预防汽车零件弯曲疲劳的喷丸强化工艺

sunny2008

弯曲疲劳

弯曲疲劳是最常见的疲劳失效形式。抛丸/喷丸强化对于克服这一失效情况最为有效，因为零件表面正是拉应力集中的区域。处于一弯曲载荷下的悬臂梁。该梁的弯曲变形造成其表面处于向外拉伸的拉应力状态。表面表层任何半径或几何形状的变化都会引起拉应力的增加。完全反向弯曲又让零件处于拉应力和压应力交叉交变应力的情况下，这是最具有破坏性的疲劳载荷情形。交变应力中的拉应力部分导致疲劳裂纹形成和延展。

齿轮

齿轮强化是非常典型且普遍的应用。任何尺寸和形式的齿轮都可通过抛丸/喷丸强化来改善齿廓根部的弯曲疲劳属性。轮齿的啮合与悬臂梁情况相似。齿面接触形成的载荷在接触点下方的根部位置产生弯曲应力

齿轮通常是在硬化后进行抛丸/喷丸强化。增加的表面硬度会成比例地提高压应力水平。根据工艺参数，经渗碳和抛丸/喷丸强化后齿轮的最大残余压应力范围可在170-230ksi(1170-1600MPa)。强化渗碳齿轮，通常用硬度较大的钢丸(55-62HRC)。如果想对齿面的影响小些，可选用硬度低一点的钢丸(45-52HRC)，那产生的压应力水平将是硬度高丸料产生的50%左右。

在齿面节线附近通过锤击、研磨、珩磨、振动光饰导入一个压应力，是增强齿轮抗疲劳点蚀最佳的方法。经表面精整处理后，能进一步降低接触应力。但必须小心，不可盖掉超过10%的喷丸强化层。对喷丸强化小凹痕的光整处理，可以让接触载荷在一个较大表面积上分布开，这样可进一步减少接触应力。

在部分齿轮加工制造中，经过可控性抛丸/喷丸强化后的齿轮，在1,000,000次循环作用后，疲劳强度可增加30%或更多。以下组织/规格标准证实了利用可控性喷丸强化，齿面弯曲载荷显著增加劳氏船级社：增加20%挪威船级社：增加20%ANSI/AGMA6032-A94船用齿轮规格：增加15%

连杆

连杆是发动机中传递动力的重要零件。它将活塞的往复运动变为区轴的旋转运动并把作用在活塞组上的力传给曲轴。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此在设计连杆时应首先保证其具有足够的疲劳强度和结构刚度。显然为了增加连杆的强度和刚度不能简单地加大结构尺寸因为连杆重量的增加会使惯性力相应增加所以连杆设计的一个重要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的强度和刚度即连杆轻量化设计是最终设计目标。连杆应力集中即最常发生失效的部位在靠近大头孔中心I-梁两侧转接圆角处。以连杆疲劳安全系数为量的指标，为满足强度和刚度设计要求，且重量最轻的经济优化方案就是在对无论是锻造、铸造或粉末冶金连杆进行任何镗孔机加工前，先进行抛丸/喷丸强化，这样可以避免屏蔽孔穴增加的额外成本。强化前后都不需要对连杆做其他的预处理或后处理。

曲轴

通常情况下，曲轴所有的轴颈面变化转接圆角都需要进行抛丸/喷丸强化。这其中包括轴承轴颈，曲柄销。曲柄销轴承圆角是应力集中的地方，最大应力发生在曲柄销过渡圆角的底部，因为当发动机点火时，曲柄销是位于上止点的位置。应力分析,确定了曲柄销过渡圆角经常是裂纹启裂部位，且向主邻近的主轴承圆角扩展，直至造成整个曲轴的破坏性断裂失效。

大量的试验证明年，无论是锻制中碳钢曲轴、铸钢曲轴还是球墨铸铁曲轴或奥贝球铁曲轴，抛丸/喷丸强化都是提高工件抗疲劳性能和安全使用寿命的有效方法。

柴油发动机曲轴-曲轴是柴油发动机的重要部件，无论是在产品开发阶段还是在生产检验阶段，都要求对曲轴的疲劳性能进行检验。在发动机实际运行过程中，曲轴所承受的载荷主要是弯曲／扭转复合载荷，弯曲疲劳破坏是曲轴失效的最常见形式，而在发动机输出功率较大、曲轴承受扭矩较大的情况下，扭转疲劳破坏则成为主要失效形式。

对某柴油发动机的曲轴试片进行疲劳比较试验，材料是Armco17-10Ph不锈钢。试验结果发现，未经强化的曲轴和经抛丸/喷丸强化的曲轴，在经过10亿次的交变应力载荷作用后，测得的疲劳强度分别为43ksi(293MPa)和56ksi(386MPa)，这说明经过抛丸/喷丸强化，柴油机曲轴的疲劳强度提高了约30%。