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第 1 卷
2013 年
12 月刊
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第 1 卷- 2013 年 12 月刊
构建完善的喷丸形变强化工程









数控机械臂喷丸机


数控机器人喷丸机


昆山开信机械制造有限公司鸟瞰图


厂区内景

一、喷丸形变强化工艺简述

  任何金属材料及其零件的疲劳断裂,其疲劳源绝大多数情况下萌生于外表面。因此,金属材料/零件的疲劳断裂抗力,首先取决于其表面完整性。在其它条件相同的情况下,表面完整性等级越高,材料/零件的疲劳断裂抗力越高,或者疲劳断裂寿命越长。

  材料/零件的表面完整性,可由表面(层)显微组织结构参量、表面(层)材料力学性能参量、表面(层)残余应力参量、表面(层)应力集中参量等4个参量进行表征。

  喷丸过程就是采用弹丸高速击打靶材表面,使靶材表面发生循环塑性变形的过程,由此导致靶材表面(层)的显微组织结构、显微硬度、粗糙度等发生变化,并引入残余压应力场。因此,喷丸过程就是改变靶材表面完整性的过程,喷丸强化就是通过改变靶材表面完整性来达到提高疲劳、应力腐蚀和氢脆等这类宏观脆性断裂的断裂抗力的目的。

二、设备、弹丸、工艺 — 喷丸形变强化工程的三要素

  在工程实践中,要通过喷丸强化技术的应用得到表面完整性等级高的零部件,必须具备喷丸形变强化工程的三要素:
(1) 喷丸设备
(2) 喷丸介质
(3) 喷丸工艺

1. 喷丸设备

  喷丸强化工艺要求喷丸设备具有受控性强、重复性好的特点。受控性强,就是可以根据零件的尺寸、结构以及喷丸工艺的要求,灵活的调整并控制过程参数,实现零件喷丸强化的要求;重复性好,就是在相同工艺参数的条件下,喷丸强度、覆盖率等工艺指标的误差在相关标准要求的范围内。

  传统的喷丸强化设备有气动式喷丸机和叶轮式抛丸机两大类型,前者使用压缩空气作为动力驱动弹丸,后者依靠叶轮的高速旋转驱动弹丸。

  气动式喷丸机因能够满足喷丸强化工艺要求的受控性和重复性,已经成为喷丸强化设备的主流。叶轮式抛丸机具有成本优势、并且对使用条件要求低,但因其受控性差的特点,更多应用于要求较低的喷丸清理作业。

2. 喷丸介质

  合格的喷丸介质是实现喷丸强化工艺的必要条件,其材质、尺寸、硬度、几何外形等都有明确的要求。

  传统的喷丸强化介质有铸钢丸、钢丝切丸、玻璃丸、陶瓷丸等。钢丝切丸、陶瓷丸因强度大、循环寿命长,近几年来,正有逐步替代铸钢丸和玻璃丸的发展趋势。

3. 喷丸工艺

  20世纪20~30年代发现喷丸处理具有改善零件疲劳性能的功效后,近100年来,喷丸工艺获得了长足的发展。美国1948年颁发了《宇航材料规范》(AMS2430),随后又颁发了美国军用规范《金属零件喷丸》(MIL-S-13165)。为建立喷丸强化质量检验和控制标准,美国钢铁技术协会、材料与试验学会、汽车工程师学会等制定并颁布了各种标准。

  我国喷丸工艺的应用和标准的制定相对较晚,1981年,当时的航空部颁布了我国第一个《航空零件喷丸强化通用说明书》(HB/Z26),并于2011年发布新的版本。

  喷丸工艺标准为喷丸强化的应用进行了规范,喷丸工艺的核心是如何使喷丸后的零件疲劳性能获得设计要求的改善、且对其它方面的负面影响降到最低,即喷丸后的零件表面完整性等级最高。目前,喷丸工艺的研究正在朝着专业化、精确化的方向发展,很多高校、研究院所、企业等都在针对不同材料、不同应用条件的喷丸强化工艺进行研究和实验,并取得了丰硕的成果。

三、加快步伐构建我国健全的喷丸形变强化工程

  我国喷丸强化工艺的研究与应用起步较晚,至上世纪70年代,机械制造业中基本上没有正规的喷丸强化工艺规范,无任何标准文件,没有质量检验的手段与方法,该工艺在新产品上的应用更是凤毛麟角。

  60年代为解决喷气发动机零件的疲劳断裂,航空修理厂开始摸索应用喷丸工艺,立即获得了极大成功,喷丸强化处理使涡轮叶片的事宜寿命延长2.23倍。为在航空制造业种推广应用喷丸强化工艺,1981年航空部颁布了《航空零件喷丸强化通用说明书》(HB/Z26)。就是在这种条件下,我国的专家学者一方面开展了喷丸强化的理论基础研究,另一方面在我国机械制造业的各个领域开始了推广应用。随着改革开放后与国际接轨的加速,特别是本世纪以来,我国由制造大国向制造强国的迅速迈进,喷丸强化工艺的研究与应用得到了全面发展。

  目前,设备方面,我国自主研发制造的符合SAE AMS-2430、SAE AMS-2432等国际标准的数控喷丸机,已经完全可以替代欧美进口机床,且已出口到欧美等发达国家;介质方面,无论是铸钢丸、玻璃丸,以及钢丝切丸、陶瓷丸,均已实现国产化。现在我国已经初步具备了一个由现代数控喷丸强化机床、现代喷丸介质以及建立在强化基础理论上的喷丸强化工艺技术等三大要素,并由这三大要素构成了我国“喷丸形变强化工程”的雏形。

  在喷丸事业迅猛发展的条件下,2010年,中国机械工程学会喷丸专业技术委员会应运而生,进一步加强了行业合作。我们坚信,凝聚全行业的智慧和力量,中国的喷丸形变强化工程必将更加完善,迎来又一个春天!



作者:陈晓虎
上海开信机械制造有限公司  董事长
中国喷丸专业技术委员会    秘书长

上海开信机械制造有限公司
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