噴丸硬化在彈簧設計和制造上的應用

摘 要：每年有上億彈簧被噴丸硬化，從套管中使用的小型液體卸壓彈簧到船塢支架使用的大型彈簧可謂是種類繁多。其中有大量用于汽車閥門的彈簧，也有用于科研的特殊柔性樞軸彈簧。但都有一個共同點：經過了細致嚴謹的噴丸硬化以達到需求的結果，進行噴丸硬化對彈簧性能改善是非常有用的。自 1929 年這種彈簧處理的流程首次創制以來，多種流程控制和噴丸硬化細則對于保證彈簧的可靠性意義非常重大。

關鍵詞：噴丸硬化；彈簧；應用

中圖分類號：TH135 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0091-02

1 應用實例

噴丸硬化用于改善含鐵或不含鐵的金屬部件的疲勞性能。部件可能在小范圍內受到較高的壓力。由于尺寸很小或匹配組件的配置問題，通常很難避免某些區域高度受壓，牽引彈簧的掛鉤是個很好的例子。

組件的運轉速度和負載不斷增加，但基本設計沒有更改，這就會引起更高的應力水平和更差的疲勞耐受性。國際汽車工業推出的80 000 km 質保對疲勞耐受性和質量的考驗都更加嚴峻。

圖1中1/8\"x5/16\"鋼絲制成的C-形彈簧服役時間不合要求。疲勞測試顯示平均壽命為7 200周期，從“C”的外側即張緊一側開始出現斷裂。噴丸硬化（至.0.36 A）后壽命增加到24 000周期，斷裂點出現沒有規律，因彈簧處于部分加載位置。其他噴丸硬化程序有如表1所示結果。

某玩具公司在產品內外使用密度達到0.3A經噴丸硬化的牽簧確保產品質量和壽命。在該公司也嘗試了將一側噴丸硬化改進為內側和外側均硬化，試驗顯示了該方法對疲勞壽命的效果。

應力集中區域常常是在制造過程中引起的。在一個試驗中，噴丸硬化將圖2中牽引彈簧（5/32\"油淬火-回火鋼絲）的壽命增加了10倍，直至部件在受損嚴重部位折斷。噴丸硬化后圖3中碟形彈簧的壽命明顯增長，造成彈簧斷裂的原因經查明是剪切加工時引起的表面狀況損壞。圖4中磷青銅制成的電路接觸器需要經過200萬周期的測試。斷裂通常在配件之間接合必須的彎折處發生。噴丸硬化降低了臨界表面應力水平，使部件可以達到使用壽命的要求。鍍層常常會降低部件的疲勞耐受性，如果部件在電鍍前先噴丸硬化，即可消除電鍍產生的這種損壞。腐蝕性空氣會加速疲勞引起的斷裂。

同樣，噴丸硬化可以彌補這種損壞性作用。噴丸硬化無論在生產還是設計中都實現了合理成本下的最佳部件質量。

2 噴丸硬化機理和作用

眾所周知，大部分疲勞破壞最初都是表面的一個裂縫，在循環中逐漸發展至產生疲勞破壞。裂縫的擴大需要表面受到張應力作用，而受壓應力的表面則可以抵抗裂縫的形成。如果表面上產生殘余壓應力，則負載造成的張應力必須先超過殘余壓應力，表面應力才會成為張應力。因此，在一定應力水平下，硬化彈簧的壽命更長，而在一定壽命條件下，硬化彈簧則可取得更高的應力水平。噴丸硬化是在彈簧表面產生殘余壓應力的最有效且經濟的方法。這種工藝需要使用圓形顆粒高速碰撞表面，每個噴丸顆粒都有一定的形狀和統一的尺寸，作為硬化錘對表面進行冷處理以產生壓應力。無負載時典型硬化表面會有一個壓應力分布。由于表面已經有了壓應力，中心就會產生一個抵消的張應力。為了保持這部分的平衡，壓應力區域的兩個面積就必須與張應力區域的中心面積相等。換句話說，中性軸周圍的力矩之和必須為零。施加外部彎曲應力時，任何深度產生的應力都必須與殘余和施加應力的代數和相等。合成應力是負載下截面的如果增加應力，合成曲線將左移，可能進入張應力區。但是合成的張應力將遠遠低于表面沒有進行硬化處理或表面原處于張應力作用下的情況。

3 彈簧噴丸硬化的意義

與大部分機構零件相比，彈簧受噴丸硬化的影響非常大。與未硬化彈簧相比，有效的噴丸硬化可使彈簧在高于一般水平 50%～70%的應力水平下使用，且使用壽命不受限制。

有時候可使用特殊的定制硬化流程來取得比傳統硬化工藝更好的結果。這些特殊的工藝可使用比平常更高的強度、更大的覆蓋率、多種加工技術等，但必須根據特定零件的要求來執行。

只有根據具體彈簧的需要采用合適的噴丸大小和強度等參數，并對強度、覆蓋率、媒介尺寸和條件進行適當控制，才能取得最佳的效果。

參考文獻：

[1] M.Phrisch ·M.Triebel.制造過程對商用車輛膜片彈簧的影響及在設計階段的考慮[J].傳動技術，2009，23(2):10-11.

[2] 賀玲鳳，潘桂梅.噴丸強化連桿殘余應力的測試與分析[J].華南理工大學學報(自然科學版)，2003，31(12):63-65.