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弹簧喷丸强化技术
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来源:互联网 添加人:admin 添加时间:2010-11-25 11:09:00

很早之前,一片汽车钢板弹簧热处理后,工匠们就会不断地用锤子连续敲打、捶击它。那时候工匠们并不清楚他们这么做的结果会让板簧的使用寿命延长6倍,而现在,这一事实已被工程师们充分了解。

这一强化工艺技术同样适用于圆柱螺旋弹簧(圆簧),扭杆,旨在不同程度提高和改善弹簧疲劳强度与应力腐蚀断裂强度。其他一些飞机和汽车零部件,如连杆、曲轴、摇臂、行星齿轮、齿轮圈、航空发动机叶片、起落架、传动轴都将强化工序作为生产过程的必要步骤,且制定了严格的技术规范。先简单解释一下零件在强化后会发生哪些变化?

强化工艺的原理

强化工艺是利用高速运动的弹丸流对金属表面的冲击而使表面产生循环塑性应变层,由此导致该层的显微组织发生有利的变化并使表层引入残余压应力场。表层的显微组织和残余压应力场是提高金属材料及其弹簧的疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力的两个强化因素,以提高弹簧的可靠性和耐久性。

强化是个“冷处理”工艺,有别于金属零件在高温下的热加工处理。压应力层通常延伸到材料表面下0.005”到0.030”深处。如有必要,也可通过改变工艺参数,如丸料尺寸、喷/抛射速度、喷/抛射角度、喷/抛射时间等来将压应力层延伸深度增大。

评估强化效果的两个重要参数是强度和覆盖率。覆盖率(100%、200%或更大)主要是依靠目测,而强度则需用代表性的弹簧钢试片进行测量(即阿尔门试片)

强度测量

零件校对工具(PVT), 设计用来将试片固定于一些特定位置,在这些位置的试片可模拟零件有强度要求且必须进行强度检测的区域位置。根据不同应用,强度范围从0.015 - 0.030 (在‘A’等级上)。

弹簧强化设备类型

弹簧强化设备可分为两种类型:

--- 离心式叶片抛丸强化设备
--- 气动喷嘴式喷丸强化设备

前周的优点是速度快、产量高,比较适用于板簧、圆簧等产能要求高的零件之强化处理,它能在较短的时间里抛射到更多的区域,以及让被喷部位更快达到饱和强度。

·一种连续链式输送系统的抛丸强化设备适用于板簧强化,多个抛头对准板簧的上表面,及左右侧面进行抛射

·一种带指轴的连续通过式抛丸强化设备适用于圆簧强化,在抛丸室里有一个旋转辊轮,带动圆簧边旋转变通过,在此过程中,多个抛头对准其进行抛丸强化。

·尺寸相对较小的弹簧,如用于发动机阀门的气门弹簧,适合用履带式抛丸设备进行强化处理

·扭杆亦适合用连续通过式的设备进行强化

工艺参数

无论哪种强化技术,目的都是要取得一个持续恒定、可重复的强化强度。因此,必须了解工艺过程中,哪些关键变量会影响到最后的强化结果,包括:
以上这些工艺变量都会影响强化最终效果:

·抛头直径决定了钢丸介质被一定角度抛射出去时的速度。在同样的抛头转速下,直径为17.5”的抛头产生的钢丸抛射速度大于直径为14”的抛头,因而产生的强化强度也更高。
·抛头的马力决定了单位时间内被打出去的钢丸数量
·抛头是由变频机直接驱动的,通过改变电机的频率可以改变抛头的转速,从而改变钢丸抛出的初速度。
·抛头通常都被固定在抛丸室的特定位置,但可以通过调整定向套的位置,来改变抛射方向。定向套的位置最终决定了钢丸被抛头抛射出去的角度

其他影响喷丸强化结果的工艺参数包括:

·钢丸的流量
·钢丸的尺寸
·尺寸的一致性

丸料的流量是由一个专门的流量控制阀控制。在抛丸强化设备中,该控制阀是安装在抛头进料区,通过调节流量控制阀的开口来调整经过该阀进入抛头的钢丸流量;在喷丸强化设备中,丸料控制阀安装在压力罐出口区。

一个振动筛对丸料进行过滤,筛选出合格尺寸的丸料,确保强化过程中所用的钢丸尺寸一致,从而达到稳定的强化效果。

钢丸(或切丝)的尺寸,会直接影响覆盖率和强化时间。一般规律是,

·钢丸直径小,工件表面产生的残余应力较高,但强化层较浅
·钢丸直径大,工件表面产生的残余应力较低,但强化层较深

板簧强化

可利用一种连续通过式抛丸强化设备对板簧进行一个接一个单独的强化处理,让板簧几何凹面曝露在高速丸流下。典型的机型是包括一个抛头用于抛射板簧顶部,侧边装一个抛头,同时喷板簧左右侧面。

这套标准款板簧强化设备的通过速度是10英尺/分钟,如需要更高的产速,则可增加抛头数量,调节电机频率。

在工作条件下,板簧会重复受到单向弯曲应力影响,因此有时是被应力强化的。在强化过程中,就模拟板簧在以后使用过程中会受到“应力强化”的情况,让它在承受负荷的方向上施与一个“静态应力”的同时,对其进行喷丸强化。强化完毕后,释放该外加的静态应力。实验证明,应力强化比常规强化能更进一步延长板簧的使用寿命。

圆簧强化

圆簧,由于其螺旋几何形状,因以对其的强化作业要比平表面的板簧强化困难些。另外,还必须严格评估圆簧横切面的强化效果,从而充分了解圆簧抗疲劳断裂的抗力大小。

圆簧被一个个单独地经一连续输送链系统送入抛丸室,抛丸室内装有一组平行辊道,强化的同时,辊道不停滚动,带动圆簧边旋转边前行。这样旋转的通过方式能让高速丸流通过圆簧各个环圈间,打到里圈的金属表面上,那里恰恰是圆簧应力最集中的部位。

对于产能要求高的应用,可选择一种能同时喷两个圆簧的强化设备。最新的研发结果,是在原来抛丸强化设备基础上,结合入多个喷嘴,用于对圆簧特定区域(应力集中取悦)更目标明确、火力集中的喷丸处理。

扭杆强化

扭杆强化是将扭杆置于一个斜辊式输送带上,一个一个单独边旋转边通过抛丸室,用一个带变频电机的抛头对其进行喷射强化。

气门弹簧

小型的弹簧,如用于发动机阀门的气门弹簧适用于履带式的强化设备。将一片阿尔门试片与带处理的弹簧零件一起放入履带式抛丸机里,强化结束后,取出阿尔门试片,根据测量出的强度值就可知道零件受到的强化强度

弹簧强化设备的发展

工业生产对于强化结果一致性和可重复性的要求越来越高,其重要程度不言而喻。强化设备中都加入了一些必要装置来确保高质量的工艺过程,如振动筛,用于筛选弹丸尺寸,保证丸粒大小一致均匀;抛头的变频马达控制喷射速度;输送链的速度控制器能调整喷射时间。

目前,更先进的,程序更精密复杂、具有同步监测控制功能的强化设备也已广泛应用于弹簧制造业,实现对工艺参数的实时监测和结果显示

今天,“触摸屏”和基于电脑的操作界面取代了原来的按键和指示灯。控制系统不仅能同步显示各类监测到的工艺参数,还能让操作员自己编写代相关参数的“程序”。

给这些程序编上唯一的代码标示,并存储在系统里,便于以后取出使用。

为方便维修人员的日常维护和设备出错时的问题解决,设备的控制系统还能提供一个指导图示,列有机器里所有的进口或出口,并显示它们目前情况。这样便于维修人员快速找到出错位置,并及时进行矫正处理。

最新的控制系统还能配合安全需要,让不同职位的人,系统管理员、工程师、维护人员、操作员,有四级不同的机器控制权限。

结论

弹簧强化已是一种高可控性工艺技术。弹簧制造商和弹簧强化设备的供应商们都意识到,这类强化过程像其他精密制造一样,对工艺的一致性、可重复性和质量要求越来越高。

技术的发展不仅仅局限于强化设备的机械性能上,对系统能提供同步监测、显示、记录和其他功能的期待也逐日增加,旨在提高弹簧强化的效果和精确度。
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