可控下齒輪噴丸強(qiáng)化
齒輪、連桿和曲軸在工作時(shí)易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力導(dǎo)致失效；壓縮彈簧、傳動(dòng)軸和扭桿等部件在工作時(shí)易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力而失效,采用噴丸強(qiáng)化可有效改善零件的抗疲勞特性。
改善零件彎曲疲勞強(qiáng)度
彎曲疲勞是常見(jiàn)的疲勞失效形式。因?yàn)榱慵砻嬲抢瓚?yīng)力集中的區(qū)域。拋丸/噴丸強(qiáng)化對(duì)于克服這一失效情況最為有效。處于彎曲載荷下的懸臂梁，彎曲變形造成其表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)，表面表層任何半徑或幾何形狀的變化都會(huì)引起拉應(yīng)力的增加而其反面卻處于壓應(yīng)力狀態(tài)，這是具有破壞性的疲勞載荷情形。交變應(yīng)力中的拉應(yīng)力部分導(dǎo)致疲勞裂紋的形成和延展。
1．齒輪
齒輪強(qiáng)化是噴丸強(qiáng)化中非常典型且普遍的應(yīng)用。任何尺寸和形式的齒輪都可通過(guò)拋丸/噴丸強(qiáng)化來(lái)改善齒廓根部的彎曲疲勞屬性。輪齒的嚙合與懸臂梁情況相似，齒面接觸形成的載荷在接觸點(diǎn)下方的根部位置產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。
齒輪通常是在硬化后進(jìn)行拋丸/噴丸強(qiáng)化。增加的表面硬度會(huì)成比例地提高壓應(yīng)力水平。根據(jù)工藝參數(shù)，經(jīng)滲碳和拋丸/噴丸強(qiáng)化后齒輪的殘余壓應(yīng)力范圍可在1 170～1 600MPa。強(qiáng)化滲碳齒輪，通常用硬度較大的鋼丸（55～62HRC）。如果想對(duì)齒面的影響小些，可選用硬度低一點(diǎn)的鋼丸（45～52HRC），產(chǎn)生的壓應(yīng)力水平將是硬度高丸料產(chǎn)生的50%左右。
在齒面節(jié)線附近通過(guò)錘擊、研磨、珩磨和振動(dòng)光飾導(dǎo)入一個(gè)壓應(yīng)力，是增強(qiáng)齒輪抗疲勞點(diǎn)蝕的有效方法。齒輪經(jīng)表面精整處理后，能進(jìn)一步降低接觸應(yīng)力，但必須小心，不可蓋掉超過(guò)10%的噴丸強(qiáng)化層。對(duì)噴丸強(qiáng)化小凹痕的光整處理，可以讓接觸載荷在一個(gè)較大表面積上分布開(kāi)，這樣可進(jìn)一步減小接觸應(yīng)力。
圖2 強(qiáng)化后的齒輪疲勞強(qiáng)度提高15%~30%
在部分齒輪加工制造中，經(jīng)過(guò)可控性拋丸/噴丸強(qiáng)化后的齒輪，在100萬(wàn)次循環(huán)作用后，疲勞強(qiáng)度可增加30%或更多。以下組織/規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)證實(shí)了利用可控性噴丸強(qiáng)化，齒面彎曲載荷顯著增加：勞氏船級(jí)社，增加20%；挪威船級(jí)社，增加20%；ANSI/AGMA 6032-A94船用齒輪規(guī)格，增加15%。
2．連桿
連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞動(dòng)力的重要零件，它主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷。因此，在設(shè)計(jì)連桿時(shí)應(yīng)首先保證其具有足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度，顯然為了增加連桿的強(qiáng)度和剛度不能簡(jiǎn)單地加大結(jié)構(gòu)尺寸，因?yàn)樵黾舆B桿重量會(huì)使慣性力相應(yīng)增加，所以連桿設(shè)計(jì)的一個(gè)重要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的強(qiáng)度和剛度。連桿應(yīng)力集中即最常發(fā)生失效的部位在靠近大頭孔中心兩側(cè)轉(zhuǎn)接圓角處。
以連桿疲勞安全系數(shù)為量的指標(biāo)，為滿足強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求，且重量輕的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案就是在對(duì)無(wú)論是鍛造、鑄造或粉末冶金連桿進(jìn)行任何鏜孔機(jī)加工前，先進(jìn)行拋丸/噴丸強(qiáng)化，這樣可以避免屏蔽孔穴增加的額外成本。強(qiáng)化前后都不需要對(duì)連桿做其他的預(yù)處理或后處理。
圖3 強(qiáng)化后的連桿疲勞強(qiáng)度大大改善
3．曲軸
通常情況下，曲軸所有的軸頸面變化轉(zhuǎn)接圓角都需要進(jìn)行拋丸/噴丸強(qiáng)化。這其中包括軸承軸頸和曲柄銷。曲柄銷軸承圓角是應(yīng)力集中的地方，應(yīng)力發(fā)生在曲柄銷過(guò)渡圓角的底部，因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，曲柄銷位于上止點(diǎn)的位置。應(yīng)力分析確定了曲柄銷過(guò)渡圓角經(jīng)常是裂紋的啟裂部位，且向鄰近的主軸承圓角擴(kuò)展，直至造成整個(gè)曲軸的破壞性斷裂失效。
大量的試驗(yàn)證明，無(wú)論是鍛造中碳鋼曲軸、鑄鋼曲軸還是球墨鑄鐵曲軸或奧貝球鐵曲軸，拋丸/噴丸強(qiáng)化都是提高工件抗疲勞性能和延長(zhǎng)使用壽命的有效方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，曲軸所承受的載荷主要是彎曲／扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷，彎曲疲勞破壞是曲軸失效的常見(jiàn)形式，而在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率較大、曲軸承受扭矩較大的情況下，扭轉(zhuǎn)疲勞破壞則成為主要失效形式。對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸試片進(jìn)行疲勞比較試驗(yàn)，材料是Armco 17～10Ph不銹鋼。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)強(qiáng)化的曲軸和經(jīng)拋丸/噴丸強(qiáng)化的曲軸，在經(jīng)過(guò)10億次的交變應(yīng)力載荷作用后，測(cè)得的疲勞強(qiáng)度分別為293MPa和386MPa，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)拋丸/噴丸強(qiáng)化，曲軸的疲勞強(qiáng)度提高了約30%。
改善零件扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度
扭轉(zhuǎn)疲勞也是一種可通過(guò)拋丸/噴丸強(qiáng)化來(lái)有效克服的失效形式，因?yàn)槠淅瓚?yīng)力集中在工件表面。扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力可在水平方向也可以在垂直方向，而拉應(yīng)力則發(fā)生在與零件水平軸成45°的方向。
低強(qiáng)度材料則容易在垂直剪切面處由于扭轉(zhuǎn)疲勞而發(fā)生失效斷裂。因?yàn)樗鼈儗?duì)于剪切力的承受性弱于對(duì)拉伸力的承受性。高強(qiáng)度材料則最容易在與工件水平軸成45°的方向發(fā)生失效斷裂，因?yàn)樗鼈儗?duì)于拉伸力的承受性弱于對(duì)剪切力的承受性。
1.壓縮彈簧
壓縮彈簧受高交變載荷作用且應(yīng)力多發(fā)生在彈簧材料的表層，所以拋丸/噴丸強(qiáng)化也是提高壓縮彈簧疲勞強(qiáng)度的理想工藝。彈簧材料在軋制、拉拔、卷制和壓縮過(guò)程中造成拉應(yīng)力。除了服役后處于高交變載荷的工況條件，卷制工藝本身會(huì)使彈簧內(nèi)圈形成破壞性的拉應(yīng)力。拋丸/噴丸強(qiáng)化導(dǎo)入一個(gè)反作用的壓應(yīng)力，使表面轉(zhuǎn)變成殘余壓力層，強(qiáng)度約1 035MPa。這是彈簧極限拉伸強(qiáng)度（UTS）的60%，其結(jié)果實(shí)現(xiàn)了彈簧疲勞壽命延長(zhǎng)到50萬(wàn)次載荷作用次數(shù)，而不發(fā)生失效。
除壓簧外，拋丸/噴丸強(qiáng)化同樣適用于其他彈簧如拉簧、扭簧、懸架彈簧和板簧等的強(qiáng)化加工。疲勞失效點(diǎn)通常發(fā)生在殘余拉應(yīng)力和承受的交變載荷應(yīng)力集中作用的地方，所以不同彈簧的強(qiáng)化部位有所不同。
2．傳動(dòng)軸
傳動(dòng)軸是通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)的，因此在其旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上就會(huì)產(chǎn)生拉力載荷。由于絕大多數(shù)的傳動(dòng)軸都是大載荷承力構(gòu)件，所以是拋丸/噴丸強(qiáng)化的適用對(duì)象。傳動(dòng)軸通常發(fā)生失效的部位在花鍵、切口、圓角和鍵槽處。
3．扭桿
扭桿和橫向推力桿是用于懸架和其他相關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)件。通過(guò)扭桿的扭轉(zhuǎn)變形達(dá)到緩沖作用來(lái)維持平穩(wěn)性。當(dāng)用于如汽車懸架系統(tǒng)等承受重復(fù)交變載荷的部件，拋丸/噴丸強(qiáng)化能實(shí)現(xiàn)零件輕量化且服役壽命更長(zhǎng)。
汽車工業(yè)為達(dá)到輕量化的目的，使用的是空心扭桿。拋丸/噴丸強(qiáng)化施用在載荷應(yīng)力集中的扭桿外圈。對(duì)于重型車輛（如重載卡車、賽車等），裂紋還會(huì)發(fā)生在扭桿內(nèi)圈，這里也受到扭力載荷作用。
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