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        曲軸加工過程中的拋丸機強化技術


        拋丸強化技術的應用可有效改善和提高汽車關鍵部件的抗疲勞壽命和耐腐蝕性能。目前,全球很多著名的汽車整車廠商和零部件制造商都已將強化列入標準的生產工藝流程中,同時,強化設備也與其他制造設備一樣形成了完整的現代制造流水線。本文由青島鑄造機械廠整理。

        隨著拋丸強化技術的不斷發展,其在汽車制造領域用于改善和提高汽車關鍵部件的抗疲勞壽命越來越成為人們關注的重點,并且在轎車、卡車、摩托車等設計的較初就對其進行了充分考慮和重視。目前,大部分發動機零件的設計中都會有噴/拋丸強化技術和工藝的應用,包括:曲軸 (去氧化皮和強化)、連桿(強化)、傳動齒輪和其他軸類零件,齒圈、活塞,太陽齒和行星齒以及板簧和圓簧等。大量的汽車零部件,無論是鑄/鍛件、壓鑄件,還是機械切削件、焊接件都需要利用不同類型的噴/拋設備進行表面處理,如去除氧化皮,去毛刺、清砂和清理其他表面雜質。

        有確鑿的數據證明:通過噴丸強化,能讓板簧的抗疲勞壽命延長600%,傳動齒輪的抗疲勞壽命延長1500%,曲軸的抗疲勞壽命延長900%。有效提高零部件的抗疲勞性能和耐腐蝕性能,對其使用壽命和使用安全性具有重大的意義。依靠噴丸強化技術,零件可設計地更輕巧,一些原來因工藝規格要求不得不使用昂貴材質的零件現在也可替換使用低價格材料,通過噴丸強化工藝能夠達到同等甚至更好的性能標準。

        曲軸制造流程中的拋丸清理

        作為制造流程的一個環節,熱處理過的曲軸需要經由拋丸清理來去除表面的熱氧化皮。曲軸被置于旋轉輥輪上,在滾動時,曲軸所有表面被充分曝露在多個拋頭拋射出的丸流下,多角度的丸粒沖擊使曲軸的外表面得到徹底清理。

        曲軸的尺寸決定了選用拋丸機的類型。對于大的發動機,曲軸尺寸可能大到φ762mm、長6096mm, 曲軸被置放于安裝在臺車上的一組滾輪間。有幾種工作方式,客戶可以根據自己廠房車間的實際情況選擇固定拋頭,既可讓臺車在拋頭下移動,也可固定臺車,移動上方的拋頭。無論選擇哪種方式,安放在滾輪間的曲軸都是不停地旋轉,使其各表面都接受充分地拋丸清理。

        小一些的曲軸,如φ152~203mm、長914mm,通常是利用旋吊式拋丸機進行拋丸清理。曲軸被懸掛在一個吊鉤上,然后經懸鏈的轉動被送入安裝有多個拋頭的拋丸室,進行拋丸清理。吊鉤在拋丸室里旋轉,讓工件充分曝露在高速丸流下,邊旋轉邊通過。其清理速度可達到250件/h,且清理效果非常好。

        雖然對流程控制的要求不如強化那么嚴苛,但現代的曲軸拋丸清理設備也通過對流程參數的監控來保證清理質量。

        曲軸的強化

        由于曲軸在交變應力作用下工作,其軸頸面變化轉接圓角處發生應力疲勞和應變破壞的危險性極大。目前,通過噴丸強化來改變曲軸抗疲勞性能已在大范圍內得到普遍應用,且效果令人滿意。

        傳統滾壓工藝的缺陷是,由于受曲軸加工工藝性的限制,各軸頸圓角很難與滾輪相吻合,

        往往造成圓角的啃切現象,而且滾壓后的曲軸變形較大,效果不佳。噴丸強化的機理是利用嚴格控制直徑并具有一定強度的丸粒,在高速氣流作用下,形成彈丸流并連續向曲軸金屬表面噴射,就像用無數個小錘進行錘擊,使曲軸表面產生極為強烈的塑性變形,形成冷作硬化層。簡而言之,由于曲軸在加工中受各種機械切削力的作用,其表面特別是曲軸截面變化轉接圓角處的應力分布極不均勻,工作中又受交變應力作用,很容易產生應力腐蝕而使曲軸的疲勞壽命降低。而噴丸強化工藝是通過引入一個預壓應力來抵消零件在以后工作周期會受到的拉應力,從而提高工件抗疲勞性能和安全使用壽命。

        對于噴丸強化過程,有兩個較關鍵的參數。一個是應力強度,這通常是采用“阿爾門試片”進行強度檢測。多個試片固定在曲軸的不同表面,特別是應力較集中的曲軸截面變化轉接圓角處,一同進行噴丸,試片上產生的壓應力影響導致試片弓曲。曲率的擴大變化與丸料沖擊的能量成比例。另一個確定噴丸質量的主要參數是覆蓋率,這主要是指強化后表面彈坑占據的面積與總強化表面的比值,該參數由曲軸的設計工程師來定義,通常要求是在100%~200%,有些曲軸應用可能要求覆蓋率高于200%。

        根據曲軸的硬度和理想的導入壓應力強度,通常曲軸噴丸強化使用的丸粒硬度在50~55 HRC,大小在S 280~S 330 (0.7 mm~0.84 mm)。這樣產生在“阿爾門試片”上的強度范圍約在0.008~0.010 C (0.025 on the A scale)。相較于拋丸清理,噴丸強化的工藝參數監控更為嚴苛。就曲軸強化應用而言,需要監控的參數包括:噴丸速度、噴丸強度、丸粒直徑、噴丸的距離、強化的時間及覆蓋率。這些參數中任意一個的變化,都會不同程度地影響曲軸表面強化的效果。

        正確應用可控的噴丸強化技術,能使曲軸和其它在高載荷條件下工作的零件的疲勞強度得到大幅提高,從而大大延長零件的抗疲勞壽命。先進、精密的帶電腦程控技術的噴丸設備能夠對噴丸流程進行嚴密監控,以確保噴丸質量的恒定性和可重復性。目前,全球很多著名的汽車整車廠商和零部件制造商都已將強化列入標準的生產工藝流程中,強化設備也與其他制造設備一樣形成了完整的現代制造流水線

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