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数控喷丸技术

概述

 

喷丸强化

喷丸分类:喷丸按应用范围常分为三种类型1.清理喷丸2.强力喷丸(喷丸强化)3.喷丸成形 喷丸强化是一项非常传统的表面强化技术,原理是:借助高速运动的弹丸冲击工件表面,使其发生弹塑性变形,从而产生残余压应力、加工硬化等有利变化,以提高零件的弯曲/扭转疲劳强度和改善应力腐蚀开裂性能。

 

喷丸强化是一个冷处理过程,即无数个小圆形钢丸连续捶打零件表面,每颗钢丸撞击金属零件上,如一个微型棒捶敲打表面,捶出小压痕或凹陷。为形成凹陷,金属表层必定会产生拉伸。表层下,压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状,从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。

可以想象,在一个压应力区域,裂纹是难以形成或延展。由于几乎所有的疲劳和应力腐蚀失效都发生在零件表面或靠近表面的地方,因而通过喷丸强化导入压应力可显著地延长零件寿命。强化产生的残余压应力强度必须达到该零件材料的拉力强度一半。

很多金属疲劳失效的元凶是拉应力。这些拉应力产生是由于外部施加的交变载荷或生产过程如焊接、研磨、机加工形成的残余应力。拉应力试图将零件表面拉伸或拉 扯,最终导致裂纹的产生。而压应力挤压表层处的晶粒,使该区域的晶粒结构夯实、紧固地结合在一起,从而极大地延缓疲劳裂纹的形成。压应力层下,细纹延展缓 慢,因此增加压应力层深度,能有效抑制裂纹发生和发展。

 

应用领域

航空工业
航空工业对其零件有很高的要求,不但要求零件材料轻,而且要求它们能够在极其恶劣的环境下承受极端的载荷。借助于保护零件表面免遭外部破坏以及延长疲劳寿命,我们的表面处理可以改善零件的整体性能。
航空工业使用的绝大多数零件,包括飞机骨架、机翼、发动机、起落架、驱动装置、或传动零件(齿轮),均采用喷丸/抛丸处理技术满足其材料的性能指标。
飞机零部件喷丸强化处理

 

汽车零部件喷丸强化处理
汽车工业
汽车工业对材料的要求是成本低, 并能够在高的交变负载下保持良好性能。借助保护表面免遭运行时循环负载的损坏,表面处理能够改善零件的性能。
汽车工业绝大多数所使用的金属材料,包括发动机(曲轴\连杆)、悬挂机构、汽车A/B柱、传动零件(齿轮\连杆),均采用喷丸/抛丸处理技术满足其材料的性能指标。

 

机车工业
高铁工业对材料的硬度、耐磨性及抗疲劳性的要求也很高,并能够在很高的交变负载下保持良好性能。借助保护表面免遭运行时循环负载的损坏,表面处理能够改善零件的性能。
机车工业绝大多数所使用的金属材料,包括发动机(曲轴\连杆)、悬挂牵引机构、传动零件(齿轮\齿轮轴),均采用喷丸/抛丸处理技术满足其材料的性能指标。
机车部件喷丸强化处理

 

电力能源工业部件喷丸强化处理
电力能源工业
在电力工业中,喷丸技术可以提高蒸汽,燃气涡轮机,如轮盘、末级叶片,辅助零件及设备的性能,同样也可以减少诸如侵蚀,微动磨损,微动磨损疲劳,疲劳以及应力腐蚀开裂等零件疲劳失效。
在传动元件,齿轮和轴上,喷丸技术普遍用来防止零件失效。但是最近,喷丸又被越来越多地用来增加关键结构的抗载能力,如超临界电站小管径不锈钢管内壁喷丸强化;汽车车桥中螺旋主被动锥齿轮超载台架试验也得到证明。

 

其他领域
喷丸强化技术还应用于工程机械(活塞/钎头)、采矿机械、石油化工天然气、城市供气供热、医疗设备、海洋工程与海上石油开采、大型和特殊性能船舶与舰艇、电站设备、节能环保等领域。

 

喷丸强化三要素

 

喷丸强化三要素分为:1、喷丸强化设备及其附件,2、介质:各种类型的弹丸,3、工艺:喷丸强化参数、与疲劳强度的关系;

一、喷丸强化设备:(1)气力式喷丸机适合零件品种繁多且每种产品产量较低和零件品种虽少但形状复杂;

(2)机械离心力喷丸机适合零件品种少而每种的产量大和零件尺寸较大且形状简单。

 

二、喷丸介质:喷丸强化用的弹丸通常有以下几种:铸铁丸、铸钢丸、不锈钢丸、钢丝切丸、玻璃丸、陶瓷丸、镍基合金弹丸等。

弹丸质量要求

1、喷丸用的弹丸几何形状应是球形,切忌带尖棱角。此外,为避免冲击过程中的大量破碎,弹丸必须具备一定的冲击韧性。

2、喷丸机内循环使用的弹丸总量,其中符合实际尺寸的弹丸重量应占80%以上。

弹丸选择原则

1、黑色金属零件可选用任何种类的弹丸。

2、有色金属及不锈钢零件推荐选用玻璃弹丸或不锈钢弹丸。如用铸铁、铸钢或钢弹丸,则喷丸后立即清洗,以便防止零件表面产生点化学腐蚀。

3、对表面光度及形位公差严格要求(或非配合表面)的大型零件,可采用较大尺寸的弹丸以获得较高的喷丸强度;对表面光度要求较高的零件(包括配合表面),应采用较小尺寸的弹丸。这样,在获得规定喷丸强度的同时,也能达到规定的光度要求; 带有内外圆角、沟槽的零件,弹丸直径应小于内外圆角半径和沟槽宽度的一半。

 

三、喷丸强化工艺参数:

 

影响喷丸强化工艺参数:弹丸材料、弹丸尺寸、弹丸硬度、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷射时间、离心轮至零件表面的距离。

强度控制

喷丸强化强度代表的是丸流喷打产生的能量。它是强化工艺中一个非常重要的参数指标,是确保强化生产可重复性的关键因素。丸流喷射在零件表面所产生能量大小与形成的压应力水平直接相关。使用较大尺寸丸料和/或增加丸流速度,都会增加喷丸强度。除此外,喷射角度和使用的丸料也会影响强化强度。

强化强度可用阿尔门试片测量,阿尔门试片是由一片标准的SAE1070弹簧钢,对其一面进行抛/抛丸/喷丸强化,由此在其表面产生的残余压应力会让该试片向被强化的一面弯曲或弧形凸起。阿尔门试片的弧形高度(即弧高值)代表的是丸流喷打强度,这个弧高值得取得是可重复性的。

覆盖率

要取得高质量的强化结果,必须确保达到完全强化覆盖率要求。覆盖率测量的是零件表面被丸流喷打形成小凹痕覆盖的面积。覆盖率不可低于98%,因为如不达到100%,应力腐蚀和疲劳裂纹就会在未被强化到,未被导入残余压应力的地方发生并衍展开,最后仍有可能导致零件的断裂失效。

如果要求的覆盖率超过100%(如150%,200%),那就要求强化时间成比率的增加。例如,要对到200%覆盖率,强化时间将是100%覆盖率强化时间的2倍。

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