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汽车工业中的抛喷丸强化应用


第 10 卷- 2022 年 3 月刊
增材制造和喷丸强化,初始表面状态的重要性





这不是我第一次写增材制造及其与汽车喷丸强化的关系。如果没记错的话,上一次,我强调了与增材制造零件的后处理相关的成本问题,强调该成本的最终发生率甚至可以达到总成本的40%。这就是为什么AM不容易作为一种制造技术引入的一个原因,至少在我们将AM视为一种以与传统技术相同的方式制造零件的工艺时不能引入。
秘诀是重新设计机械零件,考虑并利用增材制造工艺:几乎没有形状约束,新的微结构设计具有非常轻,并且只有少量废料。
但是,说到结构零件,问题还是一样的:内部缺陷的存在和表面状态,不适合承受循环荷载,最终也不适合抵抗疲劳。汽车也不例外。在这种情况下,我们也希望可以有轻而耐用的零件,AM是拓扑优化或设计新材料结构的理想工具,能够实现轻量化;但是,这些零件在空态条件下的疲劳强度相当差,需要进行后处理。喷丸强化是一种很好的备选方法,可以将疲劳强度提高到合理的水平。但是,对于这些材料,我们应该考虑哪些喷丸强化参数呢?对于这些不同的材料和表面,表面精整、表面加工硬化和残余应力的作用是什么?
我和我的团队最近的研究调查了这些方面,目前为止,我们得到的结果很有趣。我们对采用选择性激光熔化(SLM)制造的AlSi10Mg合金试样进行了喷丸强化,并在旋转弯曲荷载下进行了测试。我们考虑了以下条件:空态、热处理、喷丸强化和热处理+喷丸强化。选择喷丸强化参数时考虑了材料的常用值。结果很有趣。空态条件下的疲劳强度可以忽略不计,不足以满足任何实际应用。热处理后,疲劳强度大大提高,约为80 MPa。喷丸强化的效果更好,约为180 MPa。但更有趣的是,喷丸强化前进行热处理,疲劳强度下降到100 MPa。对破裂样品的事后分析表明,两个系列的失效模式不同,而疲劳试验前后的残余应力测量表明,初始残余压应力没有预期的高,试验后,残余压应力大大降低。
长话短说,似乎从SLM典型的空态表面状态开始,根据我们所用的参数,通过喷丸强化缓解疲劳的主要因素不是残余应力场,而是修改后的表面精整状态。从不同的角度来说,AM零件的初始条件与普通零件有很大不同,而这一因素则会影响这些元件喷丸强化的方式。
我们需要更多调查和研究,找到正确的喷丸强化方法,从而最大限度地提高性能。同时,我们了解到,同样采用AM工艺生产的零件,喷丸强化是缓解疲劳的有力工具,并且能够为汽车结构零件开启增材制造的应用。这是一个很好的开始。
(如有兴趣了解完整研究结果,请与我联系)。



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