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喷丸强化介质对疲劳特性的工艺一致性以及改善结果的影响!

  • 喷丸强化介质对疲劳特性的工艺一致性以及改善结果的影响!
  • 发表时间:2016-08-24 09:28
  • 简介

    喷丸强化工艺最常见的用途就是用其来提高金属部件的疲劳特性。必须控制好喷丸强化的重要参数才能获得一个最有利的、可重复的并可靠的疲劳改善。喷丸强化工艺中一个最重要的参数为弹丸本身。没有正确质量的弹丸,其它所有的喷丸参数无关的,所期望的疲劳以及一致性的改善将无法实现。尤其在加工过程中,很好奇要对这个最重要的参数投入多少关注。喷丸介质的控制包括介质的选取以及介质在工艺中控制,这是通过喷丸强化来提供疲劳总量以及一致性的最简单的途径。

    喷丸强化介质有六个重要的特性:尺寸、外形、硬度、密度、耐磨力、以及材质。 

    尺寸

    最常用介质的尺寸来测量评估介质的特性。在过去一些关于弹丸尺寸与喷丸强度之间关系的一些叙述中形成获得了许多资料。在弹丸的速度保持不变或者增大时,弹丸尺寸变大,颗粒质量就会增加,同时喷丸强度也回增加。

    弹丸的尺寸的评估通常采用筛分测试。在筛分测试中,根据它们的开口直径(最大的在最顶部,最小的在底部)将一类4到5个筛子堆积起来。将丸料倒入顶端的筛子中,堆叠的筛子在震动装置中一段时间。在震动之后,将余留在每一个筛子上的介质的重量进行测量、记录以及对照可接受规格。表一为两种不同的介质的筛分测试。 

    规格

    切丸0.9mm

    铸钢丸S-330

    筛子尺寸

    最大2%

    0%

    0%

    16个孔/每平方英寸

    最大50%

    1.2%

    17.2%

    18个孔/每平方英寸

    最小总和 90%

    99%

    94.7%

    20个孔/每平方英寸

    最小总和98%

    100%

    99.8%

    25个孔/每平方英寸

    表一按照MIL-S-13165C-筛分测试 

    目前采用筛分测试评估介质的尺寸以及外形(3)。在筛分测试中,电脑监控使用一个摄像机将一层弹丸放映。接着电脑测量每一个被检查的颗粒尺寸和外形。一个单独的检查区域包含了许多的颗粒。期望尽可能多的区域被检查是可以进行的。在一个短暂的时间内可以检测上千个颗粒。直径(弹丸尺寸)和颗粒圆度(弹丸外形)的测量可被收集并被输入到电脑软件程序中。这些软件程序可以制作输出各种各样形式的数据,如统计格式(平均数,标准误差,柱状图,变化幅度,最大,最小等等)或者统计工艺控制格式(工艺控制表格,分布分析,工艺能力研究,超过或者低于指定限制的百分数)。表2中的简单例子为一个外形分析的统计输出得出的格式。

    英寸

    切丸0.9mm

    铸钢丸S-330

    比例

    平均值

    0.0433

    0.0403

    1:0.93

    标准误差

    0.0018

    0.0062

    1:3.44

    变化幅度

    0.0107

    0.0407

    1:3.80

    表2外形分析-最少1250颗

    筛分测试可以描绘出喷丸强化介质的通常概念,但是外形分析能提供更多的说明资料,这些资料可以更加清晰的定义喷丸强化介质的特性。外形测试提供的描述资料越多,将给使用者对评估的介质的实际尺寸以及稳定性提供的认知就越好。例如,表一中的分析数据将能得出两种介质的尺寸非常接近由于在18个孔/每平方英寸上铸钢丸330相对钢丝切丸为17.2%比1.2%,说明铸钢丸稍微大点。两种介质都在指定的范围内。表2中,用外形测试几乎一样的样品,清楚的显示出钢丝切丸磨圆相比平均铸钢丸尺寸要大并且更加一致。

    由表1和表2可以得出表3中的喷丸强度对比。所有的喷丸参数都相同,只有介质不同。每种介质对25个阿尔门试片进行喷丸达到饱和。在喷丸之前,挑选的每一个阿尔门试片的平面度为±0.0005英寸。表3中的统计中显示介质CW35稍微大点并且一致些,从而可以产生更高并更一致的喷丸强度值,此强度值与表2中的外形分析的尺寸测定一致。

    (0.001英寸)

    钢丝切丸0.9mm

    铸丸S-330

    比例

    平均

    22.18

    21.37

    1:0.96

    标准偏差

    0.724

    1.223

    1:1.69

    变化幅度

    2.3

    4.3

    1:1.87

    表3.喷丸强度-A试片

    采用与铸钢丸相似尺寸以及硬度的磨圆的钢丝切丸对wantanabe和雪佛兰汽车的齿轮以及悬簧进行喷丸处理可获得更加一致的疲劳寿命。毫无疑问边缘尖锐的破损颗粒会对疲劳抵抗力造成不利的影响。

    外形

    第二个最常用的测量介质特性的就是外形。喷丸强化的介质的外形为圆形并且免于潜在的有破坏性的尖锐的边缘。图一清楚的显示由于尖锐边缘破损的颗粒造成的表面损坏(切开或者撕开)。辛普森指出了疲劳寿命受到尖锐边缘破损的颗粒的影响。随着破损颗粒百分比的增加,疲劳寿命相应的降低。美国雪佛兰汽车以及现有的资料(表4)表明了破损颗粒数量较少的介质相对于破损颗粒数量较多的介质具有更高的一致性以及更高的平均疲劳寿命。外形分析相对于传统的视觉评估方法所获得结果更加详细,更具有描述性。再采用一个自动检测系统,介质外形的评估将更加的精确(3),如在外形分析时采用这样一个自动外形评估系统,如外形分析,是非常正确的,其可免除一些在非常普遍的视觉检测中存在人为的错误以及主观性。利用目前的技术,在抛丸机上安装一台外形分析系统时可以做到的并且可在机器运转的同时测量介质的尺寸以及外形。

    硬度

    硬度是介质很显著的一个特性,在之前的四次国际喷丸强化会议中有谈论到介质硬度的影响。为了获得最佳的残余压应力(大小及深度)建议使用的介质的硬度至少不低于进行喷丸强化工件的硬度。当对硬度为HV450的工件进行喷丸时,这个硬度为所选用铸钢丸的硬度范围(HV390-510)的中间值。对于硬度高于HV450以上工件,需采用硬度更高的介质。

    但是对于阿尔门试片是怎样的呢?标准中规定的阿尔门试片的硬度为HV430-510,平均值为HV470。阿尔诺清楚的显示采用硬度为HV400的介质进行喷丸的工件所达到的弧高值以及饱和点都低于采用高硬度介质的喷丸所达到的。(例如,640HV为切丸的标准硬度)。阿尔若数据表明阿尔门试片的弧高值将随着介质硬度的增大而增大。

    作者建议要达到最佳的工艺控制,介质的硬度必须尽可能的一致,且最小为HV510,这个硬度为阿尔门试片的最大硬度。 

    密度

    密度为喷丸的一个特性,此特性包含在了大多数介质的规格中,但是使用者很少有测量密度的。事实上很多使用者不知道如何去测量他们介质的密度。密度测量可迅速并有效指明弹丸颗粒存在大量的空隙,气孔或者其它内部缺陷。颗粒存在严重的内部缺陷,那么它的密度将小。相比实心的颗粒,它就会更快的破碎,从而颗粒的平均尺寸就会降低,不可接受的边缘尖锐的破损颗粒总量就会增多。另外一个与密度相关的重点就是弹丸颗粒的动能。动能是一个运动物体的质量以及速度的产物。密度是由一个物体的质量和体积决定的,物体的密度增大,质量也随之增大。因此在相同的速度下,介质的密度也大,所得到的动能也就越大。

    GILLESPIE依次介绍了密度以及耐磨力-使用寿命和抗碎力。高密度介质(钢丝切丸)同样具备最好的使用寿命和抗碎力。铸钢丸,陶瓷丸以及玻璃丸的使用寿命和抗碎力同样密度(铸钢丸后面是陶瓷丸,接着为玻璃丸)的范围在同一个等级中。在耐磨力的下一个部分中指出了不锈钢丝切丸的密度相比钢丝切丸稍大,同样测量出其耐磨力也比钢丝切丸稍大。

    具有最高以及最一致密度的介质将产生最高并最一致的喷丸强度和最低可能性的表面破损。

    耐磨力

    耐磨力维喷丸强化介质最重要和复杂的一个特性。它可定义为喷丸强化介质在使用中保持形状和尺寸的能力。介质的尺寸慢慢变小。喷丸介质的使用寿命为介质在其尺寸不可用之前的可承受的时间和旋转圈数。介质的成为带有尖锐边缘的破损颗粒时,介质的外形也就遭到了破坏。破碎力是指介质可提抗破碎的时间。

    介质的耐磨力会影响到进行喷丸工件的抗疲劳力,环境担忧问题(粉尘的产生及排放),设备的维护以及介质的成本。损坏的边缘尖锐的颗粒的潜在危害在以上外形部分已讲述。尺寸一致性对于疲劳体抗力的重要性已在尺寸部分进行了论证。 

    表5显示的是由三种介质—相似尺寸和硬度的不锈钢丝切丸磨圆,钢丝切丸磨圆,以及铸钢丸产生的粉尘测量结果。同样表5中也表明了这三种介质的使用寿命。具有最长使用寿命的介质(不锈钢丝切丸磨圆)产生最少的粉尘,这一点是毫无奇怪的,使用寿命最低的介质产生的粉尘量最大。很清楚喷丸介质的耐磨力越高,介质破损产生的粉尘量就越低。

     

    比例(克/圈数)

    使用寿命(圈数)

    不锈钢丸

    0.0042

    11,124

    钢丝切丸

    0.0147

    3,327

    铸钢丸

    0.0254

    362

    表5.粉尘产生率-钢丸介质

     

    显而易见,破损成尖锐边缘的丸料颗粒相比可抵抗破裂,不形成破损颗粒的介质将导致抛丸机以及附件更多的磨损。Gillespie将喷丸介质的使用寿命和它们的抗破碎力进行了对比。在任何情况下,介质具有越高的使用寿命,那么的它并具有了越强的抗碎力。

    为了准确的评估所消耗介质在喷丸强化过程中的成本,必须考虑到的一点就是介质的耐磨力以及其初成本。表6为根据初成本以及耐磨力,三种介质成本的对比。介质的破碎率越低,耐磨力(使用寿命)越好。

    表6中,每圈花费最低的介质(不锈钢丝切丸磨圆)初成本最高。这是由于其具有更高的耐磨力(低破碎率)

    介质

     价格

    (分/克)

    破碎率(克/圈)

    每圈花费(分)

    使用寿命(圈数)

    不锈钢丝切丸

    1.588

    0.009

    0.0143

    11127

    钢丝切丸

    0.544

    0.030

    0.0163

    3327

    铸钢丸

    0.165

    0.276

    0.0455

    362

    表6-成本对比-钢丸

    材质

    最后一个讨论的特性为材质。制作喷丸强化的弹丸有多种材料。玻璃珠,陶瓷珠,铸钢丸,钢丝切丸磨圆以及不锈钢丝切丸磨圆都是一些用来进行喷丸强化以提高抗疲劳力的常见介质。玻璃珠,陶瓷珠以及不锈钢丸通常用来处理一些不含铁的金属工件以避免铁污染。Premier弹丸公司采用三种钢丸进行了一项铁残留测试。

    样品嵌板是采用铝合金板7075(常被用在飞机制造上)制作的,此板采用相同尺寸和硬度(0.35mm,HV600-700)的新介质来进行喷丸。利用X射线光电子分光光谱分析对经三种介质(铸钢丸,钢丝切丸磨圆,以及不锈钢丝切丸磨圆)喷丸后的平板进行表面分析。同样利用X射线光电子分光光谱分析对未经喷丸的平板操作进行对比。 

    在X射线光电子分光光谱分析过程中,材料表面经X-射线照射,X-射线只和表面的原子相互作用。放射出各种电子能量。能量的等级可以确定能量是从那个原子中释放的。使用一个计算机模式可以计算出存在元素的原子集中度。

    图3总结了在四种条件下的铁残留测量。未经喷丸的样品存在少量的铁(0.55%),这是7075合金中通常存在的含量。用不锈钢丸的铁残留量为2.06%,不锈钢丸,像典型的302合金,是由镍和铬组成的,它不会遭受到铁氧化变形(铁锈)。用钢丝切丸的铁残留量为3.34%,它与氧气结合形成铁氧化物。使用铸钢丸铁残留量最多,为30.91%,它也和氧气结合产生氧化物。

    避免产生凹坑或者腐蚀问题的可能性,许多喷丸强化规范要求铝或者不含铁合金在采用钢丝切丸喷丸强化之后需进行净化处理。当然,根据工件表面的残留量,对其进行必要的净化。

    喷丸介质中的材料部分中耐磨力和初成本为其它主要因素。这些重要因素在之前的部分中有讨论过。 

    总结

    使用喷丸强化为达到最佳的提高抗疲劳的度,关于喷丸介质可以制定以下总结。

    1.尺寸-使用介质的尺寸需最大性的一致。

    2.外形-挑选的介质可抵抗尖角边缘的断裂和变形。

    3.硬度-用来强化的介质的硬度不能小于工件以及阿尔门试片的硬度。

    4.密度-密度介质更加耐磨,更加抗碎。

    5.耐磨力-挑选的介质具有最长的使用寿命以抗碎力

    6.材料-挑选的介质具有较强的耐磨力并使表面最少的残留。

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