曲軸加工過程中的拋丸機(jī)強(qiáng)化技術(shù)

拋丸強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用可有效改善和提高汽車關(guān)鍵部件的抗疲勞壽命和耐腐蝕性能。目前，全球很多著名的汽車整車廠商和零部件制造商都已將強(qiáng)化列入標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝流程中，同時(shí)，強(qiáng)化設(shè)備也與其他制造設(shè)備一樣形成了完整的現(xiàn)代制造流水線。本文由青島鑄造機(jī)械廠整理。

隨著拋丸強(qiáng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，其在汽車制造領(lǐng)域用于改善和提高汽車關(guān)鍵部件的抗疲勞壽命越來越成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，并且在轎車、卡車、摩托車等設(shè)計(jì)的較初就對(duì)其進(jìn)行了充分考慮和重視。目前，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)零件的設(shè)計(jì)中都會(huì)有噴/拋丸強(qiáng)化技術(shù)和工藝的應(yīng)用，包括：曲軸 (去氧化皮和強(qiáng)化)、連桿(強(qiáng)化)、傳動(dòng)齒輪和其他軸類零件，齒圈、活塞，太陽齒和行星齒以及板簧和圓簧等。大量的汽車零部件，無論是鑄/鍛件、壓鑄件，還是機(jī)械切削件、焊接件都需要利用不同類型的噴/拋設(shè)備進(jìn)行表面處理，如去除氧化皮，去毛刺、清砂和清理其他表面雜質(zhì)。

有確鑿的數(shù)據(jù)證明：通過噴丸強(qiáng)化，能讓板簧的抗疲勞壽命延長600%，傳動(dòng)齒輪的抗疲勞壽命延長1500%，曲軸的抗疲勞壽命延長900%。有效提高零部件的抗疲勞性能和耐腐蝕性能，對(duì)其使用壽命和使用安全性具有重大的意義。依靠噴丸強(qiáng)化技術(shù)，零件可設(shè)計(jì)地更輕巧，一些原來因工藝規(guī)格要求不得不使用昂貴材質(zhì)的零件現(xiàn)在也可替換使用低價(jià)格材料，通過噴丸強(qiáng)化工藝能夠達(dá)到同等甚至更好的性能標(biāo)準(zhǔn)。

曲軸制造流程中的拋丸清理

作為制造流程的一個(gè)環(huán)節(jié)，熱處理過的曲軸需要經(jīng)由拋丸清理來去除表面的熱氧化皮。曲軸被置于旋轉(zhuǎn)輥輪上，在滾動(dòng)時(shí)，曲軸所有表面被充分曝露在多個(gè)拋頭拋射出的丸流下，多角度的丸粒沖擊使曲軸的外表面得到徹底清理。

曲軸的尺寸決定了選用拋丸機(jī)的類型。對(duì)于大的發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸尺寸可能大到φ762mm、長6096mm, 曲軸被置放于安裝在臺(tái)車上的一組滾輪間。有幾種工作方式，客戶可以根據(jù)自己廠房車間的實(shí)際情況選擇固定拋頭，既可讓臺(tái)車在拋頭下移動(dòng)，也可固定臺(tái)車，移動(dòng)上方的拋頭。無論選擇哪種方式，安放在滾輪間的曲軸都是不停地旋轉(zhuǎn)，使其各表面都接受充分地拋丸清理。

小一些的曲軸，如φ152～203mm、長914mm，通常是利用旋吊式拋丸機(jī)進(jìn)行拋丸清理。曲軸被懸掛在一個(gè)吊鉤上，然后經(jīng)懸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)被送入安裝有多個(gè)拋頭的拋丸室，進(jìn)行拋丸清理。吊鉤在拋丸室里旋轉(zhuǎn)，讓工件充分曝露在高速丸流下，邊旋轉(zhuǎn)邊通過。其清理速度可達(dá)到250件/h，且清理效果非常好。

雖然對(duì)流程控制的要求不如強(qiáng)化那么嚴(yán)苛，但現(xiàn)代的曲軸拋丸清理設(shè)備也通過對(duì)流程參數(shù)的監(jiān)控來保證清理質(zhì)量。

曲軸的強(qiáng)化

由于曲軸在交變應(yīng)力作用下工作，其軸頸面變化轉(zhuǎn)接圓角處發(fā)生應(yīng)力疲勞和應(yīng)變破壞的危險(xiǎn)性極大。目前，通過噴丸強(qiáng)化來改變曲軸抗疲勞性能已在大范圍內(nèi)得到普遍應(yīng)用，且效果令人滿意。

傳統(tǒng)滾壓工藝的缺陷是，由于受曲軸加工工藝性的限制，各軸頸圓角很難與滾輪相吻合，

往往造成圓角的啃切現(xiàn)象，而且滾壓后的曲軸變形較大，效果不佳。噴丸強(qiáng)化的機(jī)理是利用嚴(yán)格控制直徑并具有一定強(qiáng)度的丸粒，在高速氣流作用下，形成彈丸流并連續(xù)向曲軸金屬表面噴射，就像用無數(shù)個(gè)小錘進(jìn)行錘擊，使曲軸表面產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性變形，形成冷作硬化層。簡而言之，由于曲軸在加工中受各種機(jī)械切削力的作用，其表面特別是曲軸截面變化轉(zhuǎn)接圓角處的應(yīng)力分布極不均勻，工作中又受交變應(yīng)力作用，很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而使曲軸的疲勞壽命降低。而噴丸強(qiáng)化工藝是通過引入一個(gè)預(yù)壓應(yīng)力來抵消零件在以后工作周期會(huì)受到的拉應(yīng)力，從而提高工件抗疲勞性能和安全使用壽命。

對(duì)于噴丸強(qiáng)化過程，有兩個(gè)較關(guān)鍵的參數(shù)。一個(gè)是應(yīng)力強(qiáng)度，這通常是采用“阿爾門試片”進(jìn)行強(qiáng)度檢測。多個(gè)試片固定在曲軸的不同表面，特別是應(yīng)力較集中的曲軸截面變化轉(zhuǎn)接圓角處，一同進(jìn)行噴丸，試片上產(chǎn)生的壓應(yīng)力影響導(dǎo)致試片弓曲。曲率的擴(kuò)大變化與丸料沖擊的能量成比例。另一個(gè)確定噴丸質(zhì)量的主要參數(shù)是覆蓋率，這主要是指強(qiáng)化后表面彈坑占據(jù)的面積與總強(qiáng)化表面的比值，該參數(shù)由曲軸的設(shè)計(jì)工程師來定義，通常要求是在100%～200%，有些曲軸應(yīng)用可能要求覆蓋率高于200%。

根據(jù)曲軸的硬度和理想的導(dǎo)入壓應(yīng)力強(qiáng)度，通常曲軸噴丸強(qiáng)化使用的丸粒硬度在50～55 HRC，大小在S 280～S 330 (0.7 mm～0.84 mm)。這樣產(chǎn)生在“阿爾門試片”上的強(qiáng)度范圍約在0.008～0.010 C (0.025 on the A scale)。相較于拋丸清理，噴丸強(qiáng)化的工藝參數(shù)監(jiān)控更為嚴(yán)苛。就曲軸強(qiáng)化應(yīng)用而言，需要監(jiān)控的參數(shù)包括:噴丸速度、噴丸強(qiáng)度、丸粒直徑、噴丸的距離、強(qiáng)化的時(shí)間及覆蓋率。這些參數(shù)中任意一個(gè)的變化，都會(huì)不同程度地影響曲軸表面強(qiáng)化的效果。

正確應(yīng)用可控的噴丸強(qiáng)化技術(shù)，能使曲軸和其它在高載荷條件下工作的零件的疲勞強(qiáng)度得到大幅提高，從而大大延長零件的抗疲勞壽命。先進(jìn)、精密的帶電腦程控技術(shù)的噴丸設(shè)備能夠?qū)娡枇鞒踢M(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，以確保噴丸質(zhì)量的恒定性和可重復(fù)性。目前，全球很多著名的汽車整車廠商和零部件制造商都已將強(qiáng)化列入標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝流程中，強(qiáng)化設(shè)備也與其他制造設(shè)備一樣形成了完整的現(xiàn)代制造流水線