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彈簧噴丸強化技術的發展概括

2021-05-28 21:07:30

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很早之前,一片汽車鋼板彈簧熱處理后,工匠們就會不斷地用錘子連續敲打、捶擊它。那時候工匠們并不清楚他們這么做的結果會讓板簧的使用壽命延長6倍,而現在,這一事實已被工程師們充分了解。

這一強化工藝技術同樣適用于圓柱螺旋彈簧(圓簧),扭桿,旨在不同程度提高和改善彈簧疲勞強度與應力腐蝕斷裂強度。其他一些飛機和汽車零部件,如連桿、曲軸、搖臂、行星齒輪、齒輪圈、航空發動機葉片、起落架、傳動軸都將強化工序作為生產過程的必要步驟,且制定了嚴格的技術規范。先簡單解釋一下零件在強化后會發生哪些變化?


一、彈簧強化設備的發展

工業生產對于強化結果一致性和可重復性的要求越來越高,其重要程度不言而喻。強化設備中都加入了一些必要裝置來確保高質量的工藝過程,如振動篩,用于篩選彈丸尺寸,保證丸粒大小一致均勻;拋頭的變頻馬達控制噴射速度;輸送鏈的速度控制器能調整噴射時間。


目前,更先進的,程序更精密復雜、具有同步監測控制功能的強化設備也已廣泛應用于彈簧制造業,實現對工藝參數的實時監測和結果顯示今天,“觸摸屏”和基于電腦的操作界面取代了原來的按鍵和指示燈??刂葡到y不僅能同步顯示各類監測到的工藝參數,還能讓操作員自己編寫代相關參數的“程序”。 核力彈簧給這些程序編上唯一的代碼標示,并存儲在系統里,便于以后取出使用。

為方便維修人員的日常維護和設備出錯時的問題解決,設備的控制系統還能提供一個指導圖示,列有機器里所有的進口或出口,并顯示它們目前情況。這樣便于維修人員快速找到出錯位置,并及時進行矯正處理。最新的控制系統還能配合安全需要,讓不同職位的人,系統管理員、工程師、維護人員、操作員,有四級不同的機器控制權限。


二、強化工藝的原理

強化工藝是利用高速運動的彈丸流對金屬表面的沖擊而使表面產生循環塑性應變層,由此導致該層的顯微組織發生有利的變化并使表層引入殘余壓應力場。表層的顯微組織和殘余壓應力場是提高金屬材料及其彈簧的疲勞斷裂和應力腐蝕斷裂抗力的兩個強化因素,以提高彈簧的可靠性和耐久性。

強化是個“冷處理”工藝,有別于金屬零件在高溫下的熱加工處理。壓應力層通常延伸到材料表面下0.005”到0.030”深處。如有必要,也可通過改變工藝參數,如丸料尺寸、噴/拋射速度、噴/拋射角度、噴/拋射時間等來將壓應力層延伸深度增大。

評估強化效果的兩個重要參數是強度和覆蓋率。覆蓋率(100%、200%或更大)主要是依靠目測,而強度則需用代表性的彈簧鋼試片進行測量(即阿爾門試片)


1、強度測量

零件校對工具(PVT), 設計用來將試片固定于一些特定位置,在這些位置的試片可模擬零件有強度要求且必須進行強度檢測的區域位置。根據不同應用,強度范圍從0.015 - 0.030 (在‘A’等級上)。


2、彈簧強化設備類型

彈簧強化設備可分為兩種類型:

--- 離心式葉片拋丸強化設備;

--- 氣動噴嘴式噴丸強化設備;

前周的優點是速度快、產量高,比較適用于板簧、圓簧等產能要求高的零件之強化處理,它能在較短的時間里拋射到更多的區域,以及讓被噴部位更快達到飽和強度。

·一種連續鏈式輸送系統的拋丸強化設備適用于板簧強化,多個拋頭對準板簧的上表面,及左右側面進行拋射;

·一種帶指軸的連續通過式拋丸強化設備適用于圓簧強化,在拋丸室里有一個旋轉輥輪,帶動圓簧邊旋轉變通過,在此過程中,多個拋頭對準其進行拋丸強化。

·尺寸相對較小的彈簧,如用于發動機閥門的氣門彈簧,適合用履帶式拋丸設備進行強化處理;

·扭桿亦適合用連續通過式的設備進行強化;


3、工藝參數

無論哪種強化技術,目的都是要取得一個持續恒定、可重復的強化強度。因此,必須了解工藝過程中,哪些關鍵變量會影響到最后的強化結果,包括:

以上這些工藝變量都會影響強化最終效果:

·拋頭直徑決定了鋼丸介質被一定角度拋射出去時的速度。在同樣的拋頭轉速下,直徑為17.5”的拋頭產生的鋼丸拋射速度大于直徑為14”的拋頭,因而產生的強化強度也更高。

·拋頭的馬力決定了單位時間內被打出去的鋼丸數量;

·拋頭是由變頻機直接驅動的,通過改變電機的頻率可以改變拋頭的轉速,從而改變鋼丸拋出的初速度。

·拋頭通常都被固定在拋丸室的特定位置,但可以通過調整定向套的位置,來改變拋射方向。定向套的位置最終決定了鋼丸被拋頭拋射出去的角度


4、其他影響噴丸強化結果的工藝參數包括:

·鋼丸的流量

·鋼丸的尺寸

·尺寸的一致性

丸料的流量是由一個專門的流量控制閥控制。在拋丸強化設備中,該控制閥是安裝在拋頭進料區,通過調節流量控制閥的開口來調整經過該閥進入拋頭的鋼丸流量;在噴丸強化設備中,丸料控制閥安裝在壓力罐出口區。

一個振動篩對丸料進行過濾,篩選出合格尺寸的丸料,確保強化過程中所用的鋼丸尺寸一致,從而達到穩定的強化效果。

鋼丸(或切絲)的尺寸,會直接影響覆蓋率和強化時間。

一般規律是,·鋼丸直徑小,工件表面產生的殘余應力較高,但強化層較淺;

·鋼丸直徑大,工件表面產生的殘余應力較低,但強化層較深;


5、圓簧強化

圓簧,由于其螺旋幾何形狀,因以對其的強化作業要比平表面的板簧強化困難些。另外,還必須嚴格評估圓簧橫切面的強化效果,從而充分了解圓簧抗疲勞斷裂的抗力大小。

圓簧被一個個單獨地經一連續輸送鏈系統送入拋丸室,拋丸室內裝有一組平行輥道,強化的同時,輥道不停滾動,帶動圓簧邊旋轉邊前行。這樣旋轉的通過方式能讓高速丸流通過圓簧各個環圈間,打到里圈的金屬表面上,那里恰恰是圓簧應力最集中的部位。

對于產能要求高的應用,可選擇一種能同時噴兩個圓簧的強化設備。最新的研發結果,是在原來拋丸強化設備基礎上,結合入多個噴嘴,用于對圓簧特定區域(應力集中取悅)更目標明確、火力集中的噴丸處理。


6、板簧強化

可利用一種連續通過式拋丸強化設備對板簧進行一個接一個單獨的強化處理,讓板簧幾何凹面曝露在高速丸流下。典型的機型是包括一個拋頭用于拋射板簧頂部,側邊裝一個拋頭,同時噴板簧左右側面。

這套標準款板簧強化設備的通過速度是10英尺/分鐘,如需要更高的產速,則可增加拋頭數量,調節電機頻率。

在工作條件下,板簧會重復受到單向彎曲應力影響,因此有時是被應力強化的。在強化過程中,就模擬板簧在以后使用過程中會受到“應力強化”的情況,讓它在承受負荷的方向上施與一個“靜態應力”的同時,對其進行噴丸強化。強化完畢后,釋放該外加的靜態應力。實驗證明,應力強化比常規強化能更進一步延長板簧的使用壽命。


7、扭桿強化

扭桿強化是將扭桿置于一個斜輥式輸送帶上,一個一個單獨邊旋轉邊通過拋丸室,用一個帶變頻電機的拋頭對其進行噴射強化。


8、氣門彈簧

小型的彈簧,如用于發動機閥門的氣門彈簧適用于履帶式的強化設備。將一片阿爾門試片與帶處理的彈簧零件一起放入履帶式拋丸機里,強化結束后,取出阿爾門試片,根據測量出的強度值就可知道零件受到的強化強度彈簧強化已是一種高可控性工藝技術。彈簧制造商和彈簧強化設備的供應商們都意識到,這類強化過程像其他精密制造一樣,對工藝的一致性、可重復性和質量要求越來越高。彈簧技術的發展不僅僅局限于強化設備的機械性能上,對系統能提供同步監測、顯示、記錄和其他功能的期待也逐日增加,旨在提高彈簧強化的效果和精確度。


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