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汽车工业中的抛喷丸强化应用


第 6 卷- 2018 年 6 月刊
汽车行业中的抛喷丸强化与联合工艺



Mario Guagliano

抛喷丸强化可以看作是许多其它基于相同物理原理但使用不同介质的工艺之鼻祖。换句话说,我们都知道抛喷丸强化的依据是小弹丸以能够在材料表面产生不均匀变形的动能冲击金属部件,以此产生一系列残余压应力,这就意味着表面附近的残余压应力较高,对疲劳强度产生众所周知的有益作用,其中包括以下作用:(微动磨损、应力腐蚀、接触疲劳也受到抛喷丸强化处理的积极影响。)
但是,残余压应力不是抛喷丸强化产生的唯一作用;微观结构也会因此改变,并使材料的表面受到硬化加工,同时,处理也会影响粗糙度:以上所有因素都影响最终的处理效果。
继抛喷丸强化之后,还开发了具有相同目标的处理技术,仍是以在表面形成不均匀的塑性变形为基础。其中一项是超声喷丸强化,在这种情况下,受处理的部件放置在一个封闭的盒子中,所用的介质是数量相对较少的喷丸材料,采用随机多次冲击表面的压电超声致动器使介质运动起来。在这种情况下,弹丸会比抛喷丸强化中所用的弹丸更大,而残余压应力场则会更深,但是表面处理效果通常比抛喷丸强化表面更加平滑。
空化喷丸是另一种冲击过程:在这种情况下,不使用弹丸进行处理,冲击能量来自于空化物理现象,液体中的蒸汽泡因液流与表面动态接触后压力迅速变化而产生变形,随后向内破裂。在这种情况下,同样会产生更深的残余应力场和更平滑的表面,以及能够更显著地增加抛喷丸强化疲劳强度和使用寿命的因素。
其他处理还有:旋板抛丸;抛光和针喷丸,据称比抛喷丸更有益;激光喷丸,查看宣传文件中发布的应力-周期(S-N)曲线效果会更好。
确实,这些改进十分明显,以至于在汽车行业从业的一位汽车制造商在听过这些处理方式的大致对比演示之后,询问我为何不在汽车领域使用替代性工艺代替抛喷丸强化。首先,我要说的是,在大部分情况下,这一对比并不是那么明显:所谓的 S-N 曲线在不提及处理参数和介质的情况下被叫做“抛喷丸强化”,因此我们不知道后者是否是经过优化的工艺。但是这并不是问题的所在。
抛喷丸强化通常以压缩空气设备或旋转设备执行的。第一类设备在精度要求远高于生产率要求的航空航天业中通常是首选,而第二类机器则更常用于生产率与成功息息相关的汽车领域。而重点在于:除了特殊情况之外,无论其他处理方法是否能够保证产生更高的残余压应力和更精细的表面粗糙度,都很难想象能够使用除常规抛喷丸强化以外的其他工艺实现相同的生产效率。抛喷丸强化的周期仍是最高效的,这使其在提高汽车零部件的机械性能方面仍然是最合适且最有吸引力的工艺。在提高生产效率不是首要问题的情况下,所谓的“联合处理”在特殊应用或其他领域可能效果更好,但是在做出最终选择前,必须考虑其他因素。这也是我对这些人说过的话。

汽车工业中的抛喷丸强化应用
作者:Mario Guagliano
MFN特约编辑
义大利米兰大学教授
邮编:20156 义大利米兰
邮箱:mario@mfn.li
 
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