陽新元,吳紅美
(1.直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南株洲 412002;2.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,湖南株洲 412002)
機(jī)械工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)零件過程中,很多時(shí)候?qū)α慵哪膫€(gè)部位噴丸及如何選擇確定噴丸參數(shù),感到困惑。從噴丸強(qiáng)化機(jī)理、噴丸參數(shù)確定及典型應(yīng)用分析等3 方面論述,以期對(duì)零件的噴丸設(shè)計(jì)提供借鑒。
噴丸強(qiáng)化的過程就是高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流連續(xù)向零件表面噴射的過程,這使金屬表面層產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性變形,形成一層很薄的密布無數(shù)光滑半球坑的冷作硬化層(其深度約為0.07~0.5 mm),也叫表面強(qiáng)化層。在此層內(nèi)發(fā)生2 種變化:從應(yīng)力狀態(tài)上看,表層形成較高的殘余壓應(yīng)力;從組織結(jié)構(gòu)上看,亞晶粒發(fā)生極大的細(xì)化。上述變化將會(huì)提高零件的室溫和高溫疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕性能和摩擦腐蝕性能[1]。
噴丸強(qiáng)化的效果和質(zhì)量的表征指標(biāo)主要有噴丸的強(qiáng)度、覆蓋率和噴丸后零件的表面粗糙度值。在設(shè)計(jì)圖樣中對(duì)噴丸強(qiáng)化的應(yīng)用涉及噴丸區(qū)域、丸粒的規(guī)格、噴丸強(qiáng)度、覆蓋率、噴射角。
根據(jù)噴丸強(qiáng)化機(jī)理,噴丸強(qiáng)化應(yīng)用在零件承受較高交變應(yīng)力部位,以提高疲勞性能,如傳動(dòng)系統(tǒng)主傳動(dòng)鏈齒輪及承受大交變應(yīng)力的機(jī)匣腿部;或應(yīng)用在噴涂區(qū)、鍍層區(qū)和焊接區(qū),抵消其產(chǎn)生的拉應(yīng)力。
2.2.1 丸粒種類
噴丸強(qiáng)化用的彈丸常用的一般有鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切制鋼丸、不銹鋼丸、玻璃丸,其中最常用的丸粒有鑄鐵丸、鑄鋼丸、玻璃丸、不銹鋼丸。
各種丸粒由自身材料特點(diǎn)決定其使用范圍。鑄鐵丸由于在噴丸過程中易于破碎,且損耗量大,已逐漸被鋼丸替代。不銹鋼丸可長(zhǎng)時(shí)間保存。目前國內(nèi)常用丸粒為鋼制丸粒。玻璃丸也容易破碎,通常用于有色金屬零件噴鋼丸后清理鐵屑,防止腐蝕。
2.2.2 丸粒尺寸
丸粒規(guī)格一般按標(biāo)準(zhǔn)選取,通常有14 種規(guī)格:70 號(hào)、110號(hào)、130 號(hào)、170 號(hào)、190 號(hào)、230 號(hào)……930 號(hào),對(duì)應(yīng)的丸粒直徑分別為:0.18 mm、0.28 mm、0.33 mm、0.43 mm、0.48 mm、0.58 mm……2.36 mm。
在選擇丸粒尺寸時(shí),應(yīng)考慮以下因素:零件的形狀;圓角、槽或孔的尺寸;噴丸強(qiáng)度要求;光潔度(在相等強(qiáng)度條件下,使用大丸粒會(huì)產(chǎn)生較好光潔度,然而,完成可達(dá)區(qū)域所要求的時(shí)間隨丸粒尺寸的增加而迅速增加);小丸粒可以較快地完成可達(dá)區(qū)域;對(duì)鋁用高強(qiáng)度噴擊時(shí)不應(yīng)該用小丸粒。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),丸粒直徑推薦按ST100-84-09 表Ⅱ,但同時(shí)必須考慮連接、開槽或孔的尺寸。一般丸粒直徑不大于連接半徑的一半;如果丸粒要穿過槽或孔,則該小球的直徑不超過槽口或孔直徑的1/4。對(duì)有色金屬來說,達(dá)到同樣的噴丸強(qiáng)度,考慮選較大尺寸的丸粒。
丸粒大小由上述綜合因素決定,有時(shí)為了降低成本,盡量減少丸粒規(guī)格和材料,同一型號(hào)的零件盡可能選用同一規(guī)格的丸粒,舉例見表1。
表1 丸粒尺寸選擇分析
2.2.3 丸粒的硬度
丸粒硬度選擇,應(yīng)考慮工件材料的硬度。應(yīng)使用硬度大于或接近零件噴丸區(qū)硬度的丸粒,因?yàn)檫@樣可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需的強(qiáng)化效果,而且能得到滿意的壓應(yīng)力層。否則,延長(zhǎng)噴丸時(shí)間將降低零件表面精度。目前國內(nèi)常用鋼丸粒硬度分為HRC=42/52 和HRC=55/65 兩種。
噴丸強(qiáng)化的效果和質(zhì)量的表征指標(biāo)中強(qiáng)度最為重要。對(duì)于任何一種金屬材料,要獲得最佳的噴丸強(qiáng)度,應(yīng)通過一系列試驗(yàn)才能得出。但是這種系統(tǒng)試驗(yàn)不僅花錢,而且試驗(yàn)周期冗長(zhǎng),這在工程實(shí)際中很難實(shí)施。在實(shí)際生產(chǎn)中,通常制定相應(yīng)的噴丸技術(shù)規(guī)范,如ST100-84-09,根據(jù)零件的材料、尺寸、力學(xué)性能等或參照同類零件的噴丸來確定零件的噴丸強(qiáng)度,這樣得到的是平均強(qiáng)度。
在對(duì)零件噴丸前,先進(jìn)行采用標(biāo)準(zhǔn)弧高度試片的阿爾門(Almen)試驗(yàn)(弧高度試驗(yàn))?;「叨仍嚻譃锳 型、C 型和N型,分別用于測(cè)量不同噴丸強(qiáng)度,A 型試片用于測(cè)量弧高值≥0.1 mm 而≤0.6 mm,N 型試片用于測(cè)量弧高值<0.1 mm,C型試片用于測(cè)量弧高值>0.6 mm,3 種試片的換算關(guān)系為:1A≈3.3N,1C≈3A。阿爾門弧高試片噴丸后的弧高度值用來度量噴丸強(qiáng)度,零件噴丸強(qiáng)度值后帶試片型號(hào),如0.3 mmA 表示噴丸強(qiáng)度的弧高值為0.3 mm,用A 型試片進(jìn)行工藝試驗(yàn)。一旦試片試驗(yàn)的工藝參數(shù)(丸粒速度、丸粒流量、噴射時(shí)間、噴嘴到零件表面距離等工藝參數(shù))達(dá)到噴丸強(qiáng)度要求,則該工藝參數(shù)將應(yīng)用于零件噴丸。
噴丸強(qiáng)化后的表面彈丸坑占據(jù)的面積與總面積的比值稱為表面覆蓋率,以百分比表示。為了具備較高的抗疲勞破壞能力和抗應(yīng)力腐蝕破壞能力,噴丸強(qiáng)化表面要求覆蓋率達(dá)到或超過100%。一般鋼和鈦制零件的噴丸覆蓋率為200%,輕合金零件的噴丸覆蓋率為100%。
噴射角是丸粒束向工件表面噴射的角度,有效噴丸強(qiáng)度與噴射角的正弦成正比,垂直噴射效率最高,因此丸粒噴射盡可能與噴射區(qū)垂直。如果受零件形狀的影響,工藝上無法達(dá)到垂直噴射,也要保持盡可能大的噴射角,以保證高的噴射效率。在阿爾門試片進(jìn)行噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)也應(yīng)保持此噴射角。
根據(jù)上述噴丸強(qiáng)化機(jī)理和噴丸強(qiáng)化參數(shù)的確定方法,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)中典型的噴丸應(yīng)用見表2。
表2 傳動(dòng)系統(tǒng)噴丸的典型應(yīng)用
某花鍵材料為TC4 鈦合金,強(qiáng)度裕度很小,屬高應(yīng)力區(qū),因此需噴丸;根據(jù)零件硬度≤35 HRC 和花鍵齒根圓角R0.4,選擇硬度為HRC=42/52 的丸粒直徑不大于連接半徑的一半70 號(hào)鋼丸;由于擔(dān)心噴丸后殘留鋼末,腐蝕零件,因此選擇玻璃丸清理;根據(jù)法蘭盤材料強(qiáng)度和齒厚最小3.25 mm,選擇噴丸強(qiáng)度為0.006~0.010A(噴丸強(qiáng)度選擇詳見STA100-84-09);鈦合金零件覆蓋率選擇200%;噴射角根據(jù)花鍵齒面角度、噴射效率及工藝的實(shí)施可能性確定。
某機(jī)匣腿部的噴丸參數(shù)確定方法基本與某花鍵一致。需特別說明的是為了減少丸粒規(guī)格,選用230 號(hào)丸粒,該機(jī)匣材料為鋁合金,覆蓋率選100%。
某鍍鎳鉻區(qū)受較大的彎曲疲勞應(yīng)力,材料為40CrNiMoA鋼。由于鍍鎳鉻,會(huì)對(duì)零件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,為了抵消其影響,需對(duì)該區(qū)域噴丸。噴丸參數(shù)確定方法基本與某花鍵一致。由于零件為鋼制件,因此噴丸后無需用玻璃丸清理。
某齒輪材料為低碳合金鋼,滲碳后齒面硬度58~63 HRC。為了提高輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度,需對(duì)齒面進(jìn)行噴丸。噴丸參數(shù)確定方法基本與某花鍵一致,丸粒硬度與齒面硬度相當(dāng)。
本文對(duì)噴丸強(qiáng)化設(shè)計(jì)參數(shù)的確定進(jìn)行了較為詳盡的描述總結(jié)。通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)典型的噴丸應(yīng)用進(jìn)行分析說明,驗(yàn)證了噴丸強(qiáng)化設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法可行,能用于噴丸設(shè)計(jì)指導(dǎo)。