抛丸强化技术能够有效改善和提高回转类关键部件的抗疲劳寿命和耐腐蚀性能。目前,全球很多著名的汽车整车厂商和零部件制造商都已将强化列入标准的生产工艺流程中,随着抛丸强化技术的不断发展,其在汽车制造领域用于改善和提高汽车关键部件的抗疲劳寿命越来越成为人们关注的重点,大量的汽车零部件,无论是铸锻件还是压铸件,机械切削件还是焊接件都需要利用不同类型的喷/抛设备进行强化处理。
依靠喷丸强化技术,零件可设计地更轻巧,一些原来因工艺规格要求不得不使用昂贵材质的零件现在也可替换使用低价格材料,通过喷丸强化工艺能够达到同等甚至更好的性能等级,利用喷丸强化工艺有效提高零部件的抗疲劳性能和耐腐蚀性能,对其使用寿命和使用安全性具有重大的意义。
一、零件外形及强化指标
零件外形
本文主要对以下几种形状的零件展开研究,如图 1 所示。
强化指标
内应力分布均匀程度是抛喷丸加强的关键性能指标, 也是疲劳使用寿命的表征单位,但这种测定试验方式繁杂,很难达到现场要求,本文运用测定抛喷丸强度,覆盖率等参数来间接特性表现内应力及疲劳使用寿命,具体指标如表1所示。
二、待定的工艺方法及参数
喷丸强化工艺对弹丸的形状、尺寸和硬度等要求较高,用喷丸强度和表面覆盖率来控制喷丸工艺,用残余应力和疲劳试验来检测表面强化效果。
喷丸强化工艺参数包括喷射距离、弹丸流量、强化时间、喷枪移动速度、喷射压力、喷枪口径、工件旋转速度、弹丸类型、覆盖率等,其中任何一个参数的变化都会不同程度影响喷丸强度,即影响强化效果,如表2所示。
三、喷丸工艺的制定
工艺方法
喷枪动作过程：直轴需强化部位为八个过度圆角,曲轴为四个过度圆角,对于此轴类零件,应依次对每个圆角进行强化,达到要求的强化强度和覆盖率后喷枪移位进行下一圆角强化,直到所有圆角完成。对于齿圈齿面强化有两种方案:喷枪寸进与喷枪往复运行。喷枪寸进与工件旋转配合在工件表面形成条状喷射带,虽能形成带间交错,但由于喷射中心到边沿弹丸密度依次减小,所以最后工件表面覆盖率并不均匀。喷枪往复运行与工件旋转配合在工件表面形成交叉网状覆盖,使表面覆盖率均匀,同时表面强化强度跳动减小。所以齿圈强化采用喷枪动作为往复运行。
喷枪状态 - 角度：对于轴类零件圆角,工件水平放置喷枪应成45°垂直圆角喷射。对于齿圈,喷枪成一定角度尽可能垂直齿面进行喷射,以保证弹丸的最大撞击力,强化方法如图2所示。
工艺参数
弹丸类型：弹丸的材质、尺寸、形状及最小弹丸尺寸要求均依据所要强化工件的材质、圆角半径及要求的强化强度按标准 AMS-S-13165选取。
喷枪口径：弹丸类型确定后,所选喷枪口直径应大于三倍弹丸直径, 并尽可能大一些,以减小枪口处弹丸壅塞,提高机械效率。
喷射压力、喷射距离、弹丸流量。
初步设定压力、距离、弹丸流量后垂直喷射阿尔玛试片,喷射时间逐渐加长喷射多片试片后作饱和曲线,确定该参数下的强化强度。如得到的强度不符合要求,则调整参数重复上述过程,直到得出要求的强化强度,则得到该强度的喷射压力、喷射距离、弹丸流量即确定为强化此强度工件的工艺参数。
例:齿圈强度要求0.25~0.36A
试验压力: 0.3MPa;喷距:600mm;弹丸:S330;弹丸流量:3kg/min;试片:a;如图3,表3所示。
由饱和曲线得强度:0.332A ,t=10s。所以确定压力:0.3MPa,喷距:600mm,弹丸流量:3kg/min为强化齿圈的工艺参数。
强化时间：由饱和曲线可得饱和点的喷射时间,则工件需强化部位在丸流中暴露的时间应大于饱和时间,具体数值应由实际强化确定,即试片随工件一起进行喷丸,试片弧高进入该参数下强度~强度要求上限范围的时间。此时间确定为强化时间。
喷枪移动速度、工件旋转速度：对于轴类零件,强化过程中喷枪不移动,工件旋转一周时间只要小于强化时间,此外对工件旋转速度无特别要求。
对于齿圈类零件,由于喷枪要与工件的旋转配合,形成交叉网状喷射轨迹,以满足强度与覆盖率要求,所以控制过程比较复杂,经总结分以下四步完成:
(1)理论计算
首先计算在硬件特性限制下所能形成的网状覆盖的可能数。计算方法如下:
实验得喷枪在工件表面有效散射范围为 Φ60mm,两条轨迹之间交叉10mm 以弥补边缘弹丸稀疏引起的强度降低。由图4得:
由于喷枪与工件旋转为变频调速,变频器最佳工作频率范围为20Hz~50Hz,所以角度α受此限制只能存在于一个角度范围内,又因n只为偶数,所以α的解可把n=2, 4,6,8……带入求得。对应于不同α值有确定的喷枪移动速度和工件旋转速度。
变频器频率的计算:
V:线速度 m/s;f:变频器频率;S: 转差率;L1:圆周长,单位 m;P:电机极数;i:减速比。
由(5)(6)式即可初步确定喷枪移动与工件旋转的变频器频率。
例:齿圈周长 L=4526mm,B=297.4mm,工件旋转减速机电机P=4极,减速比i=2065,喷枪移动减速机电机P=4极,减速比i=731,链轮母线周长 L1=0.937m, 计算结果如表3所示:
(2) 速度选择
由于在许可轨迹倾角范围内有多种倾角可选择,应根据强化效率,单覆盖时间等因素比较选择,确定一种轨迹倾角,从而确定工件转速和喷枪移动速度,进而确定各变频器频率。
(3)变频器频率校正
由于理论计算中使用定转差率,而实际不同频率下电机转差率略有不同,所以变频器频率须由试验在理论计算基础上校正。具体方法为对工件旋转和喷枪运行进行计时,逐次逼近方法进行修正,直到得出上表中计算的枪速 V2和工件转速n。
(4)喷枪往复行程调整
由于理论计算中使用理论折线轨迹,而实际情况下喷枪在往复行程终点速度方向进行转换,在此过程中速度不为匀速所以实际轨迹线与理论轨迹线偏离,可通过调整喷枪往复行程,使实际轨迹与理论轨迹重合。调整原理如图5所示:
图5中所示“喷枪行程缩进”在实际中只有几个毫米, 远小于喷枪散射范围,所以强化过程中边缘部分强化强度与覆盖率不受影响。
四、在企业的应用效果
以上所述是在实际调试、生产过程中对大型轴/齿圈类钢制件喷丸强化工艺逐步试验得出,并经实际生产的检验。通过上述过程得出的工艺方法及参数完全满足工件的强化要求。
五、结束语
喷丸强化是一项具有广阔发展前景和应用空间的表面加工技术。随着现代工业的迅猛发展对零件表面质量疲劳寿命要求的不断提高,表面强化技术在现代航空航天兵器船舶工业中必将发挥越来越重要的作用。本文通过控制弹丸类型、喷枪口径、喷射压力、喷射距离、弹丸流量、强化时间、喷枪移动速度、工件旋转速度等强化参数对上述零件进行喷丸强化工艺进行了探讨,通过试验逐步得出适合企业强化工艺的工艺方案和工艺参数,对于企业提升对外业务竞争力、对内成本控制,均具有很高的推广价值。
参考文献略.