淺談汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)活塞和扇形軸的齒強(qiáng)化拋丸規(guī)范

范開(kāi)富 張浩 張凱

金馬工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 山東 日照 276826

1 概述

1.1 目的

強(qiáng)化拋丸技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向機(jī)制造領(lǐng)域，強(qiáng)化拋丸工藝有氣動(dòng)和機(jī)械等丸粒加速的方式。本文介紹了拋丸機(jī)采用機(jī)械方式將一定直徑的鋼丸加速，使鋼丸高速打擊被強(qiáng)化零件，讓零件表層形成保護(hù)作用的殘余應(yīng)力，產(chǎn)生加工硬化等有利變化，這對(duì)于處于長(zhǎng)期交變應(yīng)力下的活塞和扇形軸，可以延長(zhǎng)零件的疲勞壽命，同時(shí)可以提高零件的彎曲度、抗勞強(qiáng)度，改善應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，大大提高了零件的使用壽命。

1.2 強(qiáng)化拋丸工藝參數(shù)

工作介質(zhì)：（1）鑄鋼丸（AMS 2431/1 or AMS 2431/2）：熔融的鋼水經(jīng)熱處理及尺寸篩分硬度為45～52 HRC(AMS 2431/1)或55～62 HRC(AMS 2431/2)密度最小為7 g/cm3尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表4之規(guī)定。（2）鋼絲切丸（AMS 2431/3）或AMS 2431/8：由切成與鋼絲直徑等長(zhǎng)的小段經(jīng)過(guò)鈍化過(guò)程去除銳角而成硬度為45～52 HRC(AMS2431/3)或55～62 HRC(AMS 2431/8)密度及尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表3及表4之規(guī)定。（3）鋼絲（AMS 2431/5）：由切成小段的鋼線經(jīng)過(guò)研磨圓化表面硬度57～62 HRC芯部硬度40 HRC尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表1之規(guī)定（SAE AMS2431/5B：Peening Media Case Hardened Steel Peening Balls）。（4）玻璃丸（AMS 2431/6）：made with high quality glass of the soda-lime type and 以及至少67%含量的硅硬度48～52 HRC密度最小為2.3g/cm3尺寸依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表1之規(guī)定。（5）陶瓷丸（AMS 2431/7）：由氧化鋯硅及鋁融化而成硬度58～63 HRC密度3.60～3.95g/cm3尺寸大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表1之規(guī)定。

試片類型：N、A、C三種試片

工作壓力：根據(jù)零件檢驗(yàn)規(guī)范，按照SAE J443標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行飽和曲線調(diào)整參數(shù)

打擊速度：根據(jù)零件檢驗(yàn)規(guī)范，按照SAE J443標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行飽和曲線調(diào)整參數(shù)

彈丸流量：根據(jù)產(chǎn)品強(qiáng)噴區(qū)域要求的覆蓋率和試片弧高值調(diào)整參數(shù)

覆蓋率：根據(jù)表面被丸流拋射打擊形成的小凹坑痕覆蓋的面積調(diào)整打擊速度參數(shù)，改變零件表面的覆蓋率

2 拋丸強(qiáng)度及強(qiáng)噴范圍

2.1 拋丸強(qiáng)度

2.1.1 噴丸的參數(shù)：①噴丸在工件表面產(chǎn)生一個(gè)殘留壓應(yīng)力層以及其下的一個(gè)小張力；②最大的壓縮應(yīng)力及其位置是象征抗疲勞的改善；③最大的壓應(yīng)力值是降服應(yīng)力的函數(shù)（δYS)；④殘余應(yīng)力的深度是由噴丸強(qiáng)度所決定；⑤對(duì)于一個(gè)有效的工藝來(lái)說(shuō)噴丸強(qiáng)度的控制非常重要。

2.1.2 影響噴丸強(qiáng)度的參數(shù)：①機(jī)器設(shè)備（壓力式及葉輪式）包括彈丸流量、流速（轉(zhuǎn)速或壓力）、噴丸角度（大于45°）及與工件之間的距離；②噴丸介質(zhì)包括介質(zhì)尺寸的大小、介質(zhì)硬度。

2.1.3 依據(jù)J.O.Almen測(cè)量強(qiáng)度方法：

（1）平坦度：量得噴丸弧高度測(cè)量?jī)x上的試片平坦度如下：

（2）材質(zhì)：SAE 1070冷軋彈簧鋼；（3）加工：淬火+回火處理，去除所有毛刺；（4）熱處理：所有試片必須均勻硬化且經(jīng)至少攝氏371度的回火處理，以產(chǎn)生回火屈氏體硬度，與表面量測(cè)到的硬度HRC44～50相同，N試片為HRA72.5～76.0；（5）表面含碳量：以Rockwell 30-N的量表測(cè)量試片時(shí)，不可因表層含碳量的變化使其表面和表面下的平均硬度之差值超過(guò)2。比對(duì)時(shí)每個(gè)區(qū)域至少要有四個(gè)讀數(shù)的平均值，用來(lái)判定的試片必須是沒(méi)有噴丸過(guò)的，而且不能是測(cè)試過(guò)的。表面硬度讀值比表面下硬度的讀值低是表示被脫碳，表面硬度的讀值比表面下硬度讀值高表示滲碳。（例如用Rockwell 30-N的量表所測(cè)得表面平均硬度為62.5時(shí)，于經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨后的試片，其表面下硬度為64，這樣的試片是可接受的。如果讀到的表面下硬度為65時(shí)，因其差異值超過(guò)2，則不能接受。

（6）將“C”試片的強(qiáng)度值乘以3.5得到相當(dāng)于“A”試片之強(qiáng)度，將“A”試片的強(qiáng)度值乘以3得到相當(dāng)于“N”試片之強(qiáng)度。

2.1.4 阿爾門試片使用誤區(qū)：（1）應(yīng)避免使用小尺寸的試片無(wú)法在標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度計(jì)上測(cè)量；（2）應(yīng)避免使用其他材質(zhì)的試片無(wú)法與設(shè)計(jì)工程師所建立的強(qiáng)度相關(guān)。

2.1.5

（1）依據(jù)平坦度區(qū)分阿爾門試片之等級(jí)

?

（2）依據(jù)硬度區(qū)分阿爾門試片之等級(jí)

?

2.1.6

（1）阿爾門試片固定用試片夾具（試片固定座之材質(zhì)建議：任何合金鋼或碳鋼，最小硬化深度0.7mm，硬度57HRC。當(dāng)固定座磨損或其變形不致影響試片功能時(shí)，可使用替代材質(zhì)及厚度。使用M5沉頭螺絲或平頭螺絲以及方形螺帽。替代品：只有在倒角的螺絲孔使用螺絲）。

（2）阿爾門試片檢測(cè)用阿爾門強(qiáng)度計(jì)（測(cè)量?jī)x）。

2.1.7 阿爾門試片彎曲補(bǔ)償

（1）噴丸之前試片超出平坦的尺寸可做為原始弧高讀值的補(bǔ)償之用。

（2）彎曲補(bǔ)償法須要在噴丸之前及之后測(cè)量試片的同一面，并注意正負(fù)號(hào)及讀值，然后計(jì)算兩者之間的差值。

（3）本方法并非強(qiáng)制性，是客戶因規(guī)范或是審核過(guò)的技術(shù)要求而使用的。

（4）彎曲補(bǔ)償范例：

?

2.1.8 根據(jù)SAE J443測(cè)量噴丸強(qiáng)度

（1）噴丸強(qiáng)度 噴丸試片飽和時(shí)，弧高值代表強(qiáng)度。

（2）飽和 噴丸時(shí)間對(duì)應(yīng)弧高的曲線用來(lái)定義飽和。對(duì)測(cè)試試片進(jìn)行拋丸，并將噴丸時(shí)間逐漸增加，而且其他所有的條件都維持恒定，把一系列的點(diǎn)劃在噴丸時(shí)間對(duì)應(yīng)的弧高的圖上，即可畫(huà)出曲線。這些點(diǎn)用普通的形狀定義曲線如圖：

SAE J443 Jan’ 03.

注：僅有飽和曲線將指出噴丸時(shí)間以及強(qiáng)度值。

（3）當(dāng)拋丸時(shí)間增加為兩倍的時(shí)間后，曲線中弧高值的增加小于或等于10%的第一個(gè)位置點(diǎn)（彎曲的位置）即為飽和點(diǎn)，如上圖SAE J443 Jan’ 03.飽和曲線。

（4）測(cè)試試片的讀值是弧高值，而非強(qiáng)度值因此只噴一個(gè)試片無(wú)法獲得強(qiáng)度值，噴丸強(qiáng)度只能經(jīng)過(guò)前述的程序來(lái)決定，如上圖SAE J443 Jan’03.飽和曲線。

（5）強(qiáng)度只能由飽和曲線來(lái)決定，但對(duì)于工藝控制來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度可用一個(gè)試片或有些規(guī)范中所規(guī)定的兩個(gè)試片來(lái)確認(rèn)。

2.1.9 確認(rèn)噴丸強(qiáng)度 兩種確認(rèn)方法

（1）確認(rèn)的試片必須要在指定的強(qiáng)度范圍內(nèi)，本方法允許從原始提供的強(qiáng)度更動(dòng)飽和曲線而仍須在其范圍內(nèi)（如SAE J443.）。

（2）確認(rèn)的試片必須要在原始曲線的指定容許范圍內(nèi)，這是在某些規(guī)范中更嚴(yán)格的要求。

2.1.10 阿爾門試片位置

（1）阿爾門試片夾具的位置在生產(chǎn)過(guò)程計(jì)劃時(shí)就必須決定。（2）夾具應(yīng)有可供辨識(shí)，且無(wú)法去除記號(hào)的標(biāo)示，以及可以相互參照的文件及技術(shù)資料。（3）阿爾門試片的夾具應(yīng)該與工件相似，且應(yīng)考慮遮蓋及反彈的問(wèn)題。（4）可以使用報(bào)廢產(chǎn)品。（5）將阿爾門試片夾定器焊接在仿制或報(bào)廢的工件上。其它考慮因素：①有不同強(qiáng)度要求的區(qū)域必須要有單獨(dú)的試片位置；②重要工件上已知的失敗區(qū)域；③不易進(jìn)入接觸或因設(shè)備本身限制的區(qū)域；④為了在其他的區(qū)域達(dá)到完全覆蓋率的要求所做的過(guò)度噴丸；⑤有可能產(chǎn)生變形區(qū)域；⑥特殊的內(nèi)徑槍噴丸的區(qū)域（也許須要遮蓋的試片）；⑦設(shè)備的控制及自動(dòng)化的程度例如參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)制管理也許可以減少試片需要的數(shù)量。

2.2 強(qiáng)噴范圍

2.2.1 動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)活塞的齒強(qiáng)噴范圍示意圖：

2.2.2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)扇形軸的齒強(qiáng)噴范圍示意圖:

2.2.3 強(qiáng)噴區(qū)域要求100%～200%覆蓋率。

3 夾具和其他要求

3.1 活塞和扇形軸在強(qiáng)化拋丸過(guò)程中，活塞和扇形軸固定正確，以使噴射流導(dǎo)向需要噴丸的根部半徑區(qū)域。

3.2 每當(dāng)檢驗(yàn)規(guī)范不合格或進(jìn)行重大維修保養(yǎng)時(shí)，任何過(guò)程更改時(shí)都要按SAE J443運(yùn)行飽和度曲線，或者至少一年一次。

3.3 壓力或流量參數(shù)不變的情況下，當(dāng)設(shè)備更換新的丸料或更換新的產(chǎn)品時(shí)，必須檢測(cè)弧高值與覆蓋率。

3.4 工件強(qiáng)噴區(qū)域與噴嘴距離范圍150～200mm，兩個(gè)噴嘴之間的距離不小30mm，噴嘴角度根據(jù)零件的實(shí)際情況而定。

4 合格檢驗(yàn)

4.1 噴丸后的扇形軸和活塞必須承受用戶要求的停車疲勞測(cè)試的次數(shù)。

5 殘余應(yīng)力

5.1 某個(gè)深度范圍內(nèi)，至少達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的最小殘余應(yīng)力值。

5.2 殘應(yīng)力檢測(cè)，通常用X射線衍射衍射測(cè)量殘余應(yīng)力，測(cè)試殘余應(yīng)力方法除X射線衍射法外，還有機(jī)械法、電阻法、聲學(xué)法等，在這些檢測(cè)殘余應(yīng)力方法中，只有X射線衍射為非破壞性的，可測(cè)定表層10～35um內(nèi)的應(yīng)力。測(cè)定零件沿層深度的殘余應(yīng)力，通常采用剝層，即通過(guò)切削或腐蝕進(jìn)行剝層（例如：腐蝕剝層可借助XF-1型電解拋光機(jī)及飽和NaCl水解電解液進(jìn)行剝層）。殘余應(yīng)力檢測(cè)屬于有損檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，工藝驗(yàn)證和設(shè)備調(diào)試時(shí)抽取零件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)。生產(chǎn)過(guò)程中，通常通過(guò)檢測(cè)試片弧高值的穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行控制。

5.3 殘余應(yīng)力檢測(cè)位置按用戶規(guī)定的零件要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在活塞和扇形軸加工工藝過(guò)程中齒部強(qiáng)化拋丸是非常重要的一序，它極大的提高了零件的使用壽命，從而使零件獲得更理想的效果。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)化拋丸技術(shù)不斷進(jìn)步，以滿足更多用戶特定的生產(chǎn)要求。