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访谈


第 6 卷- 2018 年 3 月刊
超声喷丸强化过程中的高级表征、控制与检测:如何应对关键部件表面处理的挑战



SONATS国际销售经理Cédric PILARD (左)和冶金工程师兼实验室主任Renaud FRAPPIER (右)


超声喷丸强化机,汽车发动机零件


完全整合的流程


Stressonic - 汽车齿轮零件上的USP


残余应力分布

在处理各工业部门关键部件的精加工问题上,客户的质量要求越来越具有挑战性。MFN有幸采访了冶金工程师兼实验室主任Renaud Frappier (R.F.)和国际销售经理Cédric Pilard (C.P.),以了解SONATS如何解决这些问题。

(?)MFN:您能否为我们解释一下什么是主要市场趋势?

(!)C.P.:SONATS为航空航天、能源、医疗、海军、国防和汽车等几个主要工业部门提供先进的抛喷丸强化解决方案已超过25年。用于高效动力传输的精简型钢轴和齿轮,采用先进超合金设计的涡轮叶片和涡轮盘,为提高生理接受度而进行表面纹理化的钛人体植入物:这些都是SONATS解决方案高级应用的实例。我们的超声喷丸强化解决方案既可以满足汽车行业的高生产率要求,又可以满足航空航天应用的超高重复性要求。

(?)MFN:在介绍SONATS详细的解决方案之前,您能否简单地总结一下客户所面临的挑战?

(!)R.F.:从根本上说,我们客户的冶金和机械工程师已经为设计和生产具有最高机械质量的零件付出了巨大的努力:如针对耐热性能的复杂金相组织,针对耐磨性能的高度可控热化学表面处理方法,针对实现低形位及糙度公差的先进加工策略等。作为疲劳设计的精加工工艺,抛喷丸强化是通过测得的高压缩残余应力值来得到改善疲劳寿命的最常用工艺。但是这一工艺必须在不变形情况下完成,而且不能损坏表面糙度和微结构质量!

(!)C.P.:不过,也有人把叶轮离心式和压缩空气式抛喷丸强化视为一种随机工艺,因为正确控制介质的冲击能量或轨迹是相当困难的!这就是SONATS为Stressonic喷丸强化自动化系统提供先进和高度可控的超声波核心技术的原因所在。我们监控的机器也可以与其他SONATS产品和服务相连,如内嵌式阿尔门强度验证和脱机周期性残余应力测量。我们在2018年最具创新性的产品将是我们的非破坏性检测系统,用于对覆盖率和残余应力进行100%实时检测。

(?)MFN:那么您如何引入超声喷丸强化?

(!)C.P.:首先,请注意超声喷丸强化(USP)并不是一种外来的处理方法或实验室处理方法。我们对您可以想象到的各个工业应用上采用的传统抛喷丸处理进行挑战!

(!)R.F.:USP与传统抛喷丸处理工艺的不同之处在于向介质传递动能的方式。USP利用的是一种叫做超声波发生器的振动表面产生的加速度,而不是恒定的气流、重力或涡轮的高速旋转。振动的频率在超声波范围内(20 kHz),这也解释了Stressonic技术这一名称。

(!)C.P.:发电机发出正弦电信号,促使压电式转换器将此电能转化为机械运动。必须通过一系列增压器来放大振动,以便将足够的动能传输到与介质直接接触的超声波发生器。在超声波发生器和要进行喷丸强化处理的精确区域之间,设计了一个特定的防护罩。因此,只有几克介质被密封在受控空间内。超声波发生器表面的纵向振动在分子进入气体时使介质在处理空间内分散。这种类似气体的运动在被处理零件的所有表面上产生均匀的处理。

(!)R.F.:此外,我们使用高度接近球形的介质,如直径在0.6mm到5.0mm之间的轴承钢钢球或碳化钨合金球!这些介质在SONATS车间(材料成分、直径、球度、硬度和密度)均受到严格的控制,因此这些介质基本上比经调整的钢丝切丸或铸钢丸质量好得多。由于介质的数量极少,因此这在技术和经济上都是有效可行的。

(?)MFN:生产工厂如何实施流程?

(!)C.P.:我们提供具有不同自动化水平的设备。首先,对于生产率低的应用或扩量前的试生产,通过手动处理零件和符合人类身高的检修窗口,提供半自动化解决方案。下一步是我们高度自动化的机器,包括自动化处理和传输。可根据客户要求增加介质计数、介质磨损独立报警和更换、全局监管和定期质量报告保险等其他特定功能。

(?)MFN:您为什么说这种机器提供更好的控制?

(!)C.P.:由于处理环境是不变的(防护罩、工作距离、时间),所以我们采用一种高度可靠的方法来控制描述过程稳定性特征的参数,如振幅、介质(数量和质量)和周期时间。闭环系统确保幅度不会变化。介质数量(每个周期几克)和质量可以在每个周期通过称重和自动监测介质进行验证。

(!)R.F.:该工艺本身具有极高的重复性和时间稳定性。在航空航天工业的一部分机器上,20年前经初步工艺应用研究后发布的处理条件和参数到今天仍然适用!

(?)MFN:这听起来很不错。那么初步工艺应用研究是什么意思?

(!)C.P.:SONATS的结构比较独特,因为它为客户提供一种完全整合的服务以使新应用符合资格。向我们求助的部件制造商提出,“我想把阿尔门强度F14A-F15A的公差降到最低”或者“请对部件的这个特定区域进行强化处理,使表面压缩应力高达-1000MPa,损伤层深度大于300μm”。

(!)R.F.:这里的第一步就是初步工艺应用研究。在我们得到零件的CAD后,我们的机械设计工程师就可以模拟介质轨迹。然后他们推荐一种有针对性的处理配置方案,并通过3D打印制作一个特定的防护罩。从我们的历史数据库中选择了几个工艺参数后,我们的工艺工程师需要一些样品进行两到三次初步处理试验。然后实验室根据合格的方法在我们自己的工厂中分析这些经过处理的零件。我们执行日常测试,包括覆盖率评估、通过X射线衍射测量残余应力、通过增量钻孔法测量残余应力、糙度测量、用于变形评估的CMM、微硬度测量、检查边缘质量的宏观观察以及检查微裂纹的显微观察等。其目的是证明以满足规范要求,并向客户提供完整的综合报告。之后,这些参数将固定不变,并且可以用于我们的自动化生产系统。

(!)C.P.:如前所述,由于我们的介质具有更大的直径和更高的圆球度,因此与传统抛喷丸强化相比,我们能够以相同的强度实现更低的糙度。

(?)MFN:这些实验室流程是否是从SONATS创建时其就已存在的?

(!)R.F.:是的,我们从1991年起就开始通过X射线衍射进行残余应力分析!我们已经开发了材料特性方法与技能,为残余应力测量提供与时俱进的国际化服务。如果您将零件寄给我们,我们就可以开展实验室测量。但是,我们已经因在客户现场、生产车间或施工区域进行现场测量而获得了高度认可。对于应对相当恶劣的环境,我们有着丰富的经验!

(!)C.P.:请注意,实验室可以开展独立的活动,而且可以在铸造、增材制造、焊接、机械加工、超精加工等处理之后测量残余应力。无论是在必须清洁产品上执行还是在经历核环境或化学环境服务之后的部件上执行,皆是如此!即使您对我们的抛喷丸强化解决方案不感兴趣,也可以提供这些服务…

(?)MFN:关于残余应力测量,有没有哪些吸引人的前景?

(!)C.P.:首先,主要的挑战是通过已接受方法使我们的残余应力测量结果保持较高的质量,即:X射线衍射和钻孔法。我们向客户证明我们拥有最先进的测量系统和技术精湛的工程师。

(!)R.F.:除此之外,其中一项主要的技术挑战是残余应力分布的非破坏性检测!实际上,今天对残余应力分布的测量都具有破坏性并且是非常耗时,例如在去除材料层之后,通过X射线衍射检测残余应力分布需要1天的时间。为了解决这个问题,SONATS在过去两年中开展了重要的研发工作,并开发出一种基于传统磁性测试的先进方法。在对特定部件和工艺进行校准后,这种所谓的残余应力分析仪能够在0.5秒内确定覆盖率并测出残余应力!这样就可以填补用于此类过程和组件的非破坏性和高生产力测试技术的重要缺口。如今,这种已经准备就绪,有一家航空航天客户已经实施了这种技术。现在,我们正在寻找一个合作伙伴,以全力开发它的工业潜力。

(?)MFN:2018年,我们可以在哪里获得SONATS?

(!)C.P.:首先,您可以通过我们位于法国南特的总部联系我们。我们的美国同行Empowering Technologies Inc.位于美国亚拉巴马州的特拉斯维尔市,而中国办事处位于杭州市,就在上海附近。另外,我们还通过增值代表和技术合作伙伴(德国、瑞典、日本、韩国、印度、俄罗斯等)网络向所有国家提供服务。Stressonic是我们的专利工艺,也被用于超声喷丸处理设备,这是适用于焊缝处理的高频机械冲击(HFMI)处理方法,也是适用于铝板成型、矫直或成型以及应力腐蚀应用的多冲击处理方法。还可以提供轻便的处理系统,可以在不拆卸零件的情况下对MRO进行强化处理。因此,我们在世界各地的许多市场上经营业务。

(!)R.F.:我们还参与各种涉及表面处理(金属处理、抛喷丸强化、疲劳设计、焊接后处理等)的国际性科技和商业会议。您可以在网上轻松找到我们的技术出版物和公告。我们也参加了标准化委员会和合作研究项目,并且对在这些领域开展研究合作非常感兴趣。

MFN在此感谢Renaud Frappier和Cédric Pilard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
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