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噴丸不是一項新技術(shù)，但在需要時，噴丸強(qiáng)化已被證明能夠?qū)㈣T件的循環(huán)壽命提高700%以上。

噴丸通常被認(rèn)為是昂貴的、難以控制、不適合高產(chǎn)能零件、且只應(yīng)用于復(fù)雜的飛機(jī)部件的工藝。雖然噴丸技術(shù)已用于提高某些飛機(jī)部件的疲勞壽命多年，但其他的理解并不十分準(zhǔn)確。例如，每次在鑄造噴丸機(jī)中清理鑄件時，也會在一定程度上進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。

什么是噴丸？

簡單地說，噴丸就是用高速拋射的小顆粒轟擊零件表面。每次這些顆粒中的一個撞擊表面時，就會在零件上留下一個小凹痕。這些顆粒必須至少與零件一樣硬或比零件硬，否則零件會使顆粒凹陷。凹痕表面下的區(qū)域處于壓縮狀態(tài)（圖1A）。最終，當(dāng)足夠多的顆粒轟擊零件，整個表面布滿凹痕時，表面下的所有區(qū)域都處于壓縮狀態(tài)（圖1B）。

當(dāng)一個零件在服役時，通常它處于張力狀態(tài)，力試圖將其拉開。然而，對于噴丸零件，表面和正下方區(qū)域處于壓縮狀態(tài)，這實際上會將零件推到一起。因此，當(dāng)載荷施加在噴丸零件上時，首先必須克服壓應(yīng)力，然后才能在表面產(chǎn)生任何拉伸應(yīng)力。由于大多數(shù)裂縫起源于表面，這一點非常重要。在疲勞型應(yīng)用中，當(dāng)零件在屈服點或屈服點以下反復(fù)受力時，這種影響最為顯著。由于壓縮層很薄，通常小于0.030英寸，因此在檢查零件的極限強(qiáng)度時，效果通常不明顯。

噴丸設(shè)備

如上所述，在噴丸機(jī)中清理的鑄件也在進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。噴丸清理和噴丸強(qiáng)化之間唯一真正的區(qū)別是目的和控制。通過噴丸清理，去除型砂和改善外觀是目標(biāo)。通過噴丸強(qiáng)化，實現(xiàn)了相同的目標(biāo)，但此外，還試圖控制表面的壓應(yīng)力層。相同的拋丸機(jī)可用于任何一種用途。

用于噴丸強(qiáng)化的工具非常簡單。首先，需要一臺噴丸機(jī)。同樣，它可能是用于清理鑄件的同一臺機(jī)器，不論是臺式、滾筒式還是其他類型。主要的區(qū)別是它能夠提供一種可重復(fù)的方式，用噴丸流對零件進(jìn)行噴射。滾筒型設(shè)備以隨機(jī)混合式動作對鑄件的整個表面進(jìn)行噴射，而其他設(shè)備可能會將丸粒集中在零件的某個區(qū)域。

其次，采用阿爾門試片、試塊和弧高表來測量噴丸強(qiáng)度。阿爾門試片是硬化鋼片（HRC 44-50），用四個螺釘平放在滲碳矩形阿爾門試塊上（圖2）。試片的一側(cè)暴露在噴丸中，就像零件的表面一樣。噴丸后，從試塊上取下試片。試片一側(cè)的壓應(yīng)力使它彎曲。試片彎曲量用弧高表以千分之一英寸為單位測量，稱為弧高值（圖2）。

圖 2

根據(jù)要測量的噴丸強(qiáng)度，可提供三種類型的阿爾門試片。它們分別是N、A和C，其中C最厚。為了獲得比較貼切的效果，阿爾門試塊和試片通常直接安裝在待噴丸的零件上和零件的關(guān)鍵區(qū)域。

第三，用于噴丸零件的丸料必須與零件一樣硬或比零件更硬。對于大多數(shù)鑄鐵零件，標(biāo)準(zhǔn)鋼丸（HRC 45-55）就足夠了。鋼丸也有不同的尺寸，如S330或S390，數(shù)字表示鋼丸的直徑（分別為0.033英寸和0.039英寸）。如噴丸清理一樣，鋼丸必須足夠小，以穿透零件的所有半徑。可獲得的強(qiáng)度也與鋼丸尺寸成正比。鋼丸越大，其動量越大，因此壓應(yīng)力越高。然而，用較大的鋼丸對零件表面進(jìn)行完全噴丸也需要較長的時間。對于大多數(shù)鑄造應(yīng)用，S330和S390尺寸足夠。

噴丸控制

噴丸強(qiáng)化中有兩項是最重要的：強(qiáng)度和覆蓋率。基本上，它是壓應(yīng)力的量度，是噴射速度、鋼丸尺寸和噴丸時間的函數(shù)。強(qiáng)度是用阿爾門弧高表以弧高來測量的，為了控制強(qiáng)度，需要維護(hù)噴丸機(jī)，使其始終以相同的速度和相同的模式噴射鋼丸。此外，鋼丸尺寸需要保持合理恒定。鋼丸會隨著使用磨損和分裂。功能合理的分離器會將尺寸不合格的鋼丸分離出去。

覆蓋率是對噴丸表面面積的量度。為了有效，整個表面都應(yīng)該被噴丸到。完全覆蓋也稱為飽和，可以用阿爾門試片法來確定。當(dāng)零件被噴丸越來越久，強(qiáng)化或弧高會增加到一個點，隨后變化曲線變平。超過這一點的噴丸幾乎沒有益處。飽和或完全覆蓋被定義為當(dāng)噴丸時間加倍時，弧高增加10%或更少時的點（圖3）。通過控制噴丸時間保持飽和曲線。在滾筒式機(jī)器中，還需要保持載荷大小，因為更大的載荷需要更長的時間才能完全覆蓋。

案例史

對SAE 4018級球墨鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件進(jìn)行了不同時間的噴丸處理，并進(jìn)行了疲勞試驗。鑄件在鑄件廠的滾筒式噴丸機(jī)中進(jìn)行噴丸。采用S330型鋼丸，并且載荷保持恒定。

為了測量弧高，將五個阿爾門試塊安裝在每個載荷都包括的轉(zhuǎn)向節(jié)鑄件上（圖4）。通過以增加的循環(huán)時間運(yùn)行載荷來確定飽和曲線。每次循環(huán)后，取出阿爾門試片并讀取其弧高值。然后將新的阿爾門試片放置在鑄件上用于下一個循環(huán)。

圖5顯示了結(jié)果。飽和時間約為6.5分鐘。然后在相同條件下對鑄件噴丸0、6和16分鐘的噴丸處理，然后返回進(jìn)行疲勞試驗。這些結(jié)果如圖6所示。剛達(dá)到飽和的噴丸使疲勞壽命增加了581%。噴丸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過飽和，達(dá)到16分鐘，循環(huán)壽命增加了721%。即使有缺陷（樣品12），疲勞壽命也增加了180%。

結(jié)論

噴丸強(qiáng)化是提高鑄件疲勞壽命的有效手段。它執(zhí)行起來相對簡單，只需要比普通的噴丸清理稍微多一點的控制。對于每個零件和噴丸機(jī)，噴丸必須滿足以下要求：

● 確定要使用的載荷量（零件或容器的數(shù)量等）。

● 繪制弧高與噴丸時間的關(guān)系圖，以確定飽和曲線。

● 確定循環(huán)時間或飽和基礎(chǔ)（100%飽和時間、150%、200%等；150%將提供一定程度的安全性）。

● 維持噴丸設(shè)備和鋼丸尺寸。

● 定期檢查已建立周期的弧高，以保持強(qiáng)度。

鑄件應(yīng)在噴丸前應(yīng)進(jìn)行研磨和熱處理。如果零件在噴丸后被研磨，則壓應(yīng)力層將被去除。同樣，噴丸僅對未加工的零件區(qū)域有效。噴丸后的熱處理也會破壞壓應(yīng)力。