拋（噴）丸強(qiáng)化技術(shù)的原理和應(yīng)用

【摘 要】拋丸強(qiáng)化技術(shù)是當(dāng)今國際上齒輪、彈簧和汽車等行業(yè)表面強(qiáng)化處理最具代表性的先進(jìn)技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了拋丸強(qiáng)化的基本原理、影響強(qiáng)化效果的主要因素及強(qiáng)化對零件使用壽命的影響；最后介紹三種拋丸強(qiáng)化設(shè)備的性能和特點。

【關(guān)鍵詞】拋丸強(qiáng)化；疲勞強(qiáng)度；殘留壓應(yīng)力

【Abstract】 Shot-peening technology is one of the most representative advanced technologies on this international surface strengthening processing professions of gear， spring and auto and so on. And it is widely applied in the industry-developed country.This article mainly introduced the basic principle of shot peening， affecting primary factor of strengthened effect， and service life influence of components； and finally introduced three kinds of shot peening aggrandizement equipment performances and characteristic.

【Keywords】shot peening aggrandizement； fatigue strength； remaining elastic strain

一 概述

據(jù)統(tǒng)計，在機(jī)械零件失效中有80%以上屬于疲勞破壞。因此，長期以來人們?yōu)樘岣卟牧系钠诳沽Χ髁瞬恍傅呐?。但是，疲勞破壞的源頭在哪里呢？文獻(xiàn)指出：“在大多數(shù)情況下，多次載荷的破壞（原疲勞破壞）都位于表面層，因此機(jī)器零件的表面層特別重要。因而對表面層進(jìn)行強(qiáng)化就能使整個零件強(qiáng)化?！?/p>

1、拋（噴）丸強(qiáng)化原理和效果

從金屬力學(xué)性能的角度說，“要提高疲勞抗力，有指導(dǎo)意義的是應(yīng)該盡可能避免局集的塑性變形，設(shè)法產(chǎn)生均勻的滑移?！边@就是說，要避免局部集中的塑性變形，設(shè)法產(chǎn)生均勻的細(xì)微的塑性變形，使滑移均勻化。

經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐，人們找到了在金屬表面進(jìn)行塑性變形，提高零件疲勞強(qiáng)度的主要方法是在冷作區(qū)形成殘余壓應(yīng)力。

金屬介質(zhì)（鋼丸或切絲丸）高速撞擊零件表面，造成表面塑性變形。這一影響延伸到材料表層，在表層下產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，從而抵消不良的拉應(yīng)力。該殘余應(yīng)力延緩了疲勞斷裂的形成，從而延長零件的安全使用

壽命。

高速噴射的鋼丸顆粒撞擊金屬表面，使工件表面材料發(fā)生彈塑性變形并呈現(xiàn)較高的殘余壓應(yīng)力，金屬零件在拋（噴）丸處理時受到高速鋼丸的打擊，在零件表面產(chǎn)生均勻細(xì)微的冷態(tài)變形（彈性的塑性的），并產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力，從而使零件表面的強(qiáng)度、硬度提高，這個過程稱之為拋（噴）丸強(qiáng)化。必須指出，以壓縮空氣作為動力的強(qiáng)化稱為噴丸強(qiáng)化，而以機(jī)械葉輪作為動力的強(qiáng)化稱為拋丸強(qiáng)化。

從表面組織結(jié)構(gòu)分析，高速鋼丸的打擊使表面的微缺陷得到修正（如毛刺、刀痕、顯微裂紋等），而這些微缺陷往往是疲勞破壞的源頭。

從金陽結(jié)構(gòu)分析，拋丸后表面的金屬晶格發(fā)生變化（位錯密度、亞晶粒尺寸、相轉(zhuǎn)度等）從而產(chǎn)生冷變形硬化。

從應(yīng)力分析，經(jīng)拋丸強(qiáng)化后表面及次表層產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力。對于以拉應(yīng)力疲勞損壞的很多零件（如齒輪、彈簧、連桿等）殘留壓應(yīng)力致少部分地抵消了正常的工作應(yīng)力（拉應(yīng)力），從而極大地提高了疲勞壽命。

據(jù)資料介紹，以及一些企業(yè)的試驗結(jié)果，強(qiáng)化后產(chǎn)品的疲勞應(yīng)力極限大大提高。如汽車變速箱滲碳輪彎曲疲勞經(jīng)強(qiáng)化拋丸后平均壽命是不強(qiáng)化齒輪壽命的4.3倍。

正因為強(qiáng)化對零件質(zhì)量的提高，具有事半功倍的作用，目前在工業(yè)上，對于一些關(guān)鍵的受力零件更是生產(chǎn)工藝中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

2、拋（噴）丸的優(yōu)點：

a、成本低、能耗低、設(shè)備簡單、操作方便、生產(chǎn)率高、適應(yīng)性廣、強(qiáng)化效果顯著；

b、適用材料范圍廣。碳素鋼、合金鋼、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鑄鐵、鋁合金、鎂合金、鈦合金、高溫合金、甚至粉末合金零件，均可用拋（噴）丸強(qiáng)化來提高零件的高調(diào)疲勞強(qiáng)度；

c、對提高鋼的電鍍零件的疲勞性能有特別重要的意義。鋼件經(jīng)過鍍鉻（或電鍍） 之后，疲勞強(qiáng)度極限通常要降低1/3至1/4，而噴丸后再進(jìn)行電鍍則可避免由于電鍍而給材料疲勞強(qiáng)度帶來的損失。

d、拋（噴）丸強(qiáng)化還有許多寶貴的附加性能，例如提高零件的耐磨性、抵消應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度的不利影響、減緩或停止裂紋生長速度等。

二 影響強(qiáng)化效果的因素：

主要有以下幾點：

⑴、工件的原始狀態(tài)，特別是表面硬度；

⑵、鋼丸的狀態(tài)：硬度、粒度、形態(tài)（合金鋼丸、鑄鋼丸、鋼絲切丸（指鋼絲經(jīng)機(jī)械切割后成規(guī)格均勻、帶有棱角的、切削力很強(qiáng)的圓柱體））；

⑶、拋（噴）丸處理時，鋼丸速度、射程、入射角角度和拋（噴）丸時間長短、單位面積受拋的丸粒密度等等。

三 常用的強(qiáng)化拋丸機(jī)

以下介紹兩種典型的強(qiáng)化拋丸機(jī)：

1、五工位轉(zhuǎn)臺式強(qiáng)化拋丸機(jī)（參見下圖1）：

采用五工位轉(zhuǎn)臺強(qiáng)化拋丸機(jī)。每個工位有一個小轉(zhuǎn)臺擺放工件，有2個工位是拋丸工位，一個工位作裝卸用，余下兩個工位為隔離室以改善密封性能。

工作時大轉(zhuǎn)臺帶著小轉(zhuǎn)臺及隔離板、隔離筒一起作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。工件依次在2個工位接受拋丸。拋丸時大轉(zhuǎn)臺不動，小轉(zhuǎn)臺帶著工件自轉(zhuǎn)，使工件四周均勻接受拋丸。約2分鐘一個節(jié)拍，小時產(chǎn)量約30串（每串2-5件）。為保障強(qiáng)化效果，還設(shè)有鋼丸機(jī)外循環(huán)振動篩選機(jī)。操作者每個生產(chǎn)節(jié)拍取下一串，裝上一串。該機(jī)型連續(xù)作業(yè)，每個工位設(shè)有專用工裝夾具，可以一次拋多件工件，結(jié)構(gòu)緊湊、占地小，強(qiáng)化效果好。目前天津某汽車變速箱廠、山東某汽車公司、長春某齒輪廠、上海某汽車公司等均采用該機(jī)型。

2、懸鏈通過式強(qiáng)化拋丸機(jī)（參見左下圖2）：

工件呈單串吊掛，經(jīng)強(qiáng)力拋丸，達(dá)到較高的殘留應(yīng)力。為提高效率可采用雙工位或更多個工位。與轉(zhuǎn)臺機(jī)相比，雖然占地多一些，但設(shè)備運行可靠故障率低。強(qiáng)化效果均勻、弧高可達(dá)0.6mmA甚至更高，齒根殘留壓應(yīng)力可達(dá)到800Mpa以上，最高可達(dá)1200Mpa。目前西安某齒輪公司、大同某齒輪廠、重慶某齒輪公司、長春某齒輪廠、晉江某齒輪公司、濟(jì)南某橋箱廠熱處理車間、株洲某齒輪廠等均采用該機(jī)型。

四 結(jié)束語

拋（噴）丸強(qiáng)化技術(shù)近幾年在國內(nèi)外都得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在我國，拋（噴）丸工藝雖是一種傳統(tǒng)的表面處理工藝，但改革開放以來發(fā)展迅猛，特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，我國在引進(jìn)國外拋（噴）丸強(qiáng)化裝備及國內(nèi)自主研發(fā)的基礎(chǔ)上，使我國機(jī)械行業(yè)面貌煥然一新。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃明志主編：金屬力學(xué)性能[M].西安：西安交通大學(xué)出版，1986

[2] 王仁智，吳培遠(yuǎn).疲勞失效分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987

作者簡介：付素秀（1978-），女，四川樂至人，工程師，主要從事工件表面處理、拋丸強(qiáng)化及清理設(shè)備的研究開發(fā)工作