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第 4 卷
2016 年
9 月刊
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访谈


第 4 卷- 2016 年 9 月刊
超声波喷丸强化:可靠创新型工艺满足汽车行业需求



SONATS工艺经理Frederic CHATEAU和国际开发工程师Juliette TRICOIRE


汽车齿轮传动(合金钢)中的残余应力分布示例


Stressonic®超声波喷丸强化输出轴动态处理。注:3D动画请访问SONATS YouTube频道ETsonats


汽车输出轴的Stressonic® USP自动化4工位机器

对欧洲科技集团子公司,即法国创新型公司SONATS的工艺经理和国际开发工程师Frederic CHATEAU和Juliette TRICOIRE的专访。

(?)MFN:感谢你们接受此次专访。你们能向我们的读者快速介绍一下SONATS及你们在贵公司中的职位吗?

(!)J.T.:SONATS是一家在材料健康分析和金属部件疲劳性能优化领域拥有25年多经验的法国创新型公司。
  作为我们专利技术STRESSONIC®(超声波驱动)的开发项目,我们通过高质量处理,为增强抗应力腐蚀开裂(SCC)的疲劳性能,提供冷加工冲击处理解决方案:对重要部件进行超声波喷丸强化,超声波冲击强化(UNP/UIT),对焊接结构进行高频率的机械冲击处理(也称为HFMI),并进行超声波冲击矫直以成形或矫直快速可控的板料。
  我公司总部位于法国西部城市南特,并在美国伯明翰有一家姐妹公司:Empowering Technologies Inc.
  我们负责通过网络联系所有工业国的业务代表和技术合作伙伴,对提高疲劳项目是我在SONATS作为国际开发工程师的主要工作,然后与工艺工程团队进行基本的项目开发工作。接下来让Frederic向您介绍一下。

(!)F.C.:谢谢!作为SONATS的工艺经理,我会和专业技术人员、工程师和博士们一起合作,为客户的应用需求提供第一手分析。根据客户需求(残余应力分布、粗糙度、硬度、生产流程),找出不同组超声波喷丸强化参数,并与位于这里的SONATS中的材料实验室密切合作,验证最佳解决方案。之后,我的部门也会通过现场服务、车间劳务分包服务或通过开发标准或定制生产机器等方式加入到工艺工业化生产流程中。我们将一直提供工艺团队支持,直到在客户车间完成最终安装。

(?)MFN:我们的读者可能不太了解超声波喷丸强化,您能跟我们解释一下这一工艺和最常见的空气喷丸或抛丸技术的主要区别是什么吗?

(!)J.T.:超声波喷丸强化(USP)工艺与传统抛喷丸强化(CSP)类似,它也是一种冷表面处理方法,它们都使用介质来冲击机械零件表面,形成压缩残余应力层,改善材料机械性能,都可延长疲劳寿命,增强疲劳抗性,以应对腐蚀开裂。
  USP与传统抛喷丸强化工艺的区别在于抛喷丸动能提供方式不同,USP不使用恒定气流、重力或高速旋转叶片,而是通过加速振动表面,即使用超声波发生器,其振动频率在超声波范围(20 kHz)内,所以以超声波命名这项技术。

(?)MFN:您能描述一下它是如何工作的吗?

(!)F.C.:发生器传输一种可刺激压电式传感器的正弦波形电信号,以将这种电能传送到电机位移中,由于发送器传送的振荡较小,必须通过一些助力器放大振动,以向超声波发生器传递足够动能,直接接触喷丸介质。我们在超声波发生器和待喷丸的精确区域之间设计了一个特别的附件,就可将介质密封包含在可控体积内,超声波发生器表面的纵向振动将介质随机分散到治疗区中,就像将分子分散到气体中一样。这种气体式运动使得待处理零件的所有表面均可得到均匀处理。

(?)MFN:这种工艺不同于传统抛喷丸强化,那么,超声波喷丸强化(USP)的关键参数是什么呢?
 
(!)J.T.:是的,此工艺的第一个关键参数是振幅;它的值是在项目的定性环节设立的。在机器中,一个闭环系统可确保振幅不会变化,从而提供重复流程。然后,为了获得完整的强度范围,优化待处理区域的表面粗糙度,介质质量是我们要在流程中控制的重要因素,我们确定并控制每一批要使用的喷丸材料介质、密度、硬度、直径和球面形状。

(!)F.C.:刚才Juliette提到了介质质量,经常会有人向我们咨询当表面粗糙度已经保持到非常低时,在什么地方需要诱发深压缩应力这样的关键应用问题。借助USP,由于处理的气密性,可将介质数量减少到几克,从而可使用不会磨损部件表面的高质介质(轴承球状、高球面)进行USP。
  直径较大的介质可用于高强度操作,以诱发深残余应力,获得粗糙度较小的表面(如:在7-9A/F19A中使用USP喷丸TA6V零件获得11.8µin/0.3µm Ra和在相同喷丸强度下使用CSP获得118µin/3.0µm Ra)。

(?)MFN:这种精确地喷丸强化技术似乎多用于航空航天工业这样的小量生产中。我们是否可以设想,将此技术投入到汽车行业等大量生产中?

(!)J.T.:的确,超声波喷丸强化最初是为了处理航空航天应用而开发的,但我们在21世纪从Formula 1零件开始,已经使用了十余年的汽车OEM。

(!)F.C.:从五年前开始,我们就注重在大量生产中的体验,我们的设备每年最多可加工500,000个零件。如今,我们设计和制造的一半机器都应用在汽车生产线中。我们现在正在开发的机器将在未来几年交付,它可满足每年200万个零件的工厂生产效率要求。

(?)MFN:对于你们来说,为更深入的汽车市场开发USP解决方案的挑战是什么?

(!)F.C.:从工艺观点来说,对传送零件的要求确实非常高。USP已经过验证,它在这些重要应用中非常有效且可靠。我们正设法引出齿面和齿根上均匀的高表面压缩应力(如:-1100 MPa / -145 Ksi)。

(!)J.T.:现在,我们能提供标准互换工位,可让客户逐步配备生产机器,以符合产能提升周期的要求并优化他们的ROI。
  我们提供了很多自动化程度不同的机器。对于产能提升之前生产效率较低的应用或小量生产,可选择半自动化解决方案,通过一人高的检修窗口手动处理零件。高度自动化机器包含介质计数(个数或克数)、介质磨损单独报警和更换、全球监管和定期发布质量报告等功能。

(?)MFN:贵公司是否能提供自动化系统?

(!)F.C.:为满足最为苛刻的生产率要求,我们提供全自动化部件,直接通过之前的工艺操作处理零件。尤其是在齿轮喷丸的USP机器中,我们在动态模式下实施喷丸强化工艺。在最近交付的机器中,我们使用4工位机器,在40s任务时间内每年的全球产量可达到500000个处理零件。

(!)J.T.:对于零件处理,从机器中装载/卸载及篮子管理符合精益生产的要求,减少了喷丸前后期的操作,我们与欧洲科技集团的子公司GEBE2等汽车专业公司合作。

(?)MFN:贵公司生产线的主要优势是什么?

(!)J.T.:对于所有种类的零件而言,整合USP的主要优势是即使在绝尘室中,也可将占用空间较小的机器(如:4工位机器,输出轴USP:2.40mx4mx2.5m)直接嵌入到全球生产线中。这可为客户减少分包成本或时间,主要是避免了船运操作或从车间内部流动到另一个车间,以将零件安装到传统喷丸强化机器上的操作。

(!)F.C.:正如我们之前所说,在密封室内进行操作,我们不需要戴面具。同时,使用的喷丸是表面规则的球形轴承介质,不会磨损表面,因此在超声波喷丸强化操作后无需净化或清洁零件。这通常减少了全球周期。

(!)J.T.:我们一直致力于优化能耗(电和压缩空气),现在能耗确实很低: 400V,5kW,60m3/h。还有一点,在财政优势方面,随之而来的是生产线中USP集成的全球ROI。从一种应用到另一种应用当然会有所不同,但5年来包括机器折旧、磨损零件和耗材在内的每个零件的平均处理成本不足1€。

(?)MFN:你们刚才主要介绍了齿轮和传动零件,是否还提供其他汽车零件呢?

(!)J.T.:我们主要是开发机器,改善零件处理工艺,并非小齿轮、传动轴或齿轮。我们为曲轴、凸轮轴、连杆、磁头柱体、喷射器、涡轮、压缩机轮和刺条等处理不同的材料,例如各种合金钢—已处理的和未处理的、铝和铬镍铁合金。

(!)F.C.:其实我们不仅提高组件的疲劳寿命,还用另外一种叫做超声波针刺强化 – UNP(也称为UIT – 超声波冲击处理)的工艺焊接结构零件。

(?)MFN:超声波针刺强化工艺与超声波喷丸强化有多大区别?

(!)F.C.:这一工艺与USP采用的基本技术相同,即介质的STRESSONIC®超声波激活。
  处理原则在使用介质上不同:我们不使用球形轴承介质,而是使用一根可控冲击半径的针。UNP主要用于处理装配的薄弱环节;即焊处。
  通过局部高频锤击,此工艺可在焊处上产生高低压缩应力。
  在基本材料和填充金属的接合处即是凹痕效应的结果,代表了焊接组件的重要应力集中区。针的可控冲击半径在接合处产生光滑的凹槽,优化了外加应力的伸展。

(!)J.T.:发动机支架、轴、底盘和焊接杆是选择UNP进行有效处理的典型零件,处理注重应力松弛或压缩应力引进程序,或焊处的几何形修改。
  这些零件的工艺鉴定非常有前途,我们的全自动化解决方案将很快准备就绪!

MFN在此感谢Frederic CHATEAU和Juliette TRICOIRE接受我们的专访!



SONATS
Europe Technologies Group
2, rue de la fonderie
44475 Carquefou, Nantes, France
电话:+33.2.51 70 04 94
邮箱:contact@sonats-et.com
www.sonats-et.com
 
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