非標拋丸強化設備的分析

孔令云

（易弗曼機械（常州）有限公司，江蘇 常州213000）

據統計，在機械零件失效中，有80%以上屬于疲勞破壞[1]。而疲勞破壞大多是從表面裂紋開始的；所以延緩表面裂紋產生是解決零件疲勞破環的方法之一。拋丸強化是利用拋丸器把鋼丸高速甩出，對金屬工件表面進行沖擊，使工件表面形成微小凸凹的塑性變形，從而在表面形成一層冷作硬化層，硬化層是由殘余壓應力組成。殘余壓應力可以有效地延遲疲勞裂紋的產生[2]，從而提高工件的疲勞壽命。拋丸強化是一種經濟且易實現的提高零件疲勞壽命地方法[3]。所以，現在越來越多的生產商選擇拋丸強化設備對其零件進行強化。

由于需要強化的零部件各不相同，對于不同的零部件，就需要不同的拋丸強化設備。所以，怎么選擇和設計合適的拋丸設備變得優為重要。在多年的拋丸設備設計經驗基礎上，本文對非標拋丸強化設備的關鍵部件和設計理念做一些探討[4]。

1 拋丸器

拋丸器是拋丸強化設備的核心部件，正確選擇拋丸器和其制造質量的好壞直接影響工件的強化效果。拋丸器的工作原理是通過高速旋轉的葉輪把鋼丸高速甩出，對工件表面進行沖擊，從而達到對工件表面的強化或清理的目的。圖1 為拋丸器工作原理示意圖。

圖1 拋丸器工作原理示意圖

拋丸強化設備所用的拋丸器，通常要滿足以下幾個條件：

（1）目前市場上常用的拋丸器的直徑（葉輪裝上葉片后，葉片的外徑）有：D300 mm、D380 mm、D400 mm、D450 mm 和D500 mm 等規格。根據經驗，在拋丸強化應用中，拋丸器的直徑要選擇較大的，一般選用D500 mm。直徑越大，拋射出來的鋼丸速度就越高，越容易獲得較大的Almen 值。圖2 所示為EFM公司生產的U70×500 型拋丸器剖視圖。

圖2 U70×500 型拋丸器

（2）客戶對不同工件的Almen 值都有不同的要求，為了使拋丸設備適應不同類型工件的強化，增加設備的通用性；在設計時，要求拋丸器的轉速可調。通常采用增加變頻器，調節拋丸器葉輪的轉速來實現，要求變頻器從30 Hz ～60 Hz 可調，對應的鋼丸拋射速度為60 ～90 m/s 左右（以U70×500 型拋丸器為例）。

（3）為了使工件表面強化更加均勻，推薦選用雙盤的拋丸器。雙盤拋丸器拋射出來的鋼丸在葉片寬度方向上分布均勻，形成的拋丸熱區寬度更大（圖3所示為拋丸熱區顯微圖），有利于獲得均勻的Almen值分布。

圖3 拋丸熱區顯微圖

（4）拋丸強化所用鋼丸硬度一般較大，為了保證拋丸器的使用壽命，在設計時要求拋丸器的耐磨易損件使用工具鋼制作，耐磨件表面淬火硬度要達到62HRC 以上。

2 丸料

拋丸強化所用鋼丸常用為研磨鋼絲切丸（G2），直徑為φ0.4 ～φ1.2 mm，硬度為640 ± 30 HV1。在其它參數一定的情況下，工件的Almen 值主要由鋼丸的大小和鋼丸的拋射速度有關。鋼丸直徑越大，拋射速度越高，越容易獲得高的Almen 值。圖4 為通過大量試驗繪制出的鋼丸直徑、速度與Almen 值的關系圖。

圖4 鋼丸直徑、速度與Almen 值對照表

在實際應用中，設備設計和調試時，根據表1 和客戶對Almen 值的要求，可以大致選定強化時所需鋼丸的直徑和拋射速度；從而減少設備設計的風險系數，縮短設備的安裝調試周期。

3 拋丸室

拋丸室是整個設備的關鍵部件，其材料的選用和設計是否合理，決定設備的使用壽命和工件拋丸強化的效果。

目前，拋丸室殼體的材料一般選用太鋼生產的固溶態Mn13，或者歐洲進口的X120Mn12 高錳鋼板，板材厚度要達到8 mm 以上。室內襯板采用易更換的安裝方式，材質選用Cr12W，厚度要達到15 mm以上。

拋丸器的布置方式對拋丸強化效果至關重要，在布置拋丸器時，首先要保證待強化工件完全在拋丸熱區的覆蓋下。其次要保證鋼丸入射方向與工件待強化表面夾角a= 90°，對強化要求不是太高的，也可以使夾角a 小于90°，但一般要保證在80° ～90°之間，入射角度太小會影響強化效果。最后，工件表面與拋丸器的中心距離L = 800 ～ 1300 mm 為最佳。圖5 為單個拋丸器與工件相對位置示意圖。

圖5 拋丸器的布置示意圖

4 丸料閥

丸料閥的作用是開啟和關閉對拋丸器的丸料供應。丸料閥的開關方式通常是通過氣缸來控制。拋丸強化應用時，由于對拋丸器的丸料量要求比較嚴格，需要精確的控制丸料量來滿足工件Almen 值的要求。所以，在設計時，需要丸料閥可以自動在線調節開口大小。在丸料閥上增加電缸來自動調節丸料閥的開口大小是一種可行的方法。圖6 為常見的帶電缸調節的丸料閥。

圖6 帶電缸調節的丸料閥

5 振動丸料篩分器

從圖4 中可以看出，鋼丸的直徑對Almen 值的大小有影響。在實際應用中，用戶購買的鋼丸的尺寸會不均勻；另外，在拋丸強化過程中，鋼丸在使用時會發生磨損或者破碎，隨著使用時間的增加，鋼丸尺寸會越來越小。為了保證Almen 值的穩定性，需要對使用過的鋼丸進行篩分，保證鋼丸尺寸在要求的范圍內。常用的做法是在丸料循環系統中增加振動丸料篩分器，定期對丸料進行篩分過濾。圖7 所求為三層的振動丸料篩分器，可以過濾掉大的和小的破碎的鋼丸，只保留所需尺寸的鋼丸進入丸料循環系統，再循環利用。

圖7 振動丸料篩分器

6 丸料循環系統

在拋丸設備中，鋼丸需要循環利用。在設計時，設備需要配置一套丸料循環系統。該系統用來回收和清洗鋼丸，使鋼丸可以重復循環利用，降低拋丸設備的運行成本。圖8 為典型的丸料循環系統原理圖。

圖8 典型的丸料循環系統原理圖

7 設備調試

設備安裝完成后，除了正常的通電試運行外，拋丸強化設備還需要進行工件強化工藝測試。該測試可以通過Almen 試片進行，需要測定滿足客戶要求的Almen 值時，拋丸器的電流頻率，以確定鋼丸的拋射速度；繪制飽和度曲線，確定最佳的拋丸強化時間；檢測工件表面覆蓋率是否達到要求等。

8 結論

（1）拋丸強化設備易選用大直徑的拋丸器，通常選用D500 mm 雙盤拋丸器。

（2）設備設計時需要配備變頻器，用來改變拋丸器的轉速，從而改變鋼丸的拋射速度。

（3）拋丸室殼體材質選用太鋼生產的固溶態Mn13 或進口的X120Mn12；室體內襯板安裝采用易拆卸方式，材質選用Cr12W。

（4）拋丸器的布置盡量保證鋼丸的入射方向與工件表面夾角為80° ～90°之間；工件表面與拋丸器的中心距離L = 800 ～1 300 mm 為最佳。

（5）設備需要配備帶電缸丸料閥，用來在線自動調節拋丸器的丸料量；配備振動篩分器，對鋼丸進行定期篩分，保證鋼丸尺寸在要求的范圍內，從而保證工件Almen 值的穩定性。