El granallado es un proceso de fortalecimiento de superficies relativamente simple en comparación con otros métodos de modificación de superficies, pero sus efectos son significativos. Se utiliza en una variedad de industrias, incluidas la aeroespacial, locomotoras, automóviles y otras.
El principio detrás del shot peening consiste en utilizar proyectiles para impactar el material, creando pequeños agujeros en la superficie y provocando deformación plástica. Esto da como resultado una tensión residual en la superficie del metal. Los granos de cristal comprimidos debajo de la superficie deben restaurarse a su forma original, lo que crea una capa de tensión de compresión residual uniforme que fortalece la superficie del material.
Como resultado del granallado, la capa superficial del material sufre cambios estructurales. Los granos se vuelven más finos, la densidad de dislocaciones y la distorsión de la red aumentan y se forma una alta tensión de compresión residual. Esta tensión residual mejora significativamente la resistencia a la fatiga y la vida útil del material, así como su resistencia, dureza, resistencia a la corrosión por tensión y propiedades de oxidación a alta temperatura.
I. Materiales de prueba
La prueba utilizó piezas en forma de barril hechas de aleación de aluminio 2A14, un material conocido por su alta resistencia, buena resistencia al calor, buena maquinabilidad y buen rendimiento de soldadura eléctrica y costura de soldadura. La composición específica de este material se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 Composición química de la aleación de aluminio 2A14.
| Elemento | Sí | Culo | mg | zinc | Minnesota | Tú | No | Alabama |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ingrediente | 0,6-1,2 | 3.9-4.8 | 0,4-0,8 | ≤0,3 | 0,4-1,0 | ≤0,15 | ≤0,1 | otros |
Las piezas en forma de barril de aleación de aluminio 2A14 se dividieron en cuatro grupos (ver Figura 1),
- el primer grupo de valores de rugosidad superficial: Ra = 0,30-0,65 μm;
- el segundo grupo de valores de rugosidad superficial: Ra = 2,20-4,71 μm;
- el tercer grupo de valores de rugosidad superficial: Ra = 6,5-7,1 μm;
- el cuarto grupo de valores de rugosidad superficial: Ra = 1,40-1,75 μm.
(a) El primer grupo
(b) El segundo grupo
(c) El tercer grupo
(d) El cuarto grupo
Fig.1 Piezas antes del shot peening
La prueba se llevó a cabo utilizando una máquina de granallado neumática SP1200 G4, y su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 2. La granalla de plástico reforzado con fibra de vidrio se absorbió en la boquilla de alta presión bajo presión negativa, y luego la granalla se impulsó hacia el superficie de la pieza bajo alta presión.
Los perdigones utilizados en la prueba estaban hechos de perdigones de vidrio con especificación AGB70 y cumplían con el estándar AMS 2431/6. Su apariencia se muestra en la Figura 3.
Fig.2 Tratamiento de granallado
Fig.3 Bolitas de vidrio
La resistencia al granallado se verificó utilizando herramientas de fabricación propia, que se representan en la Figura 4. La base estándar para verificar la pieza de prueba ALMEN se fijó firmemente a la herramienta de fabricación propia con tornillos, y la pieza de prueba estándar ALMEN se fijó a la base estándar.
La pieza de prueba estándar ALMEN cumplió con los requisitos de los documentos SAE J 442 y AMS 2431/2. Se realizaron un mínimo de cuatro pruebas para cumplir con el requisito.
Fig.4 Dispositivo de trabajo casero.
II. Método de prueba
1. Selección de presión de granallado y flujo de granallado.
Durante el proceso de shot peening, los proyectiles son propulsados sobre la superficie del material con una determinada energía cinética, formando un flujo regular bajo una presión de aire específica. La velocidad y la fuerza de impacto de los proyectiles están determinadas por la presión del aire, mientras que el grado de deformación plástica del material está determinado por la fuerza del granallado.
Se traza la curva de saturación y se determina el punto de saturación comprobando la muestra ALMEN, lo que permite determinar la resistencia correspondiente al granallado. Al determinar la presión del flujo de aire, es aconsejable utilizar una presión más baja para reducir el desgaste de la superficie del material.
El caudal del proyectil, que es el número de proyectiles expulsados por unidad de tiempo, está relacionado con la presión del flujo de aire. Una presión de flujo de aire baja debería corresponder a un caudal más bajo. En este caso, se seleccionó una presión de flujo de aire de 0,5 × 105 Pa, lo que dio como resultado un caudal de proyectil de 3 kg/min.
Al ajustar la velocidad de movimiento hacia arriba y hacia abajo de la pistola rociadora, se pueden lograr diferentes fuerzas de granallado. Con la velocidad de movimiento del arma ajustada a 300 mm/min, 600 mm/min y 900 mm/min, se obtuvieron piezas con resistencias de granallado de 0,35 mm (A), 0,31 mm (A) y 0,27 mm (A), respectivamente.
2. Determinación del tiempo de shot peening y detección de cobertura.
El tiempo de granallado está determinado por el tiempo de saturación de la pieza de prueba ALMEN. Sin embargo, el tiempo necesario para alcanzar el 100% de cobertura en la superficie de la pieza se puede utilizar como referencia en función del tiempo de saturación de la muestra.
La ecuación de Avrami, que se basa en estadísticas aleatorias para la cobertura promedio, supone que la velocidad de llegada de las partículas es constante. La ecuación es la siguiente:
En la fórmula,
- C es cobertura (%);
- n es el índice de Avramy;
- r es el radio del diente;
- R es la velocidad media de formación de abolladuras;
- t es el tiempo necesario para formar el diente.
Según la ecuación de Avrami, la tasa de cobertura se acerca al 100% pero teóricamente es imposible alcanzar el 100%. El tiempo necesario para alcanzar la cobertura final del 10% es 1,5 veces mayor que el tiempo necesario para la cobertura inicial del 90%. El tiempo de shot peening requerido para lograr el último 1% de cobertura representará aproximadamente el 20% del tiempo total, y el tiempo requerido para el último 2% de cobertura representará casi el 40% del tiempo total. En el caso de una cobertura del 99%, el 85% de las posiciones fueron afectadas al menos dos veces y el 50% cinco o más veces.
Normalmente, si la tasa de cobertura alcanza el 98%, se considera equivalente al 100% de cobertura. Sin embargo, lograr una cobertura del 100% puede resultar en un granallado excesivo. Controlar la tasa de cobertura al 98% reducirá significativamente el tiempo de granallado.
La ecuación de Avrami establece que el radio del pozo es igual al radio del proyectil y la velocidad promedio de formación del pozo es aproximadamente la velocidad del chorro. El tiempo necesario para alcanzar el 100% de cobertura es de 20 minutos.
La cobertura de la superficie se mide utilizando el método de fluorescencia. Antes del granallado, se aplica una capa de agente fluorescente a la superficie de la pieza y se ilumina con una luz negra para asegurar una cobertura completa. Luego, las piezas se granallan. Tras el shot peening, las piezas se vuelven a iluminar bajo luz negra y, si hay poca o ninguna fluorescencia, se considera que la cobertura es del 100%. El proceso específico se ilustra en la Figura 5.
(a) Efecto del recubrimiento fluorescente en la superficie de las piezas.
(b) Piezas antes del granallado
(c) El efecto parcial después de la voladura
Figura 5 Proceso de prueba de cobertura mediante el método de fluorescencia.
Después de seleccionar una pieza, se inspeccionó más a fondo la topografía de su superficie después de la voladura, como se muestra en la Figura 6. Las Figuras 6a y 6b muestran que los cráteres de pellets están distribuidos uniformemente en toda la superficie de la pieza, lo que indica que no se perdió ninguna superficie, de acuerdo con la Resultados de la prueba de cobertura de fluorescencia. Después de la ampliación, como se muestra en la Figura 6c, no hubo grietas en la superficie y se formó una capa reforzada más densa.
(El)
(B)
(w)
Fig. 6 Morfología de la superficie después del granallado del cañón de aluminio
III. Análisis de rugosidad de la superficie S.
Para medir la rugosidad de la superficie se utiliza una punta de diamante con un radio de curvatura de aproximadamente 2 μm. El movimiento hacia arriba y hacia abajo del bolígrafo se convierte en una señal eléctrica mediante un sensor de longitud eléctrico. Después de la amplificación, el filtrado y el cálculo, el valor de rugosidad de la superficie se muestra en un medidor y se evalúa utilizando el valor Ra.
La rugosidad de la superficie de la aleación de aluminio 2A14 se probó utilizando un medidor de rugosidad y se midió la rugosidad antes y después del granallado, como se muestra en la Tabla 2. Cuando el valor de rugosidad de la superficie de la pieza sin granallado es bajo, comienza a aumentar después granallado. Esto se debe a que la dureza superficial de la pieza no es muy alta, la superficie es relativamente uniforme y la energía de impacto generada por los proyectiles es desigual, lo que lleva a la formación de agujeros más grandes en la superficie relativamente plana, provocando un aumento en la superficie. valor de rugosidad.
Sin embargo, cuando el valor de rugosidad de la superficie de la pieza granallada es alto, la superficie ya es heterogénea e irregular. La velocidad uniforme de los proyectiles provoca una deformación plástica de la superficie, que en realidad suaviza la superficie rugosa e irregular.
Tabla 2 Efecto del proceso de granallado sobre la rugosidad superficial de la aleación de aluminio
| Valor de rugosidad de la superficie antes del granallado Ra/μm | 0,35 | 1.47 | 2.60 | 6.70 |
|---|---|---|---|---|
| Valor de rugosidad de la superficie después del granallado Ra/μm (resistencia al granallado 0,35 mm (A)) | 2.20 | 2.60 | 3:30 pm. | 5.67 |
| Valor de rugosidad de la superficie antes del granallado Ra/μm | 0,55 | 1,78 | 2.20 | 6.60 |
| Valor de rugosidad de la superficie después del granallado Ra/μm (resistencia al granallado 0,31 mm (A)) | 1,96 | 2.10 | 2,80 | 4.96 |
| Valor de rugosidad de la superficie antes del granallado Ra/μm | 0,35 | 1,75 | 14:30 | 7:00 |
| Valor de rugosidad de la superficie después del granallado Ra/μm (resistencia al granallado 0,27 mm (A)) | 1,65 | 1,85 | 2.50 | 4.85 |
La Tabla 2 muestra que, bajo diferentes resistencias de granallado, cuanto mayor es la resistencia producida por la superficie, mayor es el impacto sobre su superficie de resistencia relativamente baja. Sin embargo, la tendencia general del impacto sobre la rugosidad de la superficie es consistente.
El impacto real del granallado en la superficie de la pieza depende principalmente de la transmisión de energía de los proyectiles a la superficie, que está determinada principalmente por la masa y la velocidad de los proyectiles.
La Figura 7 muestra un diagrama esquemático de la dirección de la fuerza y la aceleración de las partículas del proyectil.
Figura 7 Fuerza y dirección de aceleración de la partícula del proyectil.
Según la segunda ley de Newton, la ecuación diferencial de un proyectil se puede describir como:
F es la fuerza de arrastre recibida por las partículas del proyectil, que se puede expresar como
En la fórmula,
- M es la masa del proyectil (kg);
- C x es el coeficiente de resistencia;
- v G es la velocidad del aire de salida;
- p G es la densidad del aire que sale de la boquilla (kg/mm3);
- v t es la velocidad del proyectil en el flujo de aire que sale de la boquilla (m/s);
- d es el diámetro del proyectil (mm).
La ecuación diferencial de partículas del proyectil:
En la fórmula,
- t es el momento(s) en que el proyectil se pulveriza sobre la superficie procesada a través de la boquilla;
- p es la densidad del proyectil.
Según la fórmula termodinámica:
En la fórmula,
- p 0 y ρ 0 son la densidad bajo presión atmosférica estándar y presión atmosférica estándar, respectivamente;
- P y ρ G son la densidad bajo presión de trabajo y presión de trabajo, respectivamente.
La masa del proyectil se puede ignorar y la ecuación diferencial final para el movimiento del proyectil es:
Donde c es la constante integral, cuando las condiciones de contorno t =0 y la velocidad del proyectil v =0, c =1/v G entonces
De la fórmula derivada anteriormente, se puede deducir que el impacto de varios parámetros del proceso de granallado en el rendimiento de la superficie se puede atribuir a:
- La energía cinética del proyectil, que está relacionada con la velocidad a la que el proyectil sale de la boquilla, el tiempo que tarda el proyectil en llegar a la superficie de la pieza y la densidad y frecuencia de los proyectiles.
- Para tener un mayor control sobre la rugosidad superficial de la pieza, es necesario ajustar la velocidad del proyectil y el tamaño de las partículas disparadas.
- La rugosidad de la superficie de la pieza después del granallado refleja no sólo la colección microscópica de características de forma de la superficie, sino también la altura máxima del perfil del pozo de la superficie y el control de superficies irregulares.
- El efecto del proceso de granallado sobre la rugosidad de la superficie no sólo está determinado por la fuerza del granalla, sino también por el tamaño de las partículas de granalla y la cobertura de la superficie, que tienen una relación correspondiente.
4. Conclusión
(1) Hay ciertas superficies que no se pueden rociar, lo que sugiere que la cobertura de la superficie es buena y está libre de grietas, formando una capa de refuerzo relativamente densa.
(2) La fuerza de granallado del mismo tipo de proyectil puede cambiar la rugosidad de la superficie de la pieza de trabajo dentro de un rango específico. Por ejemplo:
- Cuando el valor de rugosidad de la superficie está entre Ra=0,30-0,65 μm, la rugosidad de la superficie puede aumentar a Ra=2,2 μm.
- Cuando el valor de rugosidad de la superficie está entre Ra = 1,40-1,75 μm, la rugosidad de la superficie después del pulido con chorro de arena permanecerá alrededor de Ra = 1,6 μm, que es similar a la rugosidad de la superficie original.
- Cuando el valor de rugosidad de la superficie está entre Ra=2,8-7,1μm, la rugosidad de la superficie puede disminuir a Ra=2,3-6,1μm.
(3) El efecto de diversos parámetros del proceso de granallado sobre el rendimiento de la capa superficial se deriva de la ecuación diferencial de partículas del proyectil y puede atribuirse a:
- La energía cinética del proyectil y la velocidad del flujo de aire desde la boquilla.
- El tiempo que tarda el proyectil en llegar a la superficie de la pieza.
- La densidad y frecuencia de los proyectiles.
Cuanto más fuerte es el proceso de granallado, mayor impacto tiene en la superficie en comparación con los procesos más débiles, pero la tendencia general del impacto en la rugosidad de la superficie permanece sin cambios.
