预应力对喷丸成形的影响

一、前言

预应力喷丸成形是指在借助外力作用形成预拉应力层的金属构件表面上，进行喷丸成形的一种成形方法。通常，该方法被用来增加金属构件表面拉应力方向(以下简称横向)上的喷丸弯曲变形，同时，减小与拉应力垂直方向(以下简称纵向)上的弯曲变形，或者控制金属构件在喷丸成形时的变形趋势等。然而，人们对预应力喷丸成形的认识还存在片面性，在对其应用中还存在盲目性。因此，本文对预应力喷丸成形规律进行了试验研究，给出了具有实际指导意义的结论。

二、试验过程

试验设备：SPW-1型数控抛丸试验机；弹丸规格：S460；弹丸流量：34kg/min；试件送进速度：2m/min；试验件材料：厚度为5mm的LY12CZ平直板材；预应变：见表1，由于喷丸工艺要求预应变必须在弹性范围内，而且弹性预应力与应变之间遵循虎克定律，而应变值又便于测量和计算，因此，本文以下部分所讲的预应力一般指预应变；表1中的预弧高值是指未喷丸成形前，在对应预应变条件下，分别测量得到的各预应力试件表面横向弧高值(对应的曲率仪测量跨距均为160mm)。

表1

三、试验结果及其分析

喷丸表面上的弧高值直接反映试件的喷丸变形程度。喷丸成形试验后，预应力喷丸试件表面上的横向和纵向弧高值数据均见表2。

表2

预应力喷丸试件横向弧高值、纵向弧高值和预弧高值与预应变之间的关系如图1所示。

图1 预应变对弧高值的影响

从曲线图1中可以直观地看出：随着预应变值的增加，横向弧高值起初缓慢增加，随后快速增大，整条曲线呈单调增趋势；与上述特点不同，纵向弧高值随预应变的增加平缓变小，整条曲线呈现单调减小走势；预弧高值大体呈线性增加。以上情况说明：预应力喷丸试件上的横向和纵向变形随预应变的增加而分别增大和减小。

4/1000的预应变已十分接近试验件材料LY12CZ的弹性极限，因而，对应的预弧高值也已接近相应的弹性弧高值极限，对应的预应力喷丸试件表面横向和纵向弧高值也基本上是该喷丸条件下对应的横向最大和纵向最小的弧高值。因此，可以认为，尽管预应力喷丸成形方法能够增加横向喷丸变形、减小纵向喷丸变形，但是，这种增大或减小都不是无限的，即增大是有限的而不是无穷大，减小也是有限的而不是一直减小到零。因而，希望通过预应力喷丸成形，使得某一方向上的喷丸变形量无限增大或无限减小到零都是不现实的。因此，不难看出，为改善喷丸型面纵向直线度，合理而经济的预应变取值不宜太大，以0.5/1000～1/1000的预应变取值较为合适。

预弧高值曲线与预应力喷丸试件表面横向弧高值曲线相交，反映出在一定的喷丸条件下预应力喷丸成形时，总存在这样一个预应变值，它使喷丸型面上的横向弧高值与预弧高值相等。两条曲线相交前、相交和相交后，预弧高值曲线分别在横向弧高值曲线的下方、相交和上方，依次显现出预弧高值小于、等于和逐渐大于横向弧高值的数值关系。说明预弧高值与对应横向弧高值之间不总是谁大或谁小的简单关系，而是因喷丸条件和预应力取值范围的不同，呈现出不同的大小关系和变化趋势。由此也产生了预应力喷丸成形时的“回弹”现象(即横向弧高值小于对应的预弧高值)，而这一现象在自由应力(即预应力为零)喷丸成形中是不存在的。

预弧高值与对应横向弧高值之间的变化规律，无论对全面认识还是正确应用预应力喷丸成形技术，都具有十分重要的意义。

此外，预弧高值与对应横向弧高值相等这一现象将具有日益重要的实际应用价值。

对试验数据的处理结果显示，横向弧高值与对应预应变和预弧高值之间均呈现指数关系。

四、结论

(1)预应力能够在一定范围内增大预应力喷丸型面横向变形量，同时，也可以改变预应力对应的预变形与预应力喷丸变形之间的大小关系，并且，预应力喷丸变形与预应变和预变形之间均呈现指数关系。

(2)预应力可以减小预应力喷丸型面纵向变形量，但是，不能消除该方向上的喷丸变形。建议在以改善喷丸型面纵向直线度为主要目的的预应力喷丸成形应用中，应选取较小的预应变值，以0.5/1000～1/1000的取值范围较为适宜。

(3)预应力能够使对应的预变形与预应力喷丸型面横向变形大小相等，由此可以实现夹具对预应力喷丸型面的精确控制。