第三十七期 铸造件的喷丸强化
      发布时间:2021/10/15 11:02:29

      喷丸不是一项新技术,但在需要时,喷丸强化已被证明能够将铸件的循环寿命提高700%以上。

      喷丸通常被认为是昂贵的、难以控制、不适合高产能零件、且只应用于复杂的飞机部件的工艺。虽然喷丸技术已用于提高某些飞机部件的疲劳寿命多年,但其他的理解并不十分准确。例如,每次在铸造喷丸机中清理铸件时,也会在一定程度上进行喷丸强化。


      什么是喷丸?

      简单地说,喷丸就是用高速抛射的小颗粒轰击零件表面。每次这些颗粒中的一个撞击表面时,就会在零件上留下一个小凹痕。这些颗粒必须至少与零件一样硬或比零件硬,否则零件会使颗粒凹陷。凹痕表面下的区域处于压缩状态(图1A)。最终,当足够多的颗粒轰击零件,整个表面布满凹痕时,表面下的所有区域都处于压缩状态(图1B)。

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      当一个零件在服役时,通常它处于张力状态,力试图将其拉开。然而,对于喷丸零件,表面和正下方区域处于压缩状态,这实际上会将零件推到一起。因此,当载荷施加在喷丸零件上时,首先必须克服压应力,然后才能在表面产生任何拉伸应力。由于大多数裂缝起源于表面,这一点非常重要。在疲劳型应用中,当零件在屈服点或屈服点以下反复受力时,这种影响最为显著。由于压缩层很薄,通常小于0.030英寸,因此在检查零件的极限强度时,效果通常不明显。


      喷丸设备

      如上所述,在喷丸机中清理的铸件也在进行喷丸强化。喷丸清理和喷丸强化之间唯一真正的区别是目的和控制。通过喷丸清理,去除型砂和改善外观是目标。通过喷丸强化,实现了相同的目标,但此外,还试图控制表面的压应力层。相同的抛丸机可用于任何一种用途。

      用于喷丸强化的工具非常简单。首先,需要一台喷丸机。同样,它可能是用于清理铸件的同一台机器,不论是台式、滚筒式还是其他类型。主要的区别是它能够提供一种可重复的方式,用喷丸流对零件进行喷射。滚筒型设备以随机混合式动作对铸件的整个表面进行喷射,而其他设备可能会将丸粒集中在零件的某个区域。

      其次,采用阿尔门试片、试块和弧高表来测量喷丸强度。阿尔门试片是硬化钢片(HRC 44-50),用四个螺钉平放在渗碳矩形阿尔门试块上(图2)。试片的一侧暴露在喷丸中,就像零件的表面一样。喷丸后,从试块上取下试片。试片一侧的压应力使它弯曲。试片弯曲量用弧高表以千分之一英寸为单位测量,称为弧高值(图2)。

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      图 2


      根据要测量的喷丸强度,可提供三种类型的阿尔门试片。它们分别是N、A和C,其中C最厚。为了获得比较贴切的效果,阿尔门试块和试片通常直接安装在待喷丸的零件上和零件的关键区域。

      第三,用于喷丸零件的丸料必须与零件一样硬或比零件更硬。对于大多数铸铁零件,标准钢丸(HRC 45-55)就足够了。钢丸也有不同的尺寸,如S330或S390,数字表示钢丸的直径(分别为0.033英寸和0.039英寸)。如喷丸清理一样,钢丸必须足够小,以穿透零件的所有半径。可获得的强度也与钢丸尺寸成正比。钢丸越大,其动量越大,因此压应力越高。然而,用较大的钢丸对零件表面进行完全喷丸也需要较长的时间。对于大多数铸造应用,S330和S390尺寸足够。


      喷丸控制

      喷丸强化中有两项是最重要的:强度和覆盖率。基本上,它是压应力的量度,是喷射速度、钢丸尺寸和喷丸时间的函数。强度是用阿尔门弧高表以弧高来测量的,为了控制强度,需要维护喷丸机,使其始终以相同的速度和相同的模式喷射钢丸。此外,钢丸尺寸需要保持合理恒定。钢丸会随着使用磨损和分裂。功能合理的分离器会将尺寸不合格的钢丸分离出去。

      覆盖率是对喷丸表面面积的量度。为了有效,整个表面都应该被喷丸到。完全覆盖也称为饱和,可以用阿尔门试片法来确定。当零件被喷丸越来越久,强化或弧高会增加到一个点,随后变化曲线变平。超过这一点的喷丸几乎没有益处。饱和或完全覆盖被定义为当喷丸时间加倍时,弧高增加10%或更少时的点(图3)。通过控制喷丸时间保持饱和曲线。在滚筒式机器中,还需要保持载荷大小,因为更大的载荷需要更长的时间才能完全覆盖。

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      案例史

      对SAE 4018级球墨铸铁转向节铸件进行了不同时间的喷丸处理,并进行了疲劳试验。铸件在铸件厂的滚筒式喷丸机中进行喷丸。采用S330型钢丸,并且载荷保持恒定。

      为了测量弧高,将五个阿尔门试块安装在每个载荷都包括的转向节铸件上(图4)。通过以增加的循环时间运行载荷来确定饱和曲线。每次循环后,取出阿尔门试片并读取其弧高值。然后将新的阿尔门试片放置在铸件上用于下一个循环。

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      图5显示了结果。饱和时间约为6.5分钟。然后在相同条件下对铸件喷丸0、6和16分钟的喷丸处理,然后返回进行疲劳试验。这些结果如图6所示。刚达到饱和的喷丸使疲劳寿命增加了581%。喷丸远远超过饱和,达到16分钟,循环寿命增加了721%。即使有缺陷(样品12),疲劳寿命也增加了180%。

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      结论

      喷丸强化是提高铸件疲劳寿命的有效手段。它执行起来相对简单,只需要比普通的喷丸清理稍微多一点的控制。对于每个零件和喷丸机,喷丸必须满足以下要求:

      ● 确定要使用的载荷量(零件或容器的数量等)。

      ● 绘制弧高与喷丸时间的关系图,以确定饱和曲线。

      ● 确定循环时间或饱和基础(100%饱和时间、150%、200%等;150%将提供一定程度的安全性)。

      ● 维持喷丸设备和钢丸尺寸。

      ● 定期检查已建立周期的弧高,以保持强度。

      铸件应在喷丸前应进行研磨和热处理。如果零件在喷丸后被研磨,则压应力层将被去除。同样,喷丸仅对未加工的零件区域有效。喷丸后的热处理也会破坏压应力。


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