淺談汽車動力轉向機活塞和扇形軸的齒強化拋丸規范

范開富 張浩 張凱

金馬工業集團股份有限公司 山東 日照 276826

1 概述

1.1 目的

強化拋丸技術被廣泛應用于汽車轉向機制造領域，強化拋丸工藝有氣動和機械等丸粒加速的方式。本文介紹了拋丸機采用機械方式將一定直徑的鋼丸加速，使鋼丸高速打擊被強化零件，讓零件表層形成保護作用的殘余應力，產生加工硬化等有利變化，這對于處于長期交變應力下的活塞和扇形軸，可以延長零件的疲勞壽命，同時可以提高零件的彎曲度、抗勞強度，改善應力腐蝕開裂性能，大大提高了零件的使用壽命。

1.2 強化拋丸工藝參數

工作介質：（1）鑄鋼丸（AMS 2431/1 or AMS 2431/2）：熔融的鋼水經熱處理及尺寸篩分硬度為45～52 HRC(AMS 2431/1)或55～62 HRC(AMS 2431/2)密度最小為7 g/cm3尺寸大小依據標準中表4之規定。（2）鋼絲切丸（AMS 2431/3）或AMS 2431/8：由切成與鋼絲直徑等長的小段經過鈍化過程去除銳角而成硬度為45～52 HRC(AMS2431/3)或55～62 HRC(AMS 2431/8)密度及尺寸大小依據標準中表3及表4之規定。（3）鋼絲（AMS 2431/5）：由切成小段的鋼線經過研磨圓化表面硬度57～62 HRC芯部硬度40 HRC尺寸大小依據標準中表1之規定（SAE AMS2431/5B：Peening Media Case Hardened Steel Peening Balls）。（4）玻璃丸（AMS 2431/6）：made with high quality glass of the soda-lime type and 以及至少67%含量的硅硬度48～52 HRC密度最小為2.3g/cm3尺寸依據標準中表1之規定。（5）陶瓷丸（AMS 2431/7）：由氧化鋯硅及鋁融化而成硬度58～63 HRC密度3.60～3.95g/cm3尺寸大小依據標準中表1之規定。

試片類型：N、A、C三種試片

工作壓力：根據零件檢驗規范，按照SAE J443標準運行飽和曲線調整參數

打擊速度：根據零件檢驗規范，按照SAE J443標準運行飽和曲線調整參數

彈丸流量：根據產品強噴區域要求的覆蓋率和試片弧高值調整參數

覆蓋率：根據表面被丸流拋射打擊形成的小凹坑痕覆蓋的面積調整打擊速度參數，改變零件表面的覆蓋率

2 拋丸強度及強噴范圍

2.1 拋丸強度

2.1.1 噴丸的參數：①噴丸在工件表面產生一個殘留壓應力層以及其下的一個小張力；②最大的壓縮應力及其位置是象征抗疲勞的改善；③最大的壓應力值是降服應力的函數（δYS)；④殘余應力的深度是由噴丸強度所決定；⑤對于一個有效的工藝來說噴丸強度的控制非常重要。

2.1.2 影響噴丸強度的參數：①機器設備（壓力式及葉輪式）包括彈丸流量、流速（轉速或壓力）、噴丸角度（大于45°）及與工件之間的距離；②噴丸介質包括介質尺寸的大小、介質硬度。

2.1.3 依據J.O.Almen測量強度方法：

（1）平坦度：量得噴丸弧高度測量儀上的試片平坦度如下：

（2）材質：SAE 1070冷軋彈簧鋼；（3）加工：淬火+回火處理，去除所有毛刺；（4）熱處理：所有試片必須均勻硬化且經至少攝氏371度的回火處理，以產生回火屈氏體硬度，與表面量測到的硬度HRC44～50相同，N試片為HRA72.5～76.0；（5）表面含碳量：以Rockwell 30-N的量表測量試片時，不可因表層含碳量的變化使其表面和表面下的平均硬度之差值超過2。比對時每個區域至少要有四個讀數的平均值，用來判定的試片必須是沒有噴丸過的，而且不能是測試過的。表面硬度讀值比表面下硬度的讀值低是表示被脫碳，表面硬度的讀值比表面下硬度讀值高表示滲碳。（例如用Rockwell 30-N的量表所測得表面平均硬度為62.5時，于經過仔細研磨后的試片，其表面下硬度為64，這樣的試片是可接受的。如果讀到的表面下硬度為65時，因其差異值超過2，則不能接受。

（6）將“C”試片的強度值乘以3.5得到相當于“A”試片之強度，將“A”試片的強度值乘以3得到相當于“N”試片之強度。

2.1.4 阿爾門試片使用誤區：（1）應避免使用小尺寸的試片無法在標準的強度計上測量；（2）應避免使用其他材質的試片無法與設計工程師所建立的強度相關。

2.1.5

（1）依據平坦度區分阿爾門試片之等級

?

（2）依據硬度區分阿爾門試片之等級

?

2.1.6

（1）阿爾門試片固定用試片夾具（試片固定座之材質建議：任何合金鋼或碳鋼，最小硬化深度0.7mm，硬度57HRC。當固定座磨損或其變形不致影響試片功能時，可使用替代材質及厚度。使用M5沉頭螺絲或平頭螺絲以及方形螺帽。替代品：只有在倒角的螺絲孔使用螺絲）。

（2）阿爾門試片檢測用阿爾門強度計（測量儀）。

2.1.7 阿爾門試片彎曲補償

（1）噴丸之前試片超出平坦的尺寸可做為原始弧高讀值的補償之用。

（2）彎曲補償法須要在噴丸之前及之后測量試片的同一面，并注意正負號及讀值，然后計算兩者之間的差值。

（3）本方法并非強制性，是客戶因規范或是審核過的技術要求而使用的。

（4）彎曲補償范例：

?

2.1.8 根據SAE J443測量噴丸強度

（1）噴丸強度 噴丸試片飽和時，弧高值代表強度。

（2）飽和 噴丸時間對應弧高的曲線用來定義飽和。對測試試片進行拋丸，并將噴丸時間逐漸增加，而且其他所有的條件都維持恒定，把一系列的點劃在噴丸時間對應的弧高的圖上，即可畫出曲線。這些點用普通的形狀定義曲線如圖：

SAE J443 Jan’ 03.

注：僅有飽和曲線將指出噴丸時間以及強度值。

（3）當拋丸時間增加為兩倍的時間后，曲線中弧高值的增加小于或等于10%的第一個位置點（彎曲的位置）即為飽和點，如上圖SAE J443 Jan’ 03.飽和曲線。

（4）測試試片的讀值是弧高值，而非強度值因此只噴一個試片無法獲得強度值，噴丸強度只能經過前述的程序來決定，如上圖SAE J443 Jan’03.飽和曲線。

（5）強度只能由飽和曲線來決定，但對于工藝控制來說，強度可用一個試片或有些規范中所規定的兩個試片來確認。

2.1.9 確認噴丸強度 兩種確認方法

（1）確認的試片必須要在指定的強度范圍內，本方法允許從原始提供的強度更動飽和曲線而仍須在其范圍內（如SAE J443.）。

（2）確認的試片必須要在原始曲線的指定容許范圍內，這是在某些規范中更嚴格的要求。

2.1.10 阿爾門試片位置

（1）阿爾門試片夾具的位置在生產過程計劃時就必須決定。（2）夾具應有可供辨識，且無法去除記號的標示，以及可以相互參照的文件及技術資料。（3）阿爾門試片的夾具應該與工件相似，且應考慮遮蓋及反彈的問題。（4）可以使用報廢產品。（5）將阿爾門試片夾定器焊接在仿制或報廢的工件上。其它考慮因素：①有不同強度要求的區域必須要有單獨的試片位置；②重要工件上已知的失敗區域；③不易進入接觸或因設備本身限制的區域；④為了在其他的區域達到完全覆蓋率的要求所做的過度噴丸；⑤有可能產生變形區域；⑥特殊的內徑槍噴丸的區域（也許須要遮蓋的試片）；⑦設備的控制及自動化的程度例如參數的連續監測及統計制管理也許可以減少試片需要的數量。

2.2 強噴范圍

2.2.1 動力轉向機活塞的齒強噴范圍示意圖：

2.2.2 動力轉向機扇形軸的齒強噴范圍示意圖:

2.2.3 強噴區域要求100%～200%覆蓋率。

3 夾具和其他要求

3.1 活塞和扇形軸在強化拋丸過程中，活塞和扇形軸固定正確，以使噴射流導向需要噴丸的根部半徑區域。

3.2 每當檢驗規范不合格或進行重大維修保養時，任何過程更改時都要按SAE J443運行飽和度曲線，或者至少一年一次。

3.3 壓力或流量參數不變的情況下，當設備更換新的丸料或更換新的產品時，必須檢測弧高值與覆蓋率。

3.4 工件強噴區域與噴嘴距離范圍150～200mm，兩個噴嘴之間的距離不小30mm，噴嘴角度根據零件的實際情況而定。

4 合格檢驗

4.1 噴丸后的扇形軸和活塞必須承受用戶要求的停車疲勞測試的次數。

5 殘余應力

5.1 某個深度范圍內，至少達到產品規定的最小殘余應力值。

5.2 殘應力檢測，通常用X射線衍射衍射測量殘余應力，測試殘余應力方法除X射線衍射法外，還有機械法、電阻法、聲學法等，在這些檢測殘余應力方法中，只有X射線衍射為非破壞性的，可測定表層10～35um內的應力。測定零件沿層深度的殘余應力，通常采用剝層，即通過切削或腐蝕進行剝層（例如：腐蝕剝層可借助XF-1型電解拋光機及飽和NaCl水解電解液進行剝層）。殘余應力檢測屬于有損檢測，檢測時間長，工藝驗證和設備調試時抽取零件進行殘余應力檢測。生產過程中，通常通過檢測試片弧高值的穩定性來進行控制。

5.3 殘余應力檢測位置按用戶規定的零件要求。

6 結束語

在活塞和扇形軸加工工藝過程中齒部強化拋丸是非常重要的一序，它極大的提高了零件的使用壽命，從而使零件獲得更理想的效果。隨著科學技術的發展，強化拋丸技術不斷進步，以滿足更多用戶特定的生產要求。