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第 7 卷- 2019 年 6 月刊
通过抛喷丸强化的优化提高生产效率



各种抛喷丸强化覆盖率在4340钢中产生的疲劳测试结果


各种抛喷丸强化覆盖率在7075-T6铝中产生的残余应力分布


各种抛喷丸强化覆盖率在Inconel 718中产生的残余应力分布


代表4340样品0-100%覆盖率进展的喷丸覆盖率曲线

操纵抛喷丸强化介质的覆盖率这一概念并不新鲜。2002年,Lambda Technologies开始研究不同覆盖率的影响,距今已超过15年的时间。Kirk与Hollyoak于2005年发布了他们的广泛研究成果1,其他人也通过实证及分析研究对该领域进行了探索。23

Lambda Technologies因其表面完整性实验室Lambda Research, Inc. 中所开展研究的结果而寻求优化覆盖率。接受残余应力测试的抛喷丸强化零件通常出现微裂纹、皱褶以及其他损伤,尤其是在边缘、螺孔以及角度等尖锐特征周围。这种损伤将成为裂纹萌生点,降低了零件的最终疲劳性能和潜在寿命。很明显,损伤是由于抛喷丸介质的随机反复撞击造成的,以达到完全“100%”的覆盖。使用抛喷丸时是否真的有必要处理到出现表面损伤的程度呢?Paul Prevéy和John Cammett博士开始研究抛喷丸覆盖率对产生的残余应力分布和由此产生的疲劳性能的影响。4

由于抛丸处理的随机性,只能逐渐地接近100%覆盖率,而实际的“完全”覆盖一般为95%-98%。正如预期一样,抛喷丸处理规范中常用的200%至400%覆盖率是通过多次反复撞击实现的,但是仍有其他区域未经过处理。除了因反复撞击产生损伤,200%以上的覆盖率需要双倍或者更长的时间以及使用双倍的介质才能实现,但是疲劳性能并不会有任何改善。更高的覆盖率对生产率产生负面影响,增加介质消耗,并增加抛喷丸设备的磨损,这些直接影响着成本增加的下线。

传统上,规范在假设必须撞击表面上的每个点以传递均匀的残余压缩这一前提下要求100%或更高的覆盖率。Prevéy和Cammett研究的覆盖率远低于常见工业实践中所用的覆盖率,他们发现,有益的残余压缩形变可以提高到高达冲击凹陷半径的五倍,具体取决于合金。这一结果已在Kirk和Hollyoak的观察结果和多个有限元解中被证实。撞击之间的区域实际上处于压缩状态,而不是拉伸状态。由于表面压缩是由表面下的平衡张力支撑的,因此即使在较低的覆盖率下,表面疲劳萌生也受到抑制。随着抛喷丸时间的增加,抛喷丸覆盖率逐渐增加,因此达到80%覆盖率所需的时间大约是达到100%覆盖率的1/5。结果表明,要达到相同的疲劳寿命改善,需要的覆盖率远远小于100%,但可以大大节省抛喷丸时间。例如,处理4340钢时,80%的覆盖率产生的压缩深度与幅度基本上和100%或更高覆盖率产生的相同,但需要的时间只是其20%。以稍低的覆盖率进行抛喷丸处理可大大缩短生产时间并降低介质使用量,在生产和制造过程中节省了大量的资源,减少了表面损伤,但不会减少有益压缩形变或疲劳寿命。
必须注意,最佳覆盖率因材料的不同而不同,但可以找到并优化这一覆盖率。4340钢在达到完全覆盖率喷丸处理时间的20%时产生最佳结果,7075-T6铝在达到其60%时效果最佳,而Inconel 718则在40%时效果最佳。针对每种预期材料和介质应用有效地指定喷丸参数,以最大限度减少抛喷丸处理时间、介质消耗和处理成本,同时达到最佳零件性能。有益的残余压缩、冷加工、表面处理、相变、疲劳乃至腐蚀性能可在经认证合格的表面完整性实验中进行验证。Lambda Technologies在2007年因喷丸处理优化而获得了专利5,如今这一专利是通过其实验室提供的服务。

该研究最重要的方面是对高生产环境的潜在好处,例如汽车行业,每年都有数百万零件需要进行抛喷丸强化。优化覆盖率限制了反复撞击的发生次数,提高热稳定性,减少表面损伤和介质消耗,并将生产率提高5倍。抛喷丸强化的优化具有成本效益,并可以应用至任何部件规格。仅周期时间和喷丸介质这方面的节约几乎都需要流程优化。

关于抛喷丸强化覆盖率调整效果的更多阅读内容可在本文脚注中查看。



Lambda Technologies
3929 Virginia Avenue
Cincinnati, OH 45227, USA
电话:+1.513.561.0883
邮箱:jprevey@lambdatechs.com
www.lambdatechs.com
 
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