范開富 張浩 張凱

金馬工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 山東 日照 276826

1 概述

1.1 目的

強化拋丸技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向機制造領(lǐng)域，強化拋丸工藝有氣動和機械等丸粒加速的方式。本文介紹了拋丸機采用機械方式將一定直徑的鋼丸加速，使鋼丸高速打擊被強化零件，讓零件表層形成保護(hù)作用的殘余應(yīng)力，產(chǎn)生加工硬化等有利變化，這對于處于長期交變應(yīng)力下的活塞和扇形軸，可以延長零件的疲勞壽命，同時可以提高零件的彎曲度、抗勞強度，改善應(yīng)力腐蝕開裂性能，大大提高了零件的使用壽命。

1.2 強化拋丸工藝參數(shù)

工作介質(zhì)：（1）鑄鋼丸（AMS 2431/1 or AMS 2431/2）：熔融的鋼水經(jīng)熱處理及尺寸篩分硬度為45～52 HRC(AMS 2431/1)或55～62 HRC(AMS 2431/2)密度最小為7 g/cm3尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表4之規(guī)定。（2）鋼絲切丸（AMS 2431/3）或AMS 2431/8：由切成與鋼絲直徑等長的小段經(jīng)過鈍化過程去除銳角而成硬度為45～52 HRC(AMS2431/3)或55～62 HRC(AMS 2431/8)密度及尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表3及表4之規(guī)定。（3）鋼絲（AMS 2431/5）：由切成小段的鋼線經(jīng)過研磨圓化表面硬度57～62 HRC芯部硬度40 HRC尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表1之規(guī)定（SAE AMS2431/5B：Peening Media Case Hardened Steel Peening Balls）。（4）玻璃丸（AMS 2431/6）：made with high quality glass of the soda-lime type and 以及至少67%含量的硅硬度48～52 HRC密度最小為2.3g/cm3尺寸依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表1之規(guī)定。（5）陶瓷丸（AMS 2431/7）：由氧化鋯硅及鋁融化而成硬度58～63 HRC密度3.60～3.95g/cm3尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表1之規(guī)定。

試片類型：N、A、C三種試片

工作壓力：根據(jù)零件檢驗規(guī)范，按照SAE J443標(biāo)準(zhǔn)運行飽和曲線調(diào)整參數(shù)

打擊速度：根據(jù)零件檢驗規(guī)范，按照SAE J443標(biāo)準(zhǔn)運行飽和曲線調(diào)整參數(shù)

彈丸流量：根據(jù)產(chǎn)品強噴區(qū)域要求的覆蓋率和試片弧高值調(diào)整參數(shù)

覆蓋率：根據(jù)表面被丸流拋射打擊形成的小凹坑痕覆蓋的面積調(diào)整打擊速度參數(shù)，改變零件表面的覆蓋率

2 拋丸強度及強噴范圍

2.1 拋丸強度

2.1.1 噴丸的參數(shù)：①噴丸在工件表面產(chǎn)生一個殘留壓應(yīng)力層以及其下的一個小張力；②最大的壓縮應(yīng)力及其位置是象征抗疲勞的改善；③最大的壓應(yīng)力值是降服應(yīng)力的函數(shù)（δYS)；④殘余應(yīng)力的深度是由噴丸強度所決定；⑤對于一個有效的工藝來說噴丸強度的控制非常重要。

2.1.2 影響噴丸強度的參數(shù)：①機器設(shè)備（壓力式及葉輪式）包括彈丸流量、流速（轉(zhuǎn)速或壓力）、噴丸角度（大于45°）及與工件之間的距離；②噴丸介質(zhì)包括介質(zhì)尺寸的大小、介質(zhì)硬度。

2.1.3 依據(jù)J.O.Almen測量強度方法：

（1）平坦度：量得噴丸弧高度測量儀上的試片平坦度如下：

（2）材質(zhì)：SAE 1070冷軋彈簧鋼；（3）加工：淬火+回火處理，去除所有毛刺；（4）熱處理：所有試片必須均勻硬化且經(jīng)至少攝氏371度的回火處理，以產(chǎn)生回火屈氏體硬度，與表面量測到的硬度HRC44～50相同，N試片為HRA72.5～76.0；（5）表面含碳量：以Rockwell 30-N的量表測量試片時，不可因表層含碳量的變化使其表面和表面下的平均硬度之差值超過2。比對時每個區(qū)域至少要有四個讀數(shù)的平均值，用來判定的試片必須是沒有噴丸過的，而且不能是測試過的。表面硬度讀值比表面下硬度的讀值低是表示被脫碳，表面硬度的讀值比表面下硬度讀值高表示滲碳。（例如用Rockwell 30-N的量表所測得表面平均硬度為62.5時，于經(jīng)過仔細(xì)研磨后的試片，其表面下硬度為64，這樣的試片是可接受的。如果讀到的表面下硬度為65時，因其差異值超過2，則不能接受。

（6）將“C”試片的強度值乘以3.5得到相當(dāng)于“A”試片之強度，將“A”試片的強度值乘以3得到相當(dāng)于“N”試片之強度。

2.1.4 阿爾門試片使用誤區(qū)：（1）應(yīng)避免使用小尺寸的試片無法在標(biāo)準(zhǔn)的強度計上測量；（2）應(yīng)避免使用其他材質(zhì)的試片無法與設(shè)計工程師所建立的強度相關(guān)。

2.1.5

（1）依據(jù)平坦度區(qū)分阿爾門試片之等級

?

（2）依據(jù)硬度區(qū)分阿爾門試片之等級

?

2.1.6

（1）阿爾門試片固定用試片夾具（試片固定座之材質(zhì)建議：任何合金鋼或碳鋼，最小硬化深度0.7mm，硬度57HRC。當(dāng)固定座磨損或其變形不致影響試片功能時，可使用替代材質(zhì)及厚度。使用M5沉頭螺絲或平頭螺絲以及方形螺帽。替代品：只有在倒角的螺絲孔使用螺絲）。

（2）阿爾門試片檢測用阿爾門強度計（測量儀）。

2.1.7 阿爾門試片彎曲補償

（1）噴丸之前試片超出平坦的尺寸可做為原始弧高讀值的補償之用。

（2）彎曲補償法須要在噴丸之前及之后測量試片的同一面，并注意正負(fù)號及讀值，然后計算兩者之間的差值。

（3）本方法并非強制性，是客戶因規(guī)范或是審核過的技術(shù)要求而使用的。

（4）彎曲補償范例：

?

2.1.8 根據(jù)SAE J443測量噴丸強度

（1）噴丸強度 噴丸試片飽和時，弧高值代表強度。

（2）飽和 噴丸時間對應(yīng)弧高的曲線用來定義飽和。對測試試片進(jìn)行拋丸，并將噴丸時間逐漸增加，而且其他所有的條件都維持恒定，把一系列的點劃在噴丸時間對應(yīng)的弧高的圖上，即可畫出曲線。這些點用普通的形狀定義曲線如圖：

SAE J443 Jan’ 03.

注：僅有飽和曲線將指出噴丸時間以及強度值。

（3）當(dāng)拋丸時間增加為兩倍的時間后，曲線中弧高值的增加小于或等于10%的第一個位置點（彎曲的位置）即為飽和點，如上圖SAE J443 Jan’ 03.飽和曲線。

（4）測試試片的讀值是弧高值，而非強度值因此只噴一個試片無法獲得強度值，噴丸強度只能經(jīng)過前述的程序來決定，如上圖SAE J443 Jan’03.飽和曲線。

（5）強度只能由飽和曲線來決定，但對于工藝控制來說，強度可用一個試片或有些規(guī)范中所規(guī)定的兩個試片來確認(rèn)。

2.1.9 確認(rèn)噴丸強度 兩種確認(rèn)方法

（1）確認(rèn)的試片必須要在指定的強度范圍內(nèi)，本方法允許從原始提供的強度更動飽和曲線而仍須在其范圍內(nèi)（如SAE J443.）。

（2）確認(rèn)的試片必須要在原始曲線的指定容許范圍內(nèi)，這是在某些規(guī)范中更嚴(yán)格的要求。

2.1.10 阿爾門試片位置

（1）阿爾門試片夾具的位置在生產(chǎn)過程計劃時就必須決定。（2）夾具應(yīng)有可供辨識，且無法去除記號的標(biāo)示，以及可以相互參照的文件及技術(shù)資料。（3）阿爾門試片的夾具應(yīng)該與工件相似，且應(yīng)考慮遮蓋及反彈的問題。（4）可以使用報廢產(chǎn)品。（5）將阿爾門試片夾定器焊接在仿制或報廢的工件上。其它考慮因素：①有不同強度要求的區(qū)域必須要有單獨的試片位置；②重要工件上已知的失敗區(qū)域；③不易進(jìn)入接觸或因設(shè)備本身限制的區(qū)域；④為了在其他的區(qū)域達(dá)到完全覆蓋率的要求所做的過度噴丸；⑤有可能產(chǎn)生變形區(qū)域；⑥特殊的內(nèi)徑槍噴丸的區(qū)域（也許須要遮蓋的試片）；⑦設(shè)備的控制及自動化的程度例如參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測及統(tǒng)計制管理也許可以減少試片需要的數(shù)量。

2.2 強噴范圍

2.2.1 動力轉(zhuǎn)向機活塞的齒強噴范圍示意圖：

2.2.2 動力轉(zhuǎn)向機扇形軸的齒強噴范圍示意圖:

2.2.3 強噴區(qū)域要求100%～200%覆蓋率。

3 夾具和其他要求

3.1 活塞和扇形軸在強化拋丸過程中，活塞和扇形軸固定正確，以使噴射流導(dǎo)向需要噴丸的根部半徑區(qū)域。

3.2 每當(dāng)檢驗規(guī)范不合格或進(jìn)行重大維修保養(yǎng)時，任何過程更改時都要按SAE J443運行飽和度曲線，或者至少一年一次。

3.3 壓力或流量參數(shù)不變的情況下，當(dāng)設(shè)備更換新的丸料或更換新的產(chǎn)品時，必須檢測弧高值與覆蓋率。

3.4 工件強噴區(qū)域與噴嘴距離范圍150～200mm，兩個噴嘴之間的距離不小30mm，噴嘴角度根據(jù)零件的實際情況而定。

4 合格檢驗

4.1 噴丸后的扇形軸和活塞必須承受用戶要求的停車疲勞測試的次數(shù)。

5 殘余應(yīng)力

5.1 某個深度范圍內(nèi)，至少達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的最小殘余應(yīng)力值。

5.2 殘應(yīng)力檢測，通常用X射線衍射衍射測量殘余應(yīng)力，測試殘余應(yīng)力方法除X射線衍射法外，還有機械法、電阻法、聲學(xué)法等，在這些檢測殘余應(yīng)力方法中，只有X射線衍射為非破壞性的，可測定表層10～35um內(nèi)的應(yīng)力。測定零件沿層深度的殘余應(yīng)力，通常采用剝層，即通過切削或腐蝕進(jìn)行剝層（例如：腐蝕剝層可借助XF-1型電解拋光機及飽和NaCl水解電解液進(jìn)行剝層）。殘余應(yīng)力檢測屬于有損檢測，檢測時間長，工藝驗證和設(shè)備調(diào)試時抽取零件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。生產(chǎn)過程中，通常通過檢測試片弧高值的穩(wěn)定性來進(jìn)行控制。

5.3 殘余應(yīng)力檢測位置按用戶規(guī)定的零件要求。

6 結(jié)束語

在活塞和扇形軸加工工藝過程中齒部強化拋丸是非常重要的一序，它極大的提高了零件的使用壽命，從而使零件獲得更理想的效果。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，強化拋丸技術(shù)不斷進(jìn)步，以滿足更多用戶特定的生產(chǎn)要求。