曲轴加工过程中的强化技术

作者：维尔贝莱特（集团） Kumar Balan    来源：AI《汽车制造业》

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 抛丸强化技术的应用可有效改善和提高汽车关键部件的抗疲劳寿命和耐腐蚀性能。目前，全球很多著名的汽车整车厂商和零部件制造商都已将强化列入标准的生产工艺流程中，同时，强化设备也与其他制造设备一样形成了完整的现代制造流水线。 随着抛丸强化技术的不断发展，其在汽车制造领域用于改善和提高汽车关键部件的抗疲劳寿命越来越成为人们关注的重点，并且在轿车、卡车、摩托车等设计的最初就对其进行了充分考虑和重视。目前，大部分发动机零件的设计中都会有喷/抛丸强化技术和工艺的应用，包括：曲轴 (去氧化皮和强化)、连杆(强化)、传动齿轮和其他轴类零件，齿圈、活塞，太阳齿和行星齿以及板簧和圆簧等。大量的汽车零部件，无论是铸/锻件、压铸件，还是机械切削件、焊接件都需要利用不同类型的喷/抛设备进行表面处理，如去除氧化皮，去毛刺、清砂和清理其他表面杂质。 有确凿的数据证明：通过喷丸强化，能让板簧的抗疲劳寿命延长600%，传动齿轮的抗疲劳寿命延长1500%，曲轴的抗疲劳寿命延长900%。有效提高零部件的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，对其使用寿命和使用安全性具有重大的意义。依靠喷丸强化技术，零件可设计地更轻巧，一些原来因工艺规格要求不得不使用昂贵材质的零件现在也可替换使用低价格材料，通过喷丸强化工艺能够达到同等甚至更好的性能标准。 曲轴制造流程中的抛丸清理 作为制造流程的一个环节，热处理过的曲轴需要经由抛丸清理来去除表面的热氧化皮。曲轴被置于旋转辊轮上，在滚动时，曲轴所有表面被充分曝露在多个抛头抛射出的丸流下，多角度的丸粒冲击使曲轴的外表面得到彻底清理。 曲轴的尺寸决定了选用抛丸机的类型。对于大的发动机，曲轴尺寸可能大到φ762mm、长6096mm, 曲轴被置放于安装在台车上的一组滚轮间。有几种工作方式，客户可以根据自己厂房车间的实际情况选择固定抛头，既可让台车在抛头下移动，也可固定台车，移动上方的抛头。无论选择哪种方式，安放在滚轮间的曲轴都是不停地旋转，使其各表面都接受充分地抛丸清理。 小一些的曲轴，如φ152～203mm、长914mm，通常是利用旋吊式抛丸机进行抛丸清理。曲轴被悬挂在一个吊钩上，然后经悬链的转动被送入安装有多个抛头的抛丸室，进行抛丸清理。吊钩在抛丸室里旋转，让工件充分曝露在高速丸流下，边旋转边通过。其清理速度可达到250件/h，且清理效果非常好。 虽然对流程控制的要求不如强化那么严苛，但现代的曲轴抛丸清理设备也通过对流程参数的监控来保证清理质量。 曲轴的强化 由于曲轴在交变应力作用下工作，其轴颈面变化转接圆角处发生应力疲劳和应变破坏的危险性极大。目前，通过喷丸强化来改变曲轴抗疲劳性能已在大范围内得到普遍应用，且效果令人满意。 传统滚压工艺的缺陷是，由于受曲轴加工工艺性的限制，各轴颈圆角很难与滚轮相吻合，往往造成圆角的啃切现象，而且滚压后的曲轴变形较大，效果不佳。喷丸强化的机理是利用严格控制直径并具有一定强度的丸粒，在高速气流作用下，形成弹丸流并连续向曲轴金属表面喷射，就像用无数个小锤进行锤击，使曲轴表面产生极为强烈的塑性变形，形成冷作硬化层。简而言之，由于曲轴在加工中受各种机械切削力的作用，其表面特别是曲轴截面变化转接圆角处的应力分布极不均匀，工作中又受交变应力作用，很容易产生应力腐蚀而使曲轴的疲劳寿命降低。而喷丸强化工艺是通过引入一个预压应力来抵消零件在以后工作周期会受到的拉应力，从而提高工件抗疲劳性能和安全使用寿命。 对于喷丸强化过程，有两个最关键的参数。一个是应力强度，这通常是采用“阿尔门试片”进行强度检测。多个试片固定在曲轴的不同表面，特别是应力最集中的曲轴截面变化转接圆角处，一同进行喷丸，试片上产生的压应力影响导致试片弓曲。曲率的扩大变化与丸料冲击的能量成比例。另一个确定喷丸质量的主要参数是覆盖率，这主要是指强化后表面弹坑占据的面积与总强化表面的比值，该参数由曲轴的设计工程师来定义，通常要求是在100%～200%，有些曲轴应用可能要求覆盖率高于200%。 根据曲轴的硬度和理想的导入压应力强度，通常曲轴喷丸强化使用的丸粒硬度在50～55 HRC，大小在S 280～S 330 (0.7 mm～0.84 mm)。这样产生在“阿尔门试片”上的强度范围约在0.008～0.010 C (0.025 on the A scale)。相较于抛丸清理，喷丸强化的工艺参数监控更为严苛。就曲轴强化应用而言，需要监控的参数包括:喷丸速度、喷丸强度、丸粒直径、喷丸的距离、强化的时间及覆盖率。这些参数中任意一个的变化，都会不同程度地影响曲轴表面强化的效果。 正确应用可控的喷丸强化技术，能使曲轴和其它在高载荷条件下工作的零件的疲劳强度得到大幅提高，从而大大延长零件的抗疲劳寿命。先进、精密的带电脑程控技术的喷丸设备能够对喷丸流程进行严密监控，以确保喷丸质量的恒定性和可重复性。目前，全球很多著名的汽车整车厂商和零部件制造商都已将强化列入标准的生产工艺流程中，强化设备也与其他制造设备一样形成了完整的现代制造流水线。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/17/2007)