噴丸硬化在彈簧設計和制造上的應用

摘 要：每年有上億彈簧被噴丸硬化，從套管中使用的小型液體卸壓彈簧到船塢支架使用的大型彈簧可謂是種類繁多。其中有大量用于汽車閥門的彈簧，也有用于科研的特殊柔性樞軸彈簧。但都有一個共同點：經(jīng)過了細致嚴謹?shù)膰娡栌不赃_到需求的結(jié)果，進行噴丸硬化對彈簧性能改善是非常有用的。自 1929 年這種彈簧處理的流程首次創(chuàng)制以來，多種流程控制和噴丸硬化細則對于保證彈簧的可靠性意義非常重大。

關(guān)鍵詞：噴丸硬化；彈簧；應用

中圖分類號：TH135 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0091-02

1 應用實例

噴丸硬化用于改善含鐵或不含鐵的金屬部件的疲勞性能。部件可能在小范圍內(nèi)受到較高的壓力。由于尺寸很小或匹配組件的配置問題，通常很難避免某些區(qū)域高度受壓，牽引彈簧的掛鉤是個很好的例子。

組件的運轉(zhuǎn)速度和負載不斷增加，但基本設計沒有更改，這就會引起更高的應力水平和更差的疲勞耐受性。國際汽車工業(yè)推出的80 000 km 質(zhì)保對疲勞耐受性和質(zhì)量的考驗都更加嚴峻。

圖1中1/8\"x5/16\"鋼絲制成的C-形彈簧服役時間不合要求。疲勞測試顯示平均壽命為7 200周期，從“C”的外側(cè)即張緊一側(cè)開始出現(xiàn)斷裂。噴丸硬化（至.0.36 A）后壽命增加到24 000周期，斷裂點出現(xiàn)沒有規(guī)律，因彈簧處于部分加載位置。其他噴丸硬化程序有如表1所示結(jié)果。

某玩具公司在產(chǎn)品內(nèi)外使用密度達到0.3A經(jīng)噴丸硬化的牽簧確保產(chǎn)品質(zhì)量和壽命。在該公司也嘗試了將一側(cè)噴丸硬化改進為內(nèi)側(cè)和外側(cè)均硬化，試驗顯示了該方法對疲勞壽命的效果。

應力集中區(qū)域常常是在制造過程中引起的。在一個試驗中，噴丸硬化將圖2中牽引彈簧（5/32\"油淬火-回火鋼絲）的壽命增加了10倍，直至部件在受損嚴重部位折斷。噴丸硬化后圖3中碟形彈簧的壽命明顯增長，造成彈簧斷裂的原因經(jīng)查明是剪切加工時引起的表面狀況損壞。圖4中磷青銅制成的電路接觸器需要經(jīng)過200萬周期的測試。斷裂通常在配件之間接合必須的彎折處發(fā)生。噴丸硬化降低了臨界表面應力水平，使部件可以達到使用壽命的要求。鍍層常常會降低部件的疲勞耐受性，如果部件在電鍍前先噴丸硬化，即可消除電鍍產(chǎn)生的這種損壞。腐蝕性空氣會加速疲勞引起的斷裂。

同樣，噴丸硬化可以彌補這種損壞性作用。噴丸硬化無論在生產(chǎn)還是設計中都實現(xiàn)了合理成本下的最佳部件質(zhì)量。

2 噴丸硬化機理和作用

眾所周知，大部分疲勞破壞最初都是表面的一個裂縫，在循環(huán)中逐漸發(fā)展至產(chǎn)生疲勞破壞。裂縫的擴大需要表面受到張應力作用，而受壓應力的表面則可以抵抗裂縫的形成。如果表面上產(chǎn)生殘余壓應力，則負載造成的張應力必須先超過殘余壓應力，表面應力才會成為張應力。因此，在一定應力水平下，硬化彈簧的壽命更長，而在一定壽命條件下，硬化彈簧則可取得更高的應力水平。噴丸硬化是在彈簧表面產(chǎn)生殘余壓應力的最有效且經(jīng)濟的方法。這種工藝需要使用圓形顆粒高速碰撞表面，每個噴丸顆粒都有一定的形狀和統(tǒng)一的尺寸，作為硬化錘對表面進行冷處理以產(chǎn)生壓應力。無負載時典型硬化表面會有一個壓應力分布。由于表面已經(jīng)有了壓應力，中心就會產(chǎn)生一個抵消的張應力。為了保持這部分的平衡，壓應力區(qū)域的兩個面積就必須與張應力區(qū)域的中心面積相等。換句話說，中性軸周圍的力矩之和必須為零。施加外部彎曲應力時，任何深度產(chǎn)生的應力都必須與殘余和施加應力的代數(shù)和相等。合成應力是負載下截面的如果增加應力，合成曲線將左移，可能進入張應力區(qū)。但是合成的張應力將遠遠低于表面沒有進行硬化處理或表面原處于張應力作用下的情況。

3 彈簧噴丸硬化的意義

與大部分機構(gòu)零件相比，彈簧受噴丸硬化的影響非常大。與未硬化彈簧相比，有效的噴丸硬化可使彈簧在高于一般水平 50%～70%的應力水平下使用，且使用壽命不受限制。

有時候可使用特殊的定制硬化流程來取得比傳統(tǒng)硬化工藝更好的結(jié)果。這些特殊的工藝可使用比平常更高的強度、更大的覆蓋率、多種加工技術(shù)等，但必須根據(jù)特定零件的要求來執(zhí)行。

只有根據(jù)具體彈簧的需要采用合適的噴丸大小和強度等參數(shù)，并對強度、覆蓋率、媒介尺寸和條件進行適當控制，才能取得最佳的效果。

參考文獻：

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