拋丸強(qiáng)化技術(shù)能夠有效改善和提高回轉(zhuǎn)類關(guān)鍵部件的抗疲勞壽命和耐腐蝕性能。目前,全球很多著名的汽車整車廠商和零部件制造商都已將強(qiáng)化列入標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝流程中,隨著拋丸強(qiáng)化技術(shù)的不斷發(fā)展,其在汽車制造領(lǐng)域用于改善和提高汽車關(guān)鍵部件的抗疲勞壽命越來越成為人們關(guān)注的重點,大量的汽車零部件,無論是鑄鍛件還是壓鑄件,機(jī)械切削件還是焊接件都需要利用不同類型的噴/拋設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)化處理。
依靠噴丸強(qiáng)化技術(shù),零件可設(shè)計地更輕巧,一些原來因工藝規(guī)格要求不得不使用昂貴材質(zhì)的零件現(xiàn)在也可替換使用低價格材料,通過噴丸強(qiáng)化工藝能夠達(dá)到同等甚至更好的性能等級,利用噴丸強(qiáng)化工藝有效提高零部件的抗疲勞性能和耐腐蝕性能,對其使用壽命和使用安全性具有重大的意義。
一、零件外形及強(qiáng)化指標(biāo)
零件外形
本文主要對以下幾種形狀的零件展開研究,如圖 1 所示。
強(qiáng)化指標(biāo)
內(nèi)應(yīng)力分布均勻程度是拋噴丸加強(qiáng)的關(guān)鍵性能指標(biāo), 也是疲勞使用壽命的表征單位,但這種測定試驗方式繁雜,很難達(dá)到現(xiàn)場要求,本文運(yùn)用測定拋噴丸強(qiáng)度,覆蓋率等參數(shù)來間接特性表現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力及疲勞使用壽命,具體指標(biāo)如表1所示。
二、待定的工藝方法及參數(shù)
噴丸強(qiáng)化工藝對彈丸的形狀、尺寸和硬度等要求較高,用噴丸強(qiáng)度和表面覆蓋率來控制噴丸工藝,用殘余應(yīng)力和疲勞試驗來檢測表面強(qiáng)化效果。
噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)包括噴射距離、彈丸流量、強(qiáng)化時間、噴槍移動速度、噴射壓力、噴槍口徑、工件旋轉(zhuǎn)速度、彈丸類型、覆蓋率等,其中任何一個參數(shù)的變化都會不同程度影響噴丸強(qiáng)度,即影響強(qiáng)化效果,如表2所示。
三、噴丸工藝的制定
工藝方法
噴槍動作過程：直軸需強(qiáng)化部位為八個過度圓角,曲軸為四個過度圓角,對于此軸類零件,應(yīng)依次對每個圓角進(jìn)行強(qiáng)化,達(dá)到要求的強(qiáng)化強(qiáng)度和覆蓋率后噴槍移位進(jìn)行下一圓角強(qiáng)化,直到所有圓角完成。對于齒圈齒面強(qiáng)化有兩種方案:噴槍寸進(jìn)與噴槍往復(fù)運(yùn)行。噴槍寸進(jìn)與工件旋轉(zhuǎn)配合在工件表面形成條狀噴射帶,雖能形成帶間交錯,但由于噴射中心到邊沿彈丸密度依次減小,所以最后工件表面覆蓋率并不均勻。噴槍往復(fù)運(yùn)行與工件旋轉(zhuǎn)配合在工件表面形成交叉網(wǎng)狀覆蓋,使表面覆蓋率均勻,同時表面強(qiáng)化強(qiáng)度跳動減小。所以齒圈強(qiáng)化采用噴槍動作為往復(fù)運(yùn)行。
噴槍狀態(tài) - 角度：對于軸類零件圓角,工件水平放置噴槍應(yīng)成45°垂直圓角噴射。對于齒圈,噴槍成一定角度盡可能垂直齒面進(jìn)行噴射,以保證彈丸的最大撞擊力,強(qiáng)化方法如圖2所示。
工藝參數(shù)
彈丸類型：彈丸的材質(zhì)、尺寸、形狀及最小彈丸尺寸要求均依據(jù)所要強(qiáng)化工件的材質(zhì)、圓角半徑及要求的強(qiáng)化強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn) AMS-S-13165選取。
噴槍口徑：彈丸類型確定后,所選噴槍口直徑應(yīng)大于三倍彈丸直徑, 并盡可能大一些,以減小槍口處彈丸壅塞,提高機(jī)械效率。
噴射壓力、噴射距離、彈丸流量。
初步設(shè)定壓力、距離、彈丸流量后垂直噴射阿爾瑪試片,噴射時間逐漸加長噴射多片試片后作飽和曲線,確定該參數(shù)下的強(qiáng)化強(qiáng)度。如得到的強(qiáng)度不符合要求,則調(diào)整參數(shù)重復(fù)上述過程,直到得出要求的強(qiáng)化強(qiáng)度,則得到該強(qiáng)度的噴射壓力、噴射距離、彈丸流量即確定為強(qiáng)化此強(qiáng)度工件的工藝參數(shù)。
例:齒圈強(qiáng)度要求0.25~0.36A
試驗壓力: 0.3MPa;噴距:600mm;彈丸:S330;彈丸流量:3kg/min;試片:a;如圖3,表3所示。
由飽和曲線得強(qiáng)度:0.332A ,t=10s。所以確定壓力:0.3MPa,噴距:600mm,彈丸流量:3kg/min為強(qiáng)化齒圈的工藝參數(shù)。
強(qiáng)化時間：由飽和曲線可得飽和點的噴射時間,則工件需強(qiáng)化部位在丸流中暴露的時間應(yīng)大于飽和時間,具體數(shù)值應(yīng)由實際強(qiáng)化確定,即試片隨工件一起進(jìn)行噴丸,試片弧高進(jìn)入該參數(shù)下強(qiáng)度~強(qiáng)度要求上限范圍的時間。此時間確定為強(qiáng)化時間。
噴槍移動速度、工件旋轉(zhuǎn)速度：對于軸類零件,強(qiáng)化過程中噴槍不移動,工件旋轉(zhuǎn)一周時間只要小于強(qiáng)化時間,此外對工件旋轉(zhuǎn)速度無特別要求。
對于齒圈類零件,由于噴槍要與工件的旋轉(zhuǎn)配合,形成交叉網(wǎng)狀噴射軌跡,以滿足強(qiáng)度與覆蓋率要求,所以控制過程比較復(fù)雜,經(jīng)總結(jié)分以下四步完成:
(1)理論計算
首先計算在硬件特性限制下所能形成的網(wǎng)狀覆蓋的可能數(shù)。計算方法如下:
實驗得噴槍在工件表面有效散射范圍為 Φ60mm,兩條軌跡之間交叉10mm 以彌補(bǔ)邊緣彈丸稀疏引起的強(qiáng)度降低。由圖4得:
由于噴槍與工件旋轉(zhuǎn)為變頻調(diào)速,變頻器最佳工作頻率范圍為20Hz~50Hz,所以角度α受此限制只能存在于一個角度范圍內(nèi),又因n只為偶數(shù),所以α的解可把n=2, 4,6,8……帶入求得。對應(yīng)于不同α值有確定的噴槍移動速度和工件旋轉(zhuǎn)速度。
變頻器頻率的計算:
V:線速度 m/s;f:變頻器頻率;S: 轉(zhuǎn)差率;L1:圓周長,單位 m;P:電機(jī)極數(shù);i:減速比。
由(5)(6)式即可初步確定噴槍移動與工件旋轉(zhuǎn)的變頻器頻率。
例:齒圈周長 L=4526mm,B=297.4mm,工件旋轉(zhuǎn)減速機(jī)電機(jī)P=4極,減速比i=2065,噴槍移動減速機(jī)電機(jī)P=4極,減速比i=731,鏈輪母線周長 L1=0.937m, 計算結(jié)果如表3所示:
(2) 速度選擇
由于在許可軌跡傾角范圍內(nèi)有多種傾角可選擇,應(yīng)根據(jù)強(qiáng)化效率,單覆蓋時間等因素比較選擇,確定一種軌跡傾角,從而確定工件轉(zhuǎn)速和噴槍移動速度,進(jìn)而確定各變頻器頻率。
(3)變頻器頻率校正
由于理論計算中使用定轉(zhuǎn)差率,而實際不同頻率下電機(jī)轉(zhuǎn)差率略有不同,所以變頻器頻率須由試驗在理論計算基礎(chǔ)上校正。具體方法為對工件旋轉(zhuǎn)和噴槍運(yùn)行進(jìn)行計時,逐次逼近方法進(jìn)行修正,直到得出上表中計算的槍速 V2和工件轉(zhuǎn)速n。
(4)噴槍往復(fù)行程調(diào)整
由于理論計算中使用理論折線軌跡,而實際情況下噴槍在往復(fù)行程終點速度方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換,在此過程中速度不為勻速所以實際軌跡線與理論軌跡線偏離,可通過調(diào)整噴槍往復(fù)行程,使實際軌跡與理論軌跡重合。調(diào)整原理如圖5所示:
圖5中所示“噴槍行程縮進(jìn)”在實際中只有幾個毫米, 遠(yuǎn)小于噴槍散射范圍,所以強(qiáng)化過程中邊緣部分強(qiáng)化強(qiáng)度與覆蓋率不受影響。
四、在企業(yè)的應(yīng)用效果
以上所述是在實際調(diào)試、生產(chǎn)過程中對大型軸/齒圈類鋼制件噴丸強(qiáng)化工藝逐步試驗得出,并經(jīng)實際生產(chǎn)的檢驗。通過上述過程得出的工藝方法及參數(shù)完全滿足工件的強(qiáng)化要求。
五、結(jié)束語
噴丸強(qiáng)化是一項具有廣闊發(fā)展前景和應(yīng)用空間的表面加工技術(shù)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展對零件表面質(zhì)量疲勞壽命要求的不斷提高,表面強(qiáng)化技術(shù)在現(xiàn)代航空航天兵器船舶工業(yè)中必將發(fā)揮越來越重要的作用。本文通過控制彈丸類型、噴槍口徑、噴射壓力、噴射距離、彈丸流量、強(qiáng)化時間、噴槍移動速度、工件旋轉(zhuǎn)速度等強(qiáng)化參數(shù)對上述零件進(jìn)行噴丸強(qiáng)化工藝進(jìn)行了探討,通過試驗逐步得出適合企業(yè)強(qiáng)化工藝的工藝方案和工藝參數(shù),對于企業(yè)提升對外業(yè)務(wù)競爭力、對內(nèi)成本控制,均具有很高的推廣價值。
參考文獻(xiàn)略.