非標(biāo)拋丸強(qiáng)化設(shè)備的分析

孔令云

（易弗曼機(jī)械（常州）有限公司，江蘇 常州213000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中，有80%以上屬于疲勞破壞[1]。而疲勞破壞大多是從表面裂紋開始的；所以延緩表面裂紋產(chǎn)生是解決零件疲勞破環(huán)的方法之一。拋丸強(qiáng)化是利用拋丸器把鋼丸高速甩出，對(duì)金屬工件表面進(jìn)行沖擊，使工件表面形成微小凸凹的塑性變形，從而在表面形成一層冷作硬化層，硬化層是由殘余壓應(yīng)力組成。殘余壓應(yīng)力可以有效地延遲疲勞裂紋的產(chǎn)生[2]，從而提高工件的疲勞壽命。拋丸強(qiáng)化是一種經(jīng)濟(jì)且易實(shí)現(xiàn)的提高零件疲勞壽命地方法[3]。所以，現(xiàn)在越來越多的生產(chǎn)商選擇拋丸強(qiáng)化設(shè)備對(duì)其零件進(jìn)行強(qiáng)化。

由于需要強(qiáng)化的零部件各不相同，對(duì)于不同的零部件，就需要不同的拋丸強(qiáng)化設(shè)備。所以，怎么選擇和設(shè)計(jì)合適的拋丸設(shè)備變得優(yōu)為重要。在多年的拋丸設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文對(duì)非標(biāo)拋丸強(qiáng)化設(shè)備的關(guān)鍵部件和設(shè)計(jì)理念做一些探討[4]。

1 拋丸器

拋丸器是拋丸強(qiáng)化設(shè)備的核心部件，正確選擇拋丸器和其制造質(zhì)量的好壞直接影響工件的強(qiáng)化效果。拋丸器的工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪把鋼丸高速甩出，對(duì)工件表面進(jìn)行沖擊，從而達(dá)到對(duì)工件表面的強(qiáng)化或清理的目的。圖1 為拋丸器工作原理示意圖。

圖1 拋丸器工作原理示意圖

拋丸強(qiáng)化設(shè)備所用的拋丸器，通常要滿足以下幾個(gè)條件：

（1）目前市場上常用的拋丸器的直徑（葉輪裝上葉片后，葉片的外徑）有：D300 mm、D380 mm、D400 mm、D450 mm 和D500 mm 等規(guī)格。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在拋丸強(qiáng)化應(yīng)用中，拋丸器的直徑要選擇較大的，一般選用D500 mm。直徑越大，拋射出來的鋼丸速度就越高，越容易獲得較大的Almen 值。圖2 所示為EFM公司生產(chǎn)的U70×500 型拋丸器剖視圖。

圖2 U70×500 型拋丸器

（2）客戶對(duì)不同工件的Almen 值都有不同的要求，為了使拋丸設(shè)備適應(yīng)不同類型工件的強(qiáng)化，增加設(shè)備的通用性；在設(shè)計(jì)時(shí)，要求拋丸器的轉(zhuǎn)速可調(diào)。通常采用增加變頻器，調(diào)節(jié)拋丸器葉輪的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，要求變頻器從30 Hz ～60 Hz 可調(diào)，對(duì)應(yīng)的鋼丸拋射速度為60 ～90 m/s 左右（以U70×500 型拋丸器為例）。

（3）為了使工件表面強(qiáng)化更加均勻，推薦選用雙盤的拋丸器。雙盤拋丸器拋射出來的鋼丸在葉片寬度方向上分布均勻，形成的拋丸熱區(qū)寬度更大（圖3所示為拋丸熱區(qū)顯微圖），有利于獲得均勻的Almen值分布。

圖3 拋丸熱區(qū)顯微圖

（4）拋丸強(qiáng)化所用鋼丸硬度一般較大，為了保證拋丸器的使用壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)要求拋丸器的耐磨易損件使用工具鋼制作，耐磨件表面淬火硬度要達(dá)到62HRC 以上。

2 丸料

拋丸強(qiáng)化所用鋼丸常用為研磨鋼絲切丸（G2），直徑為φ0.4 ～φ1.2 mm，硬度為640 ± 30 HV1。在其它參數(shù)一定的情況下，工件的Almen 值主要由鋼丸的大小和鋼丸的拋射速度有關(guān)。鋼丸直徑越大，拋射速度越高，越容易獲得高的Almen 值。圖4 為通過大量試驗(yàn)繪制出的鋼丸直徑、速度與Almen 值的關(guān)系圖。

圖4 鋼丸直徑、速度與Almen 值對(duì)照表

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，根據(jù)表1 和客戶對(duì)Almen 值的要求，可以大致選定強(qiáng)化時(shí)所需鋼丸的直徑和拋射速度；從而減少設(shè)備設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，縮短設(shè)備的安裝調(diào)試周期。

3 拋丸室

拋丸室是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部件，其材料的選用和設(shè)計(jì)是否合理，決定設(shè)備的使用壽命和工件拋丸強(qiáng)化的效果。

目前，拋丸室殼體的材料一般選用太鋼生產(chǎn)的固溶態(tài)Mn13，或者歐洲進(jìn)口的X120Mn12 高錳鋼板，板材厚度要達(dá)到8 mm 以上。室內(nèi)襯板采用易更換的安裝方式，材質(zhì)選用Cr12W，厚度要達(dá)到15 mm以上。

拋丸器的布置方式對(duì)拋丸強(qiáng)化效果至關(guān)重要，在布置拋丸器時(shí)，首先要保證待強(qiáng)化工件完全在拋丸熱區(qū)的覆蓋下。其次要保證鋼丸入射方向與工件待強(qiáng)化表面夾角a= 90°，對(duì)強(qiáng)化要求不是太高的，也可以使夾角a 小于90°，但一般要保證在80° ～90°之間，入射角度太小會(huì)影響強(qiáng)化效果。最后，工件表面與拋丸器的中心距離L = 800 ～ 1300 mm 為最佳。圖5 為單個(gè)拋丸器與工件相對(duì)位置示意圖。

圖5 拋丸器的布置示意圖

4 丸料閥

丸料閥的作用是開啟和關(guān)閉對(duì)拋丸器的丸料供應(yīng)。丸料閥的開關(guān)方式通常是通過氣缸來控制。拋丸強(qiáng)化應(yīng)用時(shí)，由于對(duì)拋丸器的丸料量要求比較嚴(yán)格，需要精確的控制丸料量來滿足工件Almen 值的要求。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要丸料閥可以自動(dòng)在線調(diào)節(jié)開口大小。在丸料閥上增加電缸來自動(dòng)調(diào)節(jié)丸料閥的開口大小是一種可行的方法。圖6 為常見的帶電缸調(diào)節(jié)的丸料閥。

圖6 帶電缸調(diào)節(jié)的丸料閥

5 振動(dòng)丸料篩分器

從圖4 中可以看出，鋼丸的直徑對(duì)Almen 值的大小有影響。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶購買的鋼丸的尺寸會(huì)不均勻；另外，在拋丸強(qiáng)化過程中，鋼丸在使用時(shí)會(huì)發(fā)生磨損或者破碎，隨著使用時(shí)間的增加，鋼丸尺寸會(huì)越來越小。為了保證Almen 值的穩(wěn)定性，需要對(duì)使用過的鋼丸進(jìn)行篩分，保證鋼丸尺寸在要求的范圍內(nèi)。常用的做法是在丸料循環(huán)系統(tǒng)中增加振動(dòng)丸料篩分器，定期對(duì)丸料進(jìn)行篩分過濾。圖7 所求為三層的振動(dòng)丸料篩分器，可以過濾掉大的和小的破碎的鋼丸，只保留所需尺寸的鋼丸進(jìn)入丸料循環(huán)系統(tǒng)，再循環(huán)利用。

圖7 振動(dòng)丸料篩分器

6 丸料循環(huán)系統(tǒng)

在拋丸設(shè)備中，鋼丸需要循環(huán)利用。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備需要配置一套丸料循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)用來回收和清洗鋼丸，使鋼丸可以重復(fù)循環(huán)利用，降低拋丸設(shè)備的運(yùn)行成本。圖8 為典型的丸料循環(huán)系統(tǒng)原理圖。

圖8 典型的丸料循環(huán)系統(tǒng)原理圖

7 設(shè)備調(diào)試

設(shè)備安裝完成后，除了正常的通電試運(yùn)行外，拋丸強(qiáng)化設(shè)備還需要進(jìn)行工件強(qiáng)化工藝測試。該測試可以通過Almen 試片進(jìn)行，需要測定滿足客戶要求的Almen 值時(shí)，拋丸器的電流頻率，以確定鋼丸的拋射速度；繪制飽和度曲線，確定最佳的拋丸強(qiáng)化時(shí)間；檢測工件表面覆蓋率是否達(dá)到要求等。

8 結(jié)論

（1）拋丸強(qiáng)化設(shè)備易選用大直徑的拋丸器，通常選用D500 mm 雙盤拋丸器。

（2）設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需要配備變頻器，用來改變拋丸器的轉(zhuǎn)速，從而改變鋼丸的拋射速度。

（3）拋丸室殼體材質(zhì)選用太鋼生產(chǎn)的固溶態(tài)Mn13 或進(jìn)口的X120Mn12；室體內(nèi)襯板安裝采用易拆卸方式，材質(zhì)選用Cr12W。

（4）拋丸器的布置盡量保證鋼丸的入射方向與工件表面夾角為80° ～90°之間；工件表面與拋丸器的中心距離L = 800 ～1 300 mm 為最佳。

（5）設(shè)備需要配備帶電缸丸料閥，用來在線自動(dòng)調(diào)節(jié)拋丸器的丸料量；配備振動(dòng)篩分器，對(duì)鋼丸進(jìn)行定期篩分，保證鋼丸尺寸在要求的范圍內(nèi)，從而保證工件Almen 值的穩(wěn)定性。