第三十七期 鑄造件的噴丸強化
發布時間:2021/10/15 11:02:29

噴丸不是一項新技術,但在需要時,噴丸強化已被證明能夠將鑄件的循環壽命提高700%以上。

噴丸通常被認為是昂貴的、難以控制、不適合高產能零件、且只應用于復雜的飛機部件的工藝。雖然噴丸技術已用于提高某些飛機部件的疲勞壽命多年,但其他的理解并不十分準確。例如,每次在鑄造噴丸機中清理鑄件時,也會在一定程度上進行噴丸強化。


什么是噴丸?

簡單地說,噴丸就是用高速拋射的小顆粒轟擊零件表面。每次這些顆粒中的一個撞擊表面時,就會在零件上留下一個小凹痕。這些顆粒必須至少與零件一樣硬或比零件硬,否則零件會使顆粒凹陷。凹痕表面下的區域處于壓縮狀態(圖1A)。最終,當足夠多的顆粒轟擊零件,整個表面布滿凹痕時,表面下的所有區域都處于壓縮狀態(圖1B)。

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當一個零件在服役時,通常它處于張力狀態,力試圖將其拉開。然而,對于噴丸零件,表面和正下方區域處于壓縮狀態,這實際上會將零件推到一起。因此,當載荷施加在噴丸零件上時,首先必須克服壓應力,然后才能在表面產生任何拉伸應力。由于大多數裂縫起源于表面,這一點非常重要。在疲勞型應用中,當零件在屈服點或屈服點以下反復受力時,這種影響最為顯著。由于壓縮層很薄,通常小于0.030英寸,因此在檢查零件的極限強度時,效果通常不明顯。


噴丸設備

如上所述,在噴丸機中清理的鑄件也在進行噴丸強化。噴丸清理和噴丸強化之間唯一真正的區別是目的和控制。通過噴丸清理,去除型砂和改善外觀是目標。通過噴丸強化,實現了相同的目標,但此外,還試圖控制表面的壓應力層。相同的拋丸機可用于任何一種用途。

用于噴丸強化的工具非常簡單。首先,需要一臺噴丸機。同樣,它可能是用于清理鑄件的同一臺機器,不論是臺式、滾筒式還是其他類型。主要的區別是它能夠提供一種可重復的方式,用噴丸流對零件進行噴射。滾筒型設備以隨機混合式動作對鑄件的整個表面進行噴射,而其他設備可能會將丸粒集中在零件的某個區域。

其次,采用阿爾門試片、試塊和弧高表來測量噴丸強度。阿爾門試片是硬化鋼片(HRC 44-50),用四個螺釘平放在滲碳矩形阿爾門試塊上(圖2)。試片的一側暴露在噴丸中,就像零件的表面一樣。噴丸后,從試塊上取下試片。試片一側的壓應力使它彎曲。試片彎曲量用弧高表以千分之一英寸為單位測量,稱為弧高值(圖2)。

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圖 2


根據要測量的噴丸強度,可提供三種類型的阿爾門試片。它們分別是N、A和C,其中C最厚。為了獲得比較貼切的效果,阿爾門試塊和試片通常直接安裝在待噴丸的零件上和零件的關鍵區域。

第三,用于噴丸零件的丸料必須與零件一樣硬或比零件更硬。對于大多數鑄鐵零件,標準鋼丸(HRC 45-55)就足夠了。鋼丸也有不同的尺寸,如S330或S390,數字表示鋼丸的直徑(分別為0.033英寸和0.039英寸)。如噴丸清理一樣,鋼丸必須足夠小,以穿透零件的所有半徑。可獲得的強度也與鋼丸尺寸成正比。鋼丸越大,其動量越大,因此壓應力越高。然而,用較大的鋼丸對零件表面進行完全噴丸也需要較長的時間。對于大多數鑄造應用,S330和S390尺寸足夠。


噴丸控制

噴丸強化中有兩項是最重要的:強度和覆蓋率。基本上,它是壓應力的量度,是噴射速度、鋼丸尺寸和噴丸時間的函數。強度是用阿爾門弧高表以弧高來測量的,為了控制強度,需要維護噴丸機,使其始終以相同的速度和相同的模式噴射鋼丸。此外,鋼丸尺寸需要保持合理恒定。鋼丸會隨著使用磨損和分裂。功能合理的分離器會將尺寸不合格的鋼丸分離出去。

覆蓋率是對噴丸表面面積的量度。為了有效,整個表面都應該被噴丸到。完全覆蓋也稱為飽和,可以用阿爾門試片法來確定。當零件被噴丸越來越久,強化或弧高會增加到一個點,隨后變化曲線變平。超過這一點的噴丸幾乎沒有益處。飽和或完全覆蓋被定義為當噴丸時間加倍時,弧高增加10%或更少時的點(圖3)。通過控制噴丸時間保持飽和曲線。在滾筒式機器中,還需要保持載荷大小,因為更大的載荷需要更長的時間才能完全覆蓋。

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案例史

對SAE 4018級球墨鑄鐵轉向節鑄件進行了不同時間的噴丸處理,并進行了疲勞試驗。鑄件在鑄件廠的滾筒式噴丸機中進行噴丸。采用S330型鋼丸,并且載荷保持恒定。

為了測量弧高,將五個阿爾門試塊安裝在每個載荷都包括的轉向節鑄件上(圖4)。通過以增加的循環時間運行載荷來確定飽和曲線。每次循環后,取出阿爾門試片并讀取其弧高值。然后將新的阿爾門試片放置在鑄件上用于下一個循環。

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圖5顯示了結果。飽和時間約為6.5分鐘。然后在相同條件下對鑄件噴丸0、6和16分鐘的噴丸處理,然后返回進行疲勞試驗。這些結果如圖6所示。剛達到飽和的噴丸使疲勞壽命增加了581%。噴丸遠遠超過飽和,達到16分鐘,循環壽命增加了721%。即使有缺陷(樣品12),疲勞壽命也增加了180%。

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結論

噴丸強化是提高鑄件疲勞壽命的有效手段。它執行起來相對簡單,只需要比普通的噴丸清理稍微多一點的控制。對于每個零件和噴丸機,噴丸必須滿足以下要求:

● 確定要使用的載荷量(零件或容器的數量等)。

● 繪制弧高與噴丸時間的關系圖,以確定飽和曲線。

● 確定循環時間或飽和基礎(100%飽和時間、150%、200%等;150%將提供一定程度的安全性)。

● 維持噴丸設備和鋼丸尺寸。

● 定期檢查已建立周期的弧高,以保持強度。

鑄件應在噴丸前應進行研磨和熱處理。如果零件在噴丸后被研磨,則壓應力層將被去除。同樣,噴丸僅對未加工的零件區域有效。噴丸后的熱處理也會破壞壓應力。


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