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喷丸强化改善零件抗疲劳特性

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喷丸强化改善零件抗疲劳特性

发布日期:2017-12-21 作者: 点击:

可控下齿轮喷丸强化

齿轮、连杆和曲轴在工作时易产生弯曲应力导致失效;压缩弹簧、传动轴和扭杆等部件在工作时易产生扭转应力而失效,采用喷丸强化可有效改善零件的抗疲劳特性。

改善零件弯曲疲劳强度

弯曲疲劳是常见的疲劳失效形式。因为零件表面正是拉应力集中的区域。抛丸/喷丸强化对于克服这一失效情况最为有效。处于弯曲载荷下的悬臂梁,弯曲变形造成其表面处于拉应力状态,表面表层任何半径或几何形状的变化都会引起拉应力的增加而其反面却处于压应力状态,这是具有破坏性的疲劳载荷情形。交变应力中的拉应力部分导致疲劳裂纹的形成和延展。

1.齿轮

齿轮强化是喷丸强化中非常典型且普遍的应用。任何尺寸和形式的齿轮都可通过抛丸/喷丸强化来改善齿廓根部的弯曲疲劳属性。轮齿的啮合与悬臂梁情况相似,齿面接触形成的载荷在接触点下方的根部位置产生弯曲应力。

齿轮通常是在硬化后进行抛丸/喷丸强化。增加的表面硬度会成比例地提高压应力水平。根据工艺参数,经渗碳和抛丸/喷丸强化后齿轮的残余压应力范围可在1 170~1 600MPa。强化渗碳齿轮,通常用硬度较大的钢丸(55~62HRC)。如果想对齿面的影响小些,可选用硬度低一点的钢丸(45~52HRC),产生的压应力水平将是硬度高丸料产生的50%左右。

在齿面节线附近通过锤击、研磨、珩磨和振动光饰导入一个压应力,是增强齿轮抗疲劳点蚀的有效方法。齿轮经表面精整处理后,能进一步降低接触应力,但必须小心,不可盖掉超过10%的喷丸强化层。对喷丸强化小凹痕的光整处理,可以让接触载荷在一个较大表面积上分布开,这样可进一步减小接触应力。

图2 强化后的齿轮疲劳强度提高15%~30%

在部分齿轮加工制造中,经过可控性抛丸/喷丸强化后的齿轮,在100万次循环作用后,疲劳强度可增加30%或更多。以下组织/规格标准证实了利用可控性喷丸强化,齿面弯曲载荷显著增加:劳氏船级社,增加20%;挪威船级社,增加20%;ANSI/AGMA 6032-A94船用齿轮规格,增加15%。

2.连杆

连杆是发动机中传递动力的重要零件,它主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此,在设计连杆时应首先保证其具有足够的疲劳强度和结构刚度,显然为了增加连杆的强度和刚度不能简单地加大结构尺寸,因为增加连杆重量会使惯性力相应增加,所以连杆设计的一个重要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的强度和刚度。连杆应力集中即最常发生失效的部位在靠近大头孔中心两侧转接圆角处。

以连杆疲劳安全系数为量的指标,为满足强度和刚度设计要求,且重量轻的经济优化方案就是在对无论是锻造、铸造或粉末冶金连杆进行任何镗孔机加工前,先进行抛丸/喷丸强化,这样可以避免屏蔽孔穴增加的额外成本。强化前后都不需要对连杆做其他的预处理或后处理。

图3 强化后的连杆疲劳强度大大改善

3.曲轴

通常情况下,曲轴所有的轴颈面变化转接圆角都需要进行抛丸/喷丸强化。这其中包括轴承轴颈和曲柄销。曲柄销轴承圆角是应力集中的地方,应力发生在曲柄销过渡圆角的底部,因为当发动机点火时,曲柄销位于上止点的位置。应力分析确定了曲柄销过渡圆角经常是裂纹的启裂部位,且向邻近的主轴承圆角扩展,直至造成整个曲轴的破坏性断裂失效。

大量的试验证明,无论是锻造中碳钢曲轴、铸钢曲轴还是球墨铸铁曲轴或奥贝球铁曲轴,抛丸/喷丸强化都是提高工件抗疲劳性能和延长使用寿命的有效方法。在发动机实际运行过程中,曲轴所承受的载荷主要是弯曲/扭转复合载荷,弯曲疲劳破坏是曲轴失效的常见形式,而在发动机输出功率较大、曲轴承受扭矩较大的情况下,扭转疲劳破坏则成为主要失效形式。对某柴油发动机的曲轴试片进行疲劳比较试验,材料是Armco 17~10Ph不锈钢。试验结果发现,未经强化的曲轴和经抛丸/喷丸强化的曲轴,在经过10亿次的交变应力载荷作用后,测得的疲劳强度分别为293MPa和386MPa,这说明经过抛丸/喷丸强化,曲轴的疲劳强度提高了约30%。

改善零件扭转疲劳强度

扭转疲劳也是一种可通过抛丸/喷丸强化来有效克服的失效形式,因为其拉应力集中在工件表面。扭转载荷产生的应力可在水平方向也可以在垂直方向,而拉应力则发生在与零件水平轴成45°的方向。

低强度材料则容易在垂直剪切面处由于扭转疲劳而发生失效断裂。因为它们对于剪切力的承受性弱于对拉伸力的承受性。高强度材料则最容易在与工件水平轴成45°的方向发生失效断裂,因为它们对于拉伸力的承受性弱于对剪切力的承受性。

1.压缩弹簧

压缩弹簧受高交变载荷作用且应力多发生在弹簧材料的表层,所以抛丸/喷丸强化也是提高压缩弹簧疲劳强度的理想工艺。弹簧材料在轧制、拉拔、卷制和压缩过程中造成拉应力。除了服役后处于高交变载荷的工况条件,卷制工艺本身会使弹簧内圈形成破坏性的拉应力。抛丸/喷丸强化导入一个反作用的压应力,使表面转变成残余压力层,强度约1 035MPa。这是弹簧极限拉伸强度(UTS)的60%,其结果实现了弹簧疲劳寿命延长到50万次载荷作用次数,而不发生失效。

除压簧外,抛丸/喷丸强化同样适用于其他弹簧如拉簧、扭簧、悬架弹簧和板簧等的强化加工。疲劳失效点通常发生在残余拉应力和承受的交变载荷应力集中作用的地方,所以不同弹簧的强化部位有所不同。

2.传动轴

传动轴是通过旋转来进行动力传动的,因此在其旋转构件上就会产生拉力载荷。由于绝大多数的传动轴都是大载荷承力构件,所以是抛丸/喷丸强化的适用对象。传动轴通常发生失效的部位在花键、切口、圆角和键槽处。

3.扭杆

扭杆和横向推力杆是用于悬架和其他相关系统的构件。通过扭杆的扭转变形达到缓冲作用来维持平稳性。当用于如汽车悬架系统等承受重复交变载荷的部件,抛丸/喷丸强化能实现零件轻量化且服役寿命更长。

汽车工业为达到轻量化的目的,使用的是空心扭杆。抛丸/喷丸强化施用在载荷应力集中的扭杆外圈。对于重型车辆(如重载卡车、赛车等),裂纹还会发生在扭杆内圈,这里也受到扭力载荷作用。


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