面喷丸强化，可以有效提高材料的疲劳断裂抗力。改换优质弹簧原材料虽然可提高弹簧疲劳强度，但会导致弹簧的成本提高，且其效果有时还不如低成本的表面强化处理给出的效果大。然而，弹簧制造业目前虽采用表面喷丸强化工艺，但实际上没有能使弹簧获得应达到的优化残余压应力场，更甚者在某些情况下弹簧喷丸处理实际是形如虚设。
本文将针对传统汽车板簧材料，拟开展几种实用的喷丸工艺试验研究，包括一次、二次喷丸、变温热喷丸及预应力热喷丸，同时还进行表面粗糙度测量、喷丸残余压应力场及衍射半高宽等测定。
2、材料及试验方法
弹簧材料牌号为60Si2Mn，热处理工艺870℃油淬火以及430℃回火，调质后的材料硬度约HRC50。
一次喷丸，利用气动喷丸机，φ0.6mm钢丝切丸，0.45Amm喷丸强度。
二次喷丸，喷丸机和弹丸同上，第1道喷丸工序0.45Amm，第2道喷丸工序0.15Amm，两次喷丸的弹丸介质不变，其中第1道喷丸工序主要用于强化，第2道喷丸工序目的在于提高外表层残余压应力与降低喷丸表面的粗糙度。
变温热喷丸，喷丸机和弹丸同上，先将弹簧预热至280℃，取出弹簧立即进行喷丸，喷丸强度为0.45Amm，喷丸过程中弹簧逐渐降温至室温状态，实际是经历热喷丸和室温喷丸两个过程。
预应力热喷丸，喷丸机和弹丸同上，利用工装夹具预拉伸应力+350MPa，将弹簧和工装夹具整体预热至280℃，取出后立即喷丸，喷丸强度0.45Amm，喷丸结束后从工装夹具中卸下弹簧。
残余应力测定，借助LXRD型X射线应力仪(加拿大PROTO公司)和X350A型X射线应力仪(邯郸爱司特公司)，结合电解剥层技术，测定弹簧样品喷丸残余应力及其沿材料层深的分布曲线。测量参数包括Fe(211)衍射晶面，X射线弹性常数 S2/2=5.92×10-6MPa-1及S1= -1.28×10-6MPa-1，应力常数-318MPa/( o )，2θ范围确保衍射峰完整。利用衍射峰半高宽，间接表征喷丸形变细化组织。
3、结果及讨论
一次喷丸(0.45Amm)和二次喷丸(0.45Amm+0.15Amm)的表面轮廓线，如图1所示。表明一次喷丸工艺的表面粗糙度Ra=2.59μm和Rz=12.73μm，二次喷丸工艺为Ra=1.68μm和Rz=9.02μm，即第二次0.15Amm喷丸可以适当降低零件的表面粗糙度。
一次喷丸和二次喷丸工艺的残余应力及衍射半高宽分布曲线，分别如图2和图3所示，图中两种工艺残余应力和衍射半高宽分布曲线基本接近，但两道喷丸的表面残余压应力较高和衍射半高宽较宽，说明道0.45Amm强喷丸主要目的是表面强化，第二道0.15Amm弱喷丸可以适当提高零件外表面残余应力并且进一步改善喷丸表面形变细化组织。
变温热喷丸(0.45Amm/280℃)和预应力热喷丸(0.45Amm/350MPa/280℃)的残余应力及衍射半高宽分布曲线，分别如图4和图5所示，对照后发现，这两种工艺的喷丸残余压应力、残余压应力深度以及衍射半高宽明显高于普通的单道喷丸，尤其是预应力热喷丸的最为明显。
在加热状态下材料的塑性有所提高，受到弹丸撞击后容易发生塑性流变，导致喷丸残余压应力和残余压应力深度增大以及形变细化组织明显。此外，材料在预拉伸应力情况下其垂直拉伸方向更容易发生压缩塑性变形，喷丸所导致的材料压缩塑性流变程度增加。预应力热喷丸实际是综合了预应力喷丸和热喷丸二者的优点，两种效应交互作用的结果所产生的喷丸残余压应力、残余压应力分布最深以及形变细化组织最明显。
4、结论
试验结果表明，二次喷丸工艺中的道强喷丸主要目的是使表面层引入较优化的残余压应力场，而第二道弱喷丸包括三个目的，首先进一步提高外表层残余压应力，其次进一步改善外表层组织结构，再者降低表面粗糙度。变温热喷丸和预应力热喷丸的残余压应力和衍射半高宽明显高于一次喷丸。尤其是预应力热喷丸由于综合了预应力喷丸和热喷丸二者的优势，两种效应联合的结果将产生更为优化的残余压应力场及形变组织结构的改性。