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fox653

弹簧喷丸强化技术zt

很早之前，一片汽车钢板弹簧热处理后，工匠们就会不断地用锤子连续敲打、捶击它。那时候工匠们并不清楚他们这么做的结果会让板簧的使用寿命延长6倍，而现在，这一事实已被工程师们充分了解。

这一强化工艺技术同样适用于圆柱螺旋弹簧（圆簧），扭杆，旨在不同程度提高和改善弹簧疲劳强度与应力腐蚀断裂强度。其他一些飞机和汽车零部件，如连杆、曲轴、摇臂、行星齿轮、齿轮圈、航空发动机叶片、起落架、传动轴都将强化工序作为生产过程的必要步骤，且制定了严格的技术规范。先简单解释一下零件在强化后会发生哪些变化？

强化工艺的原理

强化工艺是利用高速运动的弹丸流对金属表面的冲击而使表面产生循环塑性应变层，由此导致该层的显微组织发生有利的变化并使表层引入残余压应力场。表层的显微组织和残余压应力场是提高金属材料及其弹簧的疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力的两个强化因素，以提高弹簧的可靠性和耐久性。

强化是个“冷处理”工艺，有别于金属零件在高温下的热加工处理。压应力层通常延伸到材料表面下0.005”到0.030”深处。如有必要，也可通过改变工艺参数，如丸料尺寸、喷/抛射速度、喷/抛射角度、喷/抛射时间等来将压应力层延伸深度增大。

评估强化效果的两个重要参数是强度和覆盖率。覆盖率（100%、200%或更大）主要是依靠目测，而强度则需用代表性的弹簧钢试片进行测量（即阿尔门试片）

强度测量

零件校对工具（PVT）， 设计用来将试片固定于一些特定位置，在这些位置的试片可模拟零件有强度要求且必须进行强度检测的区域位置。根据不同应用，强度范围从0.015 - 0.030 （在‘A’等级上）。

弹簧强化设备类型

弹簧强化设备可分为两种类型：

--- 离心式叶片抛丸强化设备
--- 气动喷嘴式喷丸强化设备

前周的优点是速度快、产量高，比较适用于板簧、圆簧等产能要求高的零件之强化处理，它能在较短的时间里抛射到更多的区域，以及让被喷部位更快达到饱和强度。

· 一种连续链式输送系统的抛丸强化设备适用于板簧强化，多个抛头对准板簧的上表面，及左右侧面进行抛射
· 一种带指轴的连续通过式抛丸强化设备适用于圆簧强化，在抛丸室里有一个旋转辊轮，带动圆簧边旋转变通过，在此过程中，多个抛头对准其进行抛丸强化。
· 尺寸相对较小的弹簧，如用于发动机阀门的气门弹簧，适合用履带式抛丸设备进行强化处理
· 扭杆亦适合用连续通过式的设备进行强化

工艺参数

无论哪种强化技术，目的都是要取得一个持续恒定、可重复的强化强度。因此，必须了解工艺过程中，哪些关键变量会影响到最后的强化结果，包括：



以上这些工艺变量都会影响强化最终效果：

· 抛头直径决定了钢丸介质被一定角度抛射出去时的速度。在同样的抛头转速下，直径为17.5”的抛头产生的钢丸抛射速度大于直径为14”的抛头，因而产生的强化强度也更高。
· 抛头的马力决定了单位时间内被打出去的钢丸数量
· 抛头是由变频机直接驱动的，通过改变电机的频率可以改变抛头的转速，从而改变钢丸抛出的初速度。
· 抛头通常都被固定在抛丸室的特定位置，但可以通过调整定向套的位置，来改变抛射方向。定向套的位置最终决定了钢丸被抛头抛射出去的角度

其他影响喷丸强化结果的工艺参数包括：

· 钢丸的流量
· 钢丸的尺寸
· 尺寸的一致性

丸料的流量是由一个专门的流量控制阀控制。在抛丸强化设备中，该控制阀是安装在抛头进料区，通过调节流量控制阀的开口来调整经过该阀进入抛头的钢丸流量；在喷丸强化设备中，丸料控制阀安装在压力罐出口区。

一个振动筛对丸料进行过滤，筛选出合格尺寸的丸料，确保强化过程中所用的钢丸尺寸一致，从而达到稳定的强化效果。

钢丸（或切丝）的尺寸，会直接影响覆盖率和强化时间。一般规律是，

· 钢丸直径小，工件表面产生的残余应力较高，但强化层较浅
· 钢丸直径大，工件表面产生的残余应力较低，但强化层较深

板簧强化

可利用一种连续通过式抛丸强化设备对板簧进行一个接一个单独的强化处理，让板簧几何凹面曝露在高速丸流下。典型的机型是包括一个抛头用于抛射板簧顶部，侧边装一个抛头，同时喷板簧左右侧面。

这套标准款板簧强化设备的通过速度是10英尺/分钟，如需要更高的产速，则可增加抛头数量，调节电机频率。

在工作条件下，板簧会重复受到单向弯曲应力影响，因此有时是被应力强化的。在强化过程中，就模拟板簧在以后使用过程中会受到“应力强化”的情况，让它在承受负荷的方向上施与一个“静态应力”的同时，对其进行喷丸强化。强化完毕后，释放该外加的静态应力。实验证明，应力强化比常规强化能更进一步延长板簧的使用寿命。

圆簧强化

圆簧，由于其螺旋几何形状，因以对其的强化作业要比平表面的板簧强化困难些。另外，还必须严格评估圆簧横切面的强化效果，从而充分了解圆簧抗疲劳断裂的抗力大小。

圆簧被一个个单独地经一连续输送链系统送入抛丸室，抛丸室内装有一组平行辊道，强化的同时，辊道不停滚动，带动圆簧边旋转边前行。这样旋转的通过方式能让高速丸流通过圆簧各个环圈间，打到里圈的金属表面上，那里恰恰是圆簧应力最集中的部位。

对于产能要求高的应用，可选择一种能同时喷两个圆簧的强化设备。最新的研发结果，是在原来抛丸强化设备基础上，结合入多个喷嘴，用于对圆簧特定区域（应力集中取悦）更目标明确、火力集中的喷丸处理。

扭杆强化

扭杆强化是将扭杆置于一个斜辊式输送带上，一个一个单独边旋转边通过抛丸室，用一个带变频电机的抛头对其进行喷射强化。

气门弹簧

小型的弹簧，如用于发动机阀门的气门弹簧适用于履带式的强化设备。将一片阿尔门试片与带处理的弹簧零件一起放入履带式抛丸机里，强化结束后，取出阿尔门试片，根据测量出的强度值就可知道零件受到的强化强度

弹簧强化设备的发展

工业生产对于强化结果一致性和可重复性的要求越来越高，其重要程度不言而喻。强化设备中都加入了一些必要装置来确保高质量的工艺过程，如振动筛，用于筛选弹丸尺寸，保证丸粒大小一致均匀；抛头的变频马达控制喷射速度；输送链的速度控制器能调整喷射时间。

目前，更先进的，程序更精密复杂、具有同步监测控制功能的强化设备也已广泛应用于弹簧制造业，实现对工艺参数的实时监测和结果显示

今天，“触摸屏”和基于电脑的操作界面取代了原来的按键和指示灯。控制系统不仅能同步显示各类监测到的工艺参数，还能让操作员自己编写代相关参数的“程序”。

给这些程序编上唯一的代码标示，并存储在系统里，便于以后取出使用。

为方便维修人员的日常维护和设备出错时的问题解决，设备的控制系统还能提供一个指导图示，列有机器里所有的进口或出口，并显示它们目前情况。这样便于维修人员快速找到出错位置，并及时进行矫正处理。

最新的控制系统还能配合安全需要，让不同职位的人，系统管理员、工程师、维护人员、操作员，有四级不同的机器控制权限。

结论

弹簧强化已是一种高可控性工艺技术。弹簧制造商和弹簧强化设备的供应商们都意识到，这类强化过程像其他精密制造一样，对工艺的一致性、可重复性和质量要求越来越高。

技术的发展不仅仅局限于强化设备的机械性能上，对系统能提供同步监测、显示、记录和其他功能的期待也逐日增加，旨在提高弹簧强化的效果和精确度。

hawkman1688

谢谢分享，学习了很多。

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喷丸强化技术的基本参数 zt
   


　　1　喷丸强度
　　影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60%，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。在喷丸强度的阿尔门试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。

　　2　阿尔门(Almen)试验

　　喷丸强度常用N试片(用于有色金属试验)、A试片(最常用)、C试片(更高强度)来进行测量，A试片和C试片之间关系为近似3倍关系。如用C试片测得强度为0.15～0.20Cmm就相当于0.45～0.60Amm。图中厚的为C试片，薄的为A试片。

　　试验过程中，先测量试片原有变形，然后将卡好该试片的工装置于喷丸箱内，采用与工件相同的工艺进行喷射。喷丸结束，取下试片，测量变形拱高。

　　3　喷丸覆盖率

　　覆盖率是指工件上每一个点被钢丸打到的次数，有人对喷丸覆盖率常这样认为：我的喷嘴1上1下喷工件2遍，不就可以满足200%的覆盖率了吗？乍一听觉得有道理，其实不是这样的。

　　覆盖率的测量是这样的：先在工件表面涂上一层彩釉或萤光釉，然后按工艺参数对工件进行喷丸，每喷表面一遍将工件取出，在显微镜(放大镜)下观察所残留的涂层在表面所占的比例，如还有20%残留，则覆盖率为80%。当残留只有2%，即覆盖率为98%时，可视为全部清除，即覆盖率为100%，此时就有一个时间。若达到400%的覆盖率，就是4倍的该时间。

　　4　覆盖率的影响因素

　　影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、喷射角度和距离、喷丸时间等。在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能达到100%；反之，覆盖率会下降。在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。

　　5　表面粗糙度

　　由于钢丸的喷射，对工件表面的粗糙度产生一定的变化。影响表面粗糙度的因素有零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射的角度和速度、零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小；喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗糙。当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。

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模具喷丸强化应用zt
    喷丸强化即借助硬丸粒，高速、连续锤击金属表面，使其产生强烈的冷作硬化。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高模具的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能。喷丸还可改变模具的表面粗糙度，并有效地  去除电火花加工而产生的表面变质层。

  喷丸强化方法简单易行，节约能源，适用于落料模、冷作模、冷镦模和热锻模等以疲劳失效形式为主的模具，如锻模服役时，要经受弯曲和热膨胀，常发生因局部屈服而导致显微裂纹，喷丸处理产生压应力能推迟显微裂纹的形成，从而延迟模具龟裂发生。

    喷丸强化原理

    喷丸过程就是大量弹丸喷射到零件表面上的过程，而弹丸喷射到零件表面上有如无数小锤对表面锤击，因此，金属零件表面产生极为强烈的塑性形变，使零件表面产生一定厚度的冷作硬化层，称为表面强化层，此强化层会显著地提高零件在高温和高湿工作下的疲劳强度。    零件表面形成的强化层之所以会改善其疲劳性能，其原因是在此层内有着完全不同于基体(即零件心部)的应力状态及组织结构，一般地说零件疲劳强度的提高与表面强化层内以下三个因素有关：

    (1)表面层的宏观残余应力；

    (2)表面层的微观应力；

    (3)表面层的微细嵌镶组织。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故，所以机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。喷丸可改变了应力分布状态，使零件表面形成一条很宽的压应力分布带，从而可极大地提高疲劳强度和零件的实际承载能力。

    喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化模具表面的手段，模具喷丸的强化机理是弹丸流的撞击形成模具材料塑性变形而导致冷作硬化；第二个因素是弹丸流的撞击改变了表面残余应力状态和分布，使模具材料表层和次表层造成很大的残余压应力，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。喷丸处理后模具的表面硬度增加，距表面愈近，效果愈明显，喷丸造成的模具表面硬度增加是由于表层组织形变强化及残余压应力值增大的综合结果。此外，喷丸还能促使模具表层的组织发生转变，即残余奥氏体诱发转变为马氏体，并且能够细化马氏体的亚结构，进一步提高了模具表面硬度和耐磨性，从而延长模具的使用寿命。

    喷丸强化工艺

    (1)设备与喷丸介质的选用

    气动式喷丸机

    喷丸用的喷丸机有气动式喷丸机和离心式喷丸机。

    气动式喷丸机是由空气压缩机供给压缩空气，压缩空气通过喷枪时造成负压将弹丸吸人并高速喷出喷嘴，形成弹丸流喷射到零件表面。喷丸机中还有一个使零件运动的机构，能保证喷丸的均匀性和有一定的覆盖范围。

    保证喷丸强化质量的另一个关键因素是根据零件材料和尺寸特点选择合适的弹丸。经常使用的弹丸都是圆形弹丸，直径为0.05mm—1.5mm不等。弹丸直径由零件沟、槽、圆角等尺寸决定，要保证弹丸直径小于需要强化的沟、槽、圆角的尺寸。

    常用的喷丸介质(弹丸)有：

    a、铸铁弹丸：铸铁弹丸硬而脆，易于破碎，目前已很少应用。

    b、钢弹丸：目前使用最多的是用弹簧钢(直径0．6mm～1．2mm)做成的钢丸，钢丸的硬度HRC一般为45～50，钢弹丸的使用寿命比铸铁丸高20倍左右。  

    c、玻璃弹丸上世纪七十年代发展起来的，玻璃弹丸的硬度HRC>48，成本较高，主要在航空工业部分获得了较为广泛的应用。  
  
    (2)喷丸强化主要工艺参数的选择  

    喷丸强化可显著提高表面的残余压应力，从而提高零件疲劳寿命，但要对喷丸参数进行合理的选择，既要考虑到残余压应力达到一定的数值，又防止过度喷丸，以免产生表面缺陷，降低强化效果。

    实践表明：随喷丸时间的增加，残余压应力逐渐增加；随钢丸转速的增加，残余压应力也逐渐增加；弹丸直径大，喷丸强化效率高，但工件的表面光洁降低。具体的喷丸强化参数可参见表2。

    模具喷丸强化应用与效果

    (1)CrWMn钢制线切割冲模的喷丸强化。

    模具在电火花切割后，不经喷丸研磨加工，回火，直接装配使用时，常易出现崩刃、折断、碎裂现象。即使不出现这些现象，使用寿命也不高。其原因是热处理产生的拉应力和线切割所产生的热拉应力叠加在一起，容易达到材料的强度极限而产生裂纹。采用回火、研磨、喷丸和回火处理，可有效地去除白状态。用研磨方法也可除去白硬层，但不能改善切割层的硬度与应力分布状态。用研磨方法也可除去白硬层，但不能改善应力区的应力分布状态，用研磨方法也可除去白硬层，但不能改善应力区的应力分布状态，因此，不能根本解决模具的裂纹和崩刃。对线切割模具的白硬层施以喷丸和120~160oC×6-10h的时效处理，则可成倍地提高模具寿命。

    某厂的CrWMn钢制线切割冲模的刃磨寿命在直接使用时为10700次；160oC×2h回火后，为11180次，研磨除去白硬层再160oC×2h回火时为7450次；磨削去除白硬层后为28743次；喷丸再160oC×2h回火处理为220000次。

    (2)喷丸强化改善Cr12钢制线切割落料模能。

    Cr12钢制洗衣机电动机定、转子落料模，在经淬火、回火处理和线切割加工后直接使用时，常呈折断失效，平均使用寿命只有3万余次。改用在电火花加工后增加一道喷丸强化处理工艺后，改善线切割落料模变质量层的性能，使用寿命可提高到10万冲次。

    综上所述，喷丸强化技术是一种使用简便、成本低，应用范围相当广的模具表面强化技术，强化效果既特别显著又立竿见影，大大延长承受交变负荷的模具使用寿命，是其它强化方法难以比拟的。

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金属零件表面改性的喷丸强化技术 zt
   



【摘 要】传统的机械喷丸工艺在工业界已经得到广泛的应用。随着激光技术的发展，出现了一种新的加工工艺——激光喷丸。它能改善金属零件表面的机械性能，尤其是在表面产生压缩应力，使零件的抗应力腐蚀等能力大为提高，从而延长零件的疲劳寿命。由于激光喷丸具有形成的残余压应力比机械喷丸深等优势，因而强化效果更佳。

【关键词】喷丸；机械喷丸；激光喷丸


工业界广泛应用的机械喷丸（Shot Peening，简称喷丸）强化工艺是一种有效的表面微动防护手段，它通过对零件表层实施冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力。冷作硬化使零件的强度有所提高，残余压应力则会消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的拉应力，晶粒晶格的畸形使零件在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命。世界上第一台激光器诞生以后，随着对激光技术应用研究的深入和相关学科技术的发展，近年来人们开始用强激光诱导的高幅冲击波改善金属零件表面的机械性能，并称之为激光喷丸（Laser Shot Peening简称LSP）或激光冲击。

1 机械喷丸

大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件的表面喷射，无数粒弹丸犹如一个个榔头不断地锤击零件表面，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格歪扭和高密度位错，在充裕的时间内，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此就在工件层表面和近表面形成残余的压应力。

1.1 喷丸质量的表征及影响参数

喷丸强化的效果和质量的表征指标主要有喷丸的强度、覆盖率和喷丸后零件的表面粗糙度值，每一项指标都受多项工艺参数的影响。

影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大，喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为１mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再延长喷丸时间，强度不再明显增加。在喷丸强度的阿尔曼试验中，喷丸强度的表征为试片变形的拱高。


影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、喷射角度和距离、喷丸时间等。在规定的喷丸强度条件下，零件的硬度低于或等于标准试片硬度时，覆盖率能达到100％；反之，覆盖率会下降。在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。

影响表面粗糙度的因素有零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射的角度和速度、零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小；弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表面粗糙度值就变小；喷射的角度大，弹丸速度的法向分量越小，冲击力越小，弹坑越浅，弹丸的切向速度越大，弹丸对表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影响因素之一，原始表面越粗糙，喷丸后表面粗糙度值降低越小；相反，表面越光滑，喷丸后表面变得粗糙。当对零件进行高强度的喷丸后，深的弹坑不但加大表面粗糙度值，还会形成较大的应力集中，严重削弱喷丸强化的效果。

1.2 喷丸的特点及工业应用

喷丸强化工艺适应性较广；工艺简单、操作方便；生产成本低，经济效益好，强化效果明显。近年来，随着计算机技术发展，带有信息反馈监控的喷丸技术已在实际生产中得到应用，使强化的质量得到了进一步提高。

目前喷丸强化不仅用于汽车工业领域的弹簧、连杆、曲轴、齿轮、摇臂、凸轮轴等承受交变载荷的部件，还广泛用于其他工业领域。如喷丸强化可以提高电镀零件的疲劳强度和结合力；各种合金钢经过任何一种电镀处理后，一般均会导致疲劳强度下降10％~60％，而喷丸强化则可有效提高疲劳强度，同时还可以增加电镀层的结合力，防止起泡。

2 激光喷丸

激光喷丸是用超短脉冲的激光束代替有质弹丸，用它诱导的冲击波来强化金属零件的表面。

吸收层

（黑漆）

激光脉冲

等离子体


金属工作

冲击波

冲击波冲击波

约束层

（水、光学玻璃）

其成形机理：短脉冲的强激光透过透明约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层（黑漆层）上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形层难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

约束层的作用是提高激光诱导的冲击波的压力峰值和延长其对板料的作用时间；吸收层的作用是有效吸收激光，同时保护金属板料表面不被激光烧伤。

2.1 影响激光喷丸质量的关键工艺参数

激光喷丸的关键工艺参数有：脉冲宽度；脉冲能量；光束模式；光斑的尺寸大小；板料的力学性能；约束层的刚性；吸收层的厚度等。

2.2 激光喷丸的特点及应用

激光喷丸强化和传统的机械喷丸强化相比具有鲜明的特点和更大的优势；

（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸。如可对微电机系统中微电机和开关的微米级金属零件进行激光喷丸[3]，而传统机械喷丸由于受弹丸直径等因素的限制则无法进行。

（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累积的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控。

（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸形成的大，其深度比机械喷丸形成的要深。美国学者Hackel等人用镍合金Inconel718材料做机械喷丸和激光喷丸的对比实验，结果表明激光喷丸形成的压应力层深度是机械喷丸的3~4倍。

（4）激光喷丸使零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个微米。光滑零件表面强化后，基本不改变其表面粗糙度，因而特别适合航空发动机叶片的表面强化，不但可使表面改性，而且还保持了叶片表面气流的通畅和原先设计时的力平衡。

（5）适用范围广，对碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、钛合金及镍基高温合金等材料均适用。不必像机械喷丸那样，对于不同材质和硬度的零件需更换和使用不同的弹丸，甚至不能喷丸强化。

美国学者曾将某型号航空发动机钛合金的叶片分4种情况进行对比实验：①叶片边缘完好未刻V型槽，未喷丸；②叶片边缘关键部位刻1.5mm深的V型槽，未喷丸；③叶片边缘刻1.5mm深V型槽且进行高强度机械喷丸；④刻1.5mm深V型槽且进行激光喷丸。各组实验结果的平均值如图4所示，可以看出，机械喷丸和激光喷丸都能有效提高叶片的疲劳寿命，但激光喷丸效果更加显著。

激光喷丸强化是一种新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究用高密度激光束诱导的冲击波束来改善材料的疲劳性能。随着对激光器功率、脉宽、冲击波引起的应力波的波阵面形状等问题研究的深入和解决，尤其是较高激光脉冲重复率问题的解决，使激光喷丸强化走向实用化阶段，已经用于汽车、船舶和军工等领域。如美国空军实验室材料和制造分部的实验表明，一种典型的风扇叶片高的循环疲劳强度为690MPa，受小的外来物损伤后其疲劳强度降低到140MPa。而这种叶片进行激光喷丸强化后，受到大的外来物损伤后其疲劳强度仍保持690MPa。据称，GE公司为B-1轰炸机F101发动机的20000多片叶片及F-16战斗机的2000多片叶片进行了激光喷丸处理，结果叶片的失效率明显下降。


3 结束语

喷丸强化是改善金属材料表层物理机械性能最常用的方法之一，它能有效改善金属材料的强度、耐磨性和耐腐蚀性，还可用于使那些通常不能进行热处理的材料达到较高的硬度以及用于提高铝合金焊缝的强度，以有效地提高金属材料的疲劳寿命。喷丸强化工艺已引起人们的重视并得到应用，尤其是激光喷丸强化技术正越来越受工业界的青睐。

fox653

强度和覆盖率在喷丸强化中的概念 zt



      在喷丸强化工艺中，很多人都容易混淆两个概念，即“强度”和“覆盖率”（喷丸时间）。为此，美国SAE委员会(疲劳强度设计和评价分会) 决定将SAE J443 “使用标准强化测试片之操作流程”中关于“覆盖率”的引用剔除掉，取而代之的是自2003年1月份制定的新的界定条款SAE J2277-"强化覆盖率".
       首先，让我们来研究一下问题，然后讨论解决方案。无论是喷丸强化还是抛丸强化，其目的就是通过对那些长期处于交变应力下的零件表面导入一个压应力，在表层形成起保护作用的残余压应力层，从而延长零件的疲劳寿命或载荷能力。有效的压应力层之深度取决于强化强度。而强度大小与使用的丸料介质之大小、硬度和喷射速度直接关联。为取得所需的强化结果，应确保零件的所有表面或应力集中的关键区域得到充分、适宜且精确的喷丸/抛丸撞击，以获取零件表面均匀、高质量的压应力层。另外一个概念“覆盖率”。为取得理想的强化结果，我们必须完成两件事：确定（或控制）强度和确定（或控制）覆盖率。我们先了解了强化强度后，再来解释强化覆盖率，或决定正确的强化处理时间。
     目前，尚未有一款“强度测量仪”能直接用来测量强化强度，所以还必须使用阿尔门试片确定强度值。通过高速丸流的喷射，在标准的阿尔门试片上撞击出无数个微小凹坑，而使试片弯曲。如果接收更多的撞击，试片会继续弯曲。直到某个程度时，延长喷丸时间，也不会改变试片的弯曲度，这时，试片弯曲率与喷丸时间的正比增长的关系即消失。画出阿尔门试片饱和度（显示为饱和曲线高度）与喷丸时间的关系图，就能确定强化强度。该图表称为“阿尔门强度饱和曲线”或简称为“饱和曲线”。该曲线引出了由阿尔门阐述的10%理论，“强度是饱和曲线上的第一个出现的喷丸时间延长一倍，强度值增长不会超过10%的弯曲高度点。强化强度，是由使用的丸料属性和喷丸强化的操作情况所决定。这里需要注意的是，阿尔门试片方法仅仅适用于强度的概念。
      观察阿尔门试片上单独的一个凹坑，你会发现用一个010 英寸 “A” (或10A) 强度的丸料会撞击出一个约0.009英寸直径的凹坑。阿尔门试片上聚集足够多该尺寸的凹坑，会引起试片弯曲。如果用同样大小的丸料去撞击与阿尔门试片不同的材料时，结果会怎样呢？阿尔门试片材料是SAE1070定义的冷轧钢，其硬度值在44-50 HRC之间。如果处理硬度高的零件，如硬度为60 HRC的渗碳齿轮，丸料在同样强度下形成的凹坑要小得多。相反，如果处理较软零件，如硬度为80 HRB的铝制零件，丸料在同样强度下形成的凹坑要大得多。因此，对于硬度高的齿轮要达到完全覆盖率，所需要的凹坑比硬度小的铝零件更多，所以强化处理时间也应该更长。
      结论是，阿尔门试片只能用于准确测定强度值，对于覆盖率，它是零件表面被凹坑覆盖的程度，合适的喷丸时间取决于预设所要达到的覆盖率。

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喷丸强化工艺流程控制 zt
喷丸强化必须在可控状态下进行，X衍射检测技术目前有效分析检测完全压应力深度的技术之一。要确保强化符合预设的规格标准，在加工工程中，必须严密监控以下参数

- 丸料介质
- 覆盖率
- 强度
- 设备

维尔贝莱特（集团）提供给其航空、汽车等工业客户的抛/抛丸/喷丸强化设备都满足和超过最严格的质量标准和国际相关认证体系，如航空领域通用的Nadcap标准。

丸料控制

强化介质大多数是圆形的。如使用过的丸料磨碎了，那碎裂的丸料必须清除掉，以防止再次使用而损伤工件表面。抛丸/喷丸强化的丸料介质必须具有均匀的尺寸。因为介质打击到零件表面所产生能量的大小，与其重量和喷射速度直接相关。大尺寸的丸料由于其重量大，所以打击能量也较大。如果尺寸不同的丸料混合在一起使用，较大尺寸丸料产生较深的残余压应力层；较小尺寸丸料形成较浅压应力层，这样不均匀、参差不齐的残余压应力层直接导致强化结果的不一致，进而严重影响提高疲劳强度的效果。

为了正确地分离出尺寸和形状不合格的丸料、维尔贝莱特（集团）利用一种特殊的螺旋式筛分系统，它包含内圈和外圈转动，原理是根据圆形丸料和破损丸料的滚动速度不同来将它们区分开。丸料会经由一个通道管路到达螺旋分离器上端的圆锥形上方，随后掉落在圆锥上，在螺旋分离器内圈向下滚动。圆形丸料会获得足够速度，能逃离到外圈，这些分流到外圈的圆形丸料是可重复使用的合格介质；而破碎的尺寸不合格丸料滚动就非常不顺利，会滞留在内圈，直到分离结束后，将其清除掉。

强度控制

抛丸/喷丸强化强度代表的是丸流喷打产生的能量。它是强化工艺中一个非常重要的参数指标，是确保强化生产可重复性的关键因素。丸流喷射在零件表面所产生能量大小与形成的压应力水平直接相关。使用较大尺寸丸料和/或增加丸流速度，都会增加喷丸强度。除此外，喷射角度和使用的丸料也会影响强化强度。

强化强度可用阿尔门试片测量，阿尔门试片是由一片标准的SAE1070弹簧钢，对其一面进行抛/抛丸/喷丸强化，由此在其表面产生的残余压应力会让该试片向被强化的一面弯曲或弧形凸起。阿尔门试片的弧形高度（即弧高值）代表的是丸流喷打强度，这个弧高值得取得是可重复性的。

根据强化应用，命名了三种阿尔门试片：

•• “N” 试片: 厚度 = 0.031" (0.79 mm)
•• “A” 试片: 厚度= 0.051" (1.29 mm)
•• “C” 试片: 厚度= 0.094" (2.39 mm)

强度要求较大的强化，选用较厚的阿尔门试片

阿尔门强度值的表达形式是弧高值（通过一种阿尔门量具测得），加上阿尔门试片名。如使用A试片下，得到0.012" (0.30 mm)弧高值，其强度值表达为0.012A (0.30A)。 阿尔门试片的强度使用范围在0.004"-0.024" (0.10-0.61 mm),如强度超过0.020" (0.51 mm)，就要选择下一级更厚点的阿尔门试片。

“N” 试片上获得的强度值约为“A” 试片上获得的三分之一。而“C” 试片上获得的强度值又将是“A” 试片上的三倍。它们之间的换算关系大约是(N ~ 1/3A, C ~ 3A).

阿尔门试片需固定在一个特殊夹具上。它固定的位置对于校对喷丸能量至关重要。在第一个零件进行强化前，必须先校对确认实际强度值，并记录下。这样确保强化设备的设定和运行都是根据审核确认的工艺流程。当实现批量生产后，相隔一段时间要对强度进行重复校对，确保设备运行的参数值保持不变，这样才能保证强化的高度可重复性和强化质量的恒定一致。

饱和度（强度检查）- 对强化流程的初期检测要求先建立一个饱和曲线图。所谓饱和度定义为在曲线上最早达到一个点，超过这个点后，双倍增加强化时间，弧高值的增加都不会超过10%。饱和曲线图是根据对固定在强化机器上的阿尔门试片进行一系列连续喷射强化，测得并记录下的弧高值，并且确认何处是饱和度点的位置而画出来的。当首次强化时间（T）增加了2倍后（2T），阿尔门弧高值增加却不足10%。这就说明达到饱和的强化时间=T。饱和度确认的是在特定机器设定下，对零件某一规定部位进行强化，而获得的实际强度值。

值得注意的是，必须把饱和度和覆盖率的概念区分开。覆盖率指的是零件表面被丸料喷抛形成凹痕的覆盖比率。饱和度确认的是达到强度需要的喷丸时间。饱和度和覆盖率不一定会在同一时刻达到，那是因为覆盖率是在实际零件表面上获得的，零件材质可能软，也可能很硬，不同硬度材料的零件对达到覆盖率需要的喷丸时间也不尽相同。而饱和度是用SAE1070弹簧钢，硬度为44-50 HRC的阿尔门试片上获得的。

覆盖率控制

要取得高质量的强化结果，必须确保达到完全强化覆盖率要求。覆盖率测量的是零件表面被丸流喷打形成小凹痕覆盖的面积。覆盖率不可低于100%， 因为如不达到100%，应力腐蚀和疲劳裂纹就会在未被强化到，未被导入残余压应力德的地方发生并衍展开，最后仍有可能导致零件的断裂失效。

如果要求的覆盖率超过100%（如150%，200%），那就要求强化时间成比率的增加。例如，要对到200%覆盖率，强化时间将是100%覆盖率强化时间的2倍。

荧光示踪染料（检查覆盖率）- 当零件材料较软时，抛丸/喷丸强化的覆盖率检查就很简单，只要目测观察表面的凹痕分布即可。用一个10倍放大镜足以确定是否达到覆盖率要求。但多数情况下，覆盖率的检测是比较困难的，如内孔，圆角过渡处，硬度大的表面，或大面积的强化表面。

这种情况下，就可借助于一种荧光示踪染料，它能帮助检测覆盖率和凹痕分布的均匀度。这种白绿燃料在正常光照下是不显示的，必须在UV（黑）光下才可见。将这种燃料涂或浸涂、刷涂、喷涂在待验零件上。当涂层后的表面被强化丸料捶击后，会将上面的荧光弹性涂料清除掉。当零件在黑光下检查时，看到的被清除掉的面积就是实际强化覆盖率的面积。

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喷丸强化zt


喷丸强化是一个技术含量较高且较复杂的工艺，航空和汽车工业领域都有专门的标准规范和专家团队对其进行严格定义和检测。确保强化结果符合预设标准并能维持恒定一致的强化至关重要，而强化设备优劣的主要关键在于“操作的高度重复性”和“强化结果的一致性”，因为有太多流程变量会影响到最终的强化结果。了解这些影响因素，有利于我们选择合适的强化设备或在实际作业时的问题解决。



在过去几年里，很多家汽车零部件制造商找到维尔贝莱特，要求提供适宜的强化设备来加工他们的零件，以符合其客户或零件设计工程师制定的规格标准。该篇讨论旨在向我们的汽车零件客户解释强化设备是如何设计、建造以满足零件设计者所制定的强化要求。强化工艺并没有想象中那么困难和令人望而生畏，关键在于是否选对了强化设备。维尔贝莱特（集团）资深工程师Kumar Balan先生在接受全球知名的Shot Peener杂志专访时，揭开了强化设备设计的神秘面纱。



问: 设备是如何改变并控制丸流和工件的移动?

答：丸流的移动有几种方式。在一台自动气喷式强化设备中，喷嘴被固定在一个喷嘴机械手上，该机械手根据输入程序所设定的行走路线移动。对于离心力式的抛丸强化设备，则通过定向套的作用来调整丸流方向。



至于工件的移动则根据具体应用。如强化圆形或盘状零件，如离合片、齿轮，压缩盘等，通常是独立地安放爱一个旋转工作台上，工件边旋转边接受喷/抛丸强化。如处理的是长型零件和一些结构件，则可通过一个辊道输送系统。



问: 设备是否用这样的系统，即只有当喷嘴/抛头启动时，压缩空气或丸流才能启动?

答：我们所有的自动强化机器都设有零速开关控制环路，当控制中心侦测到喷嘴/抛头处于零速状态，即会锁住压缩空气或丸流介质。此外，一个独立的闭合环路，能取保将喷嘴移动情况同步反馈回“控制中心”，“控制中心”下达执行命令后，喷嘴才能新开始或重复一个操作循环。一个“电子眼”随时监视喷嘴和抛头的动向，确保强化作业准确无误。



问: 所有的流程监测系统和/或测量量具是如何做校对的?

答：我们德自动强化设备都设有电子或模数测量仪，监测并显示强化过程中的各种参数，如压力、流速等。这些测量仪出厂前都进行过严格校对，之后客户通常都不需要再做校对。除了量具外，操作员人机界面如触摸屏或PC显示屏都可以显示喷嘴位置、转台或辊道速度、丸流流速等。有些如流程控制阀、测试筛可每年做一次校对即可。



问:测量量具有测量范围的要求吗?

答：强化强度与喷丸压力直接相关。大多数的喷丸应用，其压力要求在90PSI（6.2Bar）之内，因此非常重要的是要确保您使用的量具量测范围至少可达100PSI。



问:如何实现介质质量控制?

答：丸料的尺寸、形状和均匀性对于强化非常之重要。不当的尺寸、形状，丸粒有大有小将直接影响强化效果，甚至起反作用，破坏零件表面。维尔贝莱特（集团）强化系统都设有振动丸料筛选器，对喷丸强化进行100%的介质尺寸筛分，对抛丸强化进行抽样晒肺。



问:强化设备是否都配有丸料回收系统，可实现连续介质筛分及循环回收?

答：所有喷丸强化设备的丸料回收都是连续的。并配有持续通风和除尘系统。



问:喷丸强化设备是否设有低压警报?

答：设计良好的喷丸强化系统内置闭环压力控制及反馈系统。操作员输入要求的压力值，机器工作后，压力传感器感测压力罐里的气压，并与输入的设定值进行比对。两个数值间的任何差异，系统的模数配比调节器会自动进行调节，确保压力罐的气压与设定值吻合。我们强化设备除了具有闭路回报系统外，还可设定时间带宽值。例如，系统设定的带宽为30秒，当压力不能维持预设值长达30秒之久，系统就会自动关闭。



问:在强化过程中，除压力外，如其他参数超出预设值系统是否会自动关闭?

答：如运行中系统探测到某项参数超出预设范围一定时间（即设定好的允许带宽时间），会自动关闭。



问:对每次自动关闭，系统是否会生产一份关闭原因的报告?

答：系统因工作参数超出预设范围而自动关闭后，会生成一个出错原因的报告，显示在“警报”屏幕上。





很多汽车制造商无论是对于自己工厂零部件生产或代工外协厂商都会设立自己的强化标准，特别是那些长期处于交变应力作用下的关键零件，如弹簧、齿轮、扭杆、连杆、离合片、凸轮轴等的强化都有一套明确、详尽且必须符合的标准。标准中最关键的2项项目即强度和覆盖率，操作中有很多因素会影响这两个结果，包括丸料的尺寸、硬度、喷嘴尺寸、与工件距离、喷射角度、压力，喷丸时间和丸流速度等。零件设计工程师会根据设计的零件性能，定义应取得的强化强度、使用丸料和覆盖率。强化与清理，区别在哪里，简单地说“没有量化的强化就不是强化，如果清理是艺术，强化就是科学。”

小学弟

高见，学习了。