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第三十二期 抛丸工艺及抛丸机本体结构对弹簧疲劳寿命的影响研究
发布时间:2021/8/3 13:20:03

引言

本文介绍了喷丸优化研究的初步结果,该研究的最终目的是改进喷丸工艺和板簧的耐久性。该项目尚未完成,但已经有了宝贵的经验教训,本文将重点介绍这些经验教训。

板簧材料为AISI 5160钢,名义上为1%Cr,0.6%C钢,通常用于弹簧。在喷丸前的制造过程中,对钢进行淬火和回火,以达到380-420 BHN范围内的硬度。按照制造商的惯例,弹簧片张紧面的喷丸处理是制造顺序的最后一步。作为质量控制措施,制造商的做法是对从生产运行中取样的单批板簧进行疲劳寿命试验。本研究的基本动机是确定影响疲劳寿命结果的因素,并着眼于可能提高弹簧性能的潜在工艺改进。这完全是由制造商主动提出的,因为没有任何产品线出现现场故障问题的报告迹象。

现有喷丸工艺的特征

抛丸机以6-7C的阿尔门强度,使用中等硬度S390铸钢丸,对弹簧片的张紧面进行喷丸处理,达到喷丸设备一次循环所达到的最小完全(100%)覆盖率。根据作者的观察,阿尔门饱和是在第一次循环内达到。多次喷丸后,未观察到阿尔门弧高度增加。通过使用10倍放大镜进行现场直接观察/检查,并随后通过更大放大倍数的显微镜观察进行验证,在一个过程中,弹簧叶片也实现了完全覆盖。抛丸速度和传送带速度不可变,因此,在该过程中是固定的。

制造商既没有用于控制弹丸尺寸的筛选器,也没有用于控制弹丸形状的螺旋滑块等设备。弹丸维护实践仅包括每隔一段时间添加新弹丸,以补偿喷丸过程中弹丸的破碎损失。从过程弹丸的外观可以明显看出,缺乏弹丸维护,这可以通过肉眼观察到的颗粒大小和形状的变化来证明。根据AMS-S-13165的要求,通过标准筛RoTap测试和显微镜分析,来确定制造商现场使用的以及现有新弹丸的颗粒大小分布。

下表列出了使用中及新弹丸的RoTap筛选结果。结果与AMS-S-13165要求之间的差异以红色突出显示。可以看出,新弹丸的尺寸分布符合要求,14目筛网上保留的粗颗粒数量略多。另外,尺寸分布在要求范围内。另一方面,过程弹丸显示出明显的细弹丸颗粒偏差。代表性弹丸样品的照片(放大10倍)如图1的插图所示。

不仅过程弹丸中存在过多的细颗粒,其中很大一部分显然是颗粒破裂的结果。如前所述,新弹丸中有可接受数量的差异颗粒,而过程弹丸中有过多数量的差异颗粒。从这一证据中很容易推断出,由于缺乏筛选器和/或形状控制装置,使得差异弹丸和劣化弹丸得以保留,在工艺中继续使用。

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用过程弹丸喷丸后的样品表面纹理比使用新弹丸喷丸后的样品表面纹理更不规则。新弹丸喷丸表面比过程弹丸喷丸表面具有更多规则形状和光滑的冲击压痕。表面纹理的差异很容易被解释为是由于插图中突出显示的颗粒尺寸分布和差异颗粒数量的不同造成的。不仅表面外观不同,疲劳试验后,使用过程弹丸喷丸的样品在主断口附近有许多二次裂纹(图1中的红色箭头)。经新弹丸喷丸处理的样品除主疲劳裂纹外,无其他裂纹。对于采用新弹丸喷丸的样品,疲劳寿命也有大约50%的差异。大量二次疲劳裂纹通常表示存在相对较高的循环应力或表面损伤。从逻辑上讲,在本案例中,这是过程弹丸的表面损伤问题,因为新弹丸在喷丸后不会产生二次裂纹。两个样品在相同的负载条件下进行测试。

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图1:过程弹丸(左)和新弹丸(右)喷丸后的表面。插图显示弹丸样品。红点表示形状不同的颗粒。

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图2:喷丸表面的微重叠和微裂纹(左SEM照片)以及与微裂纹相关的疲劳起源(右SEM照片)

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图3:金相截面图,显示喷丸表面微重叠(左图)和微裂纹(右图)产生的疲劳裂纹

通过疲劳起源区域的扫描电子显微镜观察和金相切片揭示了过程弹丸喷丸后的表面损伤的进一步证据。如图2和图3所示,疲劳起源与喷丸表面上的微重叠和微裂纹有关。在使用新弹丸喷丸的样品表面上产生的疲劳裂纹未显示出与类似缺陷相关的证据。下一节将进一步讨论疲劳行为。

维护不佳的过程弹丸会降低疲劳寿命的其他证据体现在表面层中产生的残余应力上。图4显示了通过X射线衍射分析从过程弹丸及新弹丸喷丸后的样品中获得的残余应力深度分布。很容易看出,过程弹丸喷丸后的样品表面和近表面的压应力大小远小于新弹丸喷丸后的样品,深度约为表面下0.015英寸。

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由于峰值宽度-深度分布的相似性,推断过程弹丸中较大尺寸的颗粒在产生深层残余应力方面占主导地位,而较细和变形的颗粒在诱发表面损伤方面占主导地位,导致疲劳寿命降低。

疲劳寿命分析

作者分析了弹簧制造商2006年和2007年迄今为止的所有疲劳寿命结果。如前所述,作者对2006年的一些样品进行了检查,发现在使用维护较差弹丸与新弹丸喷丸后的样品中,存在更多表面微重叠和其他喷丸表面损伤的证据。由此推断,用过程弹丸喷丸后的样品中,表面损伤的发生率较高,这是观察到的较低疲劳寿命的原因。此外,作者怀疑喷丸强度和覆盖率过大也可能导致低疲劳寿命。因此,在外部源下以较低强度(12A)和受控覆盖率对一些样品进行喷丸处理。这些样本的寿命结果确实比2006年样本的寿命结果要大,但改善的幅度却小得令人失望。更令人失望的是,2007年喷丸和测试的样品显示出比在良好控制条件下喷丸的样品稍长的疲劳寿命。

从可用疲劳寿命结果的观察有助于解释在其他方面难以合理化和令人失望的疲劳结果。样品之间的硬度存在差异,这些差异导致寿命不同,如图5所示的趋势所示。随着硬度的增加,观察到的寿命更长。这种趋势只能部分解释样品之间的寿命差异;然而,这种影响对基于表面条件差异的结果解释产生了混淆影响。

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可以对结果进行基于硬度的归一化,以改进寿命比较;然而,这被认为是徒劳的,因为存在更大的混淆影响。这不是那么容易解决的。当前调查中的样品在相当高的应力水平下进行了测试,因此,寿命差异在正常疲劳分散的“泥浆”中被掩盖,至少是疲劳寿命的两倍或更多。图6所示板簧的历史疲劳S-N曲线(参见对图标题中的参考)用于说明这种影响。作者在此图上放置了红色虚线圆圈,以表示当前调查的测试结果。可以看出,当前结果的区域在于S-N行为的收敛区域。由此得出的一个非常重要的推论是,除非测试了统计上大量的样品,否则通常预期的疲劳寿命分散(系数2-5)不可能允许在表面处理之间进行区分。

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当然,目前测试的每种情况下的一两个样品并不代表统计上的大量数据。另一种测试方法是在较低的应力水平下进行测试,在较低的应力水平下,疲劳寿命的较大差异可能会导致表面处理之间的差异。在本次调查范围内,无论是对大量样品进行测试,还是在低得多的应力水平下进行测试,在经济上都不可行。

试验装置的固定循环试验频率为0.5 Hz。因此,测试(包括设置)的典型持续时间约为一天。无论是在这段时间内进行大量此类试验,还是在较低的压力水平下进行试验,以获得十倍的寿命,都被认为在经济上不可行。因此,放弃了试图通过疲劳寿命试验结果来优化喷丸参数的想法。可能采用样品测试而非组件测试方法,但在调查的限制范围内,这在经济上也是不可行的。

喷丸参数研究

进一步研究了喷丸强度、覆盖率和弹丸尺寸对板簧材料压缩残余应力大小和表面粗糙度的影响。下表显示了所选参数的组合和值。

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表面粗糙度数据汇总在图7中,该图为所用各种强度和弹丸尺寸的表面粗糙度与覆盖率的曲线图。数据显示,对于给定强度和弹丸尺寸(即,表面粗糙度),随着覆盖率的增加,覆盖率从80%增加到100%到200%,表面粗糙度通常会出现轻微下降的趋势。显然,许多位置不断增加的重复撞击次数有助于“压平”表面细节,尽管对粗糙度的影响被认为是适度的。在给定强度下,弹丸尺寸对粗糙度的影响与预期相反。对于给定的强度,根据物理要求,较小的颗粒必须产生较深的压痕,才能与较大的颗粒产生相同的强度,从而产生相同的效果,因此从逻辑上讲,可以期望更大的粗糙度。黄色和深蓝色曲线(代表几乎相同强度(9.6和10.4A))的位置之间的比较表明,较小的弹丸(S330)产生的表面比较大的弹丸(S460)产生的表面更平滑。同样,代表几乎相同强度(5.6和5.9C)的亮蓝色和紫色曲线的比较再次表明,较小的弹丸(S330)比较大的弹丸(S550)产生的粗糙度小得多。奇怪的是,与较大或较小的弹丸(某些情况下为混合弹丸)相比,强度相当(6.5C)的中等大小弹丸(S460)产生的粗糙度更低。不论弹丸大小,强度的影响也是参差不齐。在这里,也许并不奇怪,对于较大强度之一(5.9C,紫色曲线),经历了最大粗糙度,然而令人惊讶的是,中等强度(13A,棕色曲线)的粗糙度最小。作者向读者保证,此处展示的喷丸试验是在计算机监控和控制条件下非常仔细地进行的,并得到了适当的阿尔门饱和度和覆盖率测定以及纯弹丸的支持。

在大多数情况下,喷丸产生的表面残余应力的大小比表面粗糙度更重要,或者,如果必须降低粗糙度,可能需要少量去除喷丸后的金属。事实上,这种材料去除也可能去除喷丸引起的微重叠,并提高疲劳性能。因此,如果要在残余应力与粗糙度之间进行选择,则应选择产生最大残余应力的喷丸处理,然后在必要时依靠适当的喷丸后表面处理来实现所需的表面光洁度。如图8总结了由喷丸试验产生的表面残余应力。

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虽然并非在所有情况下都清晰可见,但较低强度的喷丸有利于获得较大的表面残余应力。有趣的是,使用参数,13A强度和S550弹丸进行喷丸时,残余应力的大小最佳,这也产生了最低的表面粗糙度。弹丸尺寸的影响通常是混合的,而几乎所有情况下的覆盖效果都显示出随着覆盖率的增加,残余应力大小有适度的改善趋势。

摘要和建议

这项研究表明,通过原始工艺喷丸的板簧的疲劳试验寿命主要由喷丸缺陷(即微重叠和微裂纹)引起的疲劳裂纹萌生决定。这些缺陷主要是由于使用维护较差的弹丸进行喷丸,该弹丸含有大量破碎和亚尺寸颗粒。制造商的疲劳寿命结果似乎受到材料硬度的影响,因此正常生产范围内的硬度越大,疲劳寿命越长。此外,有关板簧疲劳的历史数据还表明,疲劳试验制度处于一个无法很好区分过程对疲劳寿命影响的水平。经济因素阻止了后一个问题的纠正,并且还没有进行进一步的疲劳测试。进行了额外的喷丸试验以研究弹丸尺寸、喷丸强度和覆盖率对表面粗糙度和表面残余应力的影响。结果表明,所研究范围内的中等强度,以及在所研究的范围内更大的覆盖率更有利于粗糙度和残余应力大小,尽管覆盖率的影响不大。弹丸尺寸对所研究范围的影响是混合的。

根据本次研究结果向板簧制造商提出的工艺改进建议如下:

• 获得用于弹丸维护的在线筛分功能,或切换到不锈钢丝切丸以大大减少弹丸颗粒破损。

• 将喷丸强度从 6-7C 稍微降低到 12-14A。这也应该有助于减少弹丸破损。

• 更改弹丸流速和/或传送带速度以确保覆盖率在 100-200% 范围内。

板簧制造商实施了多项更改,包括使用不锈钢丝切丸,将平均弹簧硬度提高,并在抛头上添加速度控制器。随着时间的推移进一步疲劳测试有望证明寿命益处。