超声波喷丸:超声波喷丸强化技术的发展
发布日期:2021/7/26 9:46:34

引言

就提髙金属抗疲劳能力而言应用较多而且比较有效的办法是进行喷丸强化处理。喷丸处理属冷加工表面强化处理工艺,是利用球形弹丸高速撞击金属工件表面,使之产生塑性变形,形成残余压应力层,并使表面形变强化,从而提高金属抗疲劳的能力(如图1示)。传统的喷丸强化方式所使用的动力源决定了自身缺陷难以克服,科硏人员们开始分析以其它能量作为喷丸动力源,而随着超声波技术的发展,使超声波能转换为机械振动能作为喷丸强化的动力源成为可能,超声喷丸技术是一种新的零部件强化的工艺手段,不仅可以克服传统喷丸的不足,而且强化效果优于传统喷丸。由于其工艺过程和强化机理都与传统喷丸类似,因此这种新技术称超声喷丸技术。

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1、基本原理

超声波喷丸强化技术原理如图8所示,超声波发生器发出20kHz左右的髙频电振动信号由压电晶体传感器接收并转换为髙频机械振动,变幅杄将机楲振动幅值放大并传给振动工具头,喷丸室内放置待处理工件和弹丸,丸粒在振动工具头的冲击下以一定的速度向工件运动,同时丸粒之间发生相互撞击,使丸粒的运动方向和速度随机分布,从而使工件表面获得均匀处理。

2、技术特点

超声喷丸强化技术的优点主要体现在以下几个方面:

(1)超声喷丸产生的残余压应力值要优于传统喷丸。喷丸提髙零件疲劳强度主要依靠残余压应力,残余压应力值和压应力层深度是表征喷丸强化效果的主要因素,通常喷丸产生的残余压应力值越大和应力层越深则受喷件的疲劳强度越髙。图9显示试件在经气动式喷丸和超声喷丸后沿深度方向残余应力分布,试件材质为合金结构钢40CrNiMoA,丸粒选择前者为圆钢丝切丸,后者为轴承钢丸和钨碳钢丸。根据应力分布曲线可明显观察到,超声喷丸产生的表面残余应力和最大残余应力值都要大于传统喷丸。另外超声喷丸过程中使用的丸粒硬度值越高产生的残余应力分布状况越好。

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(2)超声喷丸强化工件表面粗糙度好。工件在传统的喷丸设备上进行强力喷丸时,采用的丸粒尺寸通常较小,而喷射速度高,并且工艺过程中伴随丸粒自身的破碎,这些都导致工件表面的粗糙度较大,而较大的零件表面粗糙度又容易引起疲劳破坏、应力腐蚀等,最终使喷丸强化效果大幅降低。超声喷丸设备使用的丸粒与传统方式不同,喷射介质除传统形状的丸粒外还有两端为不同曲率半径的喷针。丸粒材质一般选用硬度较高的钨碳钢或轴承钢等,丸粒的尺寸稍大,丸粒的圆度和表面光洁度要求也更高。在喷丸室内丸粒的速度方向随机,而且速度要小于传统丸粒,这些因素都使喷丸处理后的工件表面粗糙度值下降。

(3)超声喷丸设备体积小,耗能低。传统的喷丸强化应用较多的就是气动喷丸设备,由于附属设备体积大,使总体积庞大,一般要安装在专门的喷丸室内,这就増加了工厂内生产过程中的物流成本,而压缩空气和丸粒能量转换率低也使工艺过程耗能高。超声喷丸设备由于采用超声波能做动力源,实现了设备结构简单而紧凑,降低了工作能耗,图10是超声喷丸设备外观,可以看到其体积与普通机床相同,完全可以布置在车间生产线线,节约空间,减少物流成本。

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(4)工作现场无环境污染。目前喷丸应用较多的是干式喷丸法,由于丸粒的大量破碎,工作现场粉尘污染严重,严重影响了工作人员的身体健康,这一缺陷一直是困扰喷丸设备使用者的主要问题。而超声喷丸设备在工作过程中,丸粒用量少,而且丸粒破碎率极低,通常在喷丸过程中,丸粒自身也在得到强化,喷丸室在工作过程中是处于封闭状态,从而实现了绿色喷丸强化,改善喷丸工作现场环境。

(5)丸粒用量少,可多次循环利用,工艺参数少,容易控制。传统喷丸设备更换丸粒需要30min左右的时间,而超声喷丸设备只需要五分钟,而且设备无需丸粒分离装置。在超声喷丸强化过程中涉及的参数有处理时间、丸粒量头振幅、工件移动或转动速度,受控因素少且进行可以精确控制。

3、结论

 超声波冲击技术己经是成熟的技术,在焊接结构的处理方面其方便、快捷、低功耗以及良好的处理效果是其它现有技术无法比拟的,我国虽然已经有厂家生产超声波设备,但在超声波冲击技术应用方面还未能完全推广开来,以后的工作应该更着重于对此项技术的推广,提高我国在超声焊后处理技术上的应用水平。

目前在表面处理领域法国 sonata公司是唯一拥声波喷丸强化这一原创性技术的企业。我国在这方面的技术研究以及应用均属空白,我国应该尽早加强这一领域的技术研究,以加强我国金属强化领域的技术水平。此外对超声喷丸强化技术的机理分析也没有开展,超声喷丸与传统的喷丸机理相似,但加工过程的参数选择等有其自身的特点,需用进行详细的理论分析以确定工艺过程各参数相关性,从而为技术应用做理论支撑。超声喷丸过程中各参数对强化结果的影响也是需要进一步探讨的问题。


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