特殊强化喷丸工艺在高应力弹簧和稳定杆上的应用201206

特殊强化喷丸工艺在高应力弹簧和稳定杆上的应用

 特殊强化喷丸工艺在高应力弹簧和稳定杆上的应用 

上海中国弹簧制造有限公司  张  俊  

摘要 

    本文旨在根据喷丸强化的机理，在制造工艺过程中通过应用各种不同的喷丸方式以及组合方式，以最高效率达到最佳的残余应力数值和分布，从而达到高应力弹簧和稳定杆具有更高的抗疲劳性能及耐久可靠性。 

前言 

当前在弹簧和稳定杆的设计开发中，特别在汽车零部件弹簧产品制造工业中， 为了更好地体现节能减排而对弹簧产品实施更高要求的轻量化。 在弹簧和稳定杆轻量化设计中主要的手段是消除应力集中的等应力分布设计，充分发挥材料强度潜能；采用更多的、更高的强化工艺，以增强产品的抗疲劳能力；采用更好的表面保护技术来维护产品性能而不受外界的破坏和侵蚀等等。 

在众多的强化工艺中，喷丸强化工艺技术以其高效能、易实施性等特点而得到广泛的开发和应用。 本文根据当前在国际先进弹簧制造行业中在实施轻量化设计产品的制造工艺中，各种比较特殊喷丸强化工艺已得到广泛应用，主要有：组合喷丸强化工艺、热喷丸强化工艺、应力喷丸强化工艺、特殊区域喷丸工艺、特殊组合喷丸强化工艺等等。不同的产品采用不同的最佳强化喷丸工艺，达到理想的残余应力的大小和分布，从而有效提高轻量化产品的抗疲劳性能和耐久性能的可靠度。 一、

喷丸强化的基本机理  

弹簧和稳定杆的喷丸强化基本机理早已为大众知晓，即主要在其受载荷的工作应力区域产生一个有益的残余压应力场，抵消或部分抵消了负荷应力，提高裂纹的萌生值、降低应力集中效应，提高裂纹扩展阻力，从而显著提高循环负荷特征的疲劳寿命。 

喷丸强化效果与零件的负荷应力方式以及产生的残余应力大小和分布等相

特殊强化喷丸工艺在高应力弹簧和稳定杆上的应用

关。喷丸工艺决定着残余应力场的物理特征。所以在弹簧行业中众多喷丸技术工程师进行了相关深入的研究，从而衍生出了众多的喷丸工艺技术，包括了组合喷丸强化工艺、热喷丸强化工艺、应力喷丸强化工艺、特殊区域喷丸工艺、特殊组合喷丸强化工艺等等。 二、

常见的喷丸工艺及效果 

1. 常规组合喷丸工艺 

在此所指的是常规设备和环境下使用的喷丸工艺，采用不同工艺参数，进行二次或二次以上（一般不用）的喷丸道序，来获得针对产品特点的理想的残余应力场。在工厂喷丸工序实施中，为提高生产效率，一般采用更高的丸粒流量（视设备而定，喷头驱动电机，现在≥27KW以上）、更高的喷丸速度（≥75m/s），更大的丸粒直径(≥0 .7mm)，通常造成单次喷丸工艺中残余应力分布的峰值分布明显，但单次喷丸不足之处是表面残余应力值下降和表面粗糙度上升, 见图1， 一次喷丸得到的残余应力峰值越大，深度越深时其其表面的残余应力越小。而常规的组合喷丸工艺可以弥补其不足，通过第二次喷丸，以较小的圆形丸粒和较小的喷丸能量传递，使工件的表面粗糙度大大减低，使表面的残余压应力值升高，见图2。 

图1 单次喷丸残余应力 

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图2 二次常规喷丸 2. 热喷丸工艺 

热喷丸工艺主要应用于高强度钢丝冷成形弹簧，近来也有人应用于热成形弹簧和稳定杆喷丸工艺。热喷丸可以获得较高的残余压应力峰值和深度。见图3. 但其工艺要求温度及喷丸参数控制要求较高，并且设备要求防火防爆及降温装置。鉴于热喷丸的高效率目前应用越来越广泛。 

特殊强化喷丸工艺在高应力弹簧和稳定杆上的应用

图3 单次热喷丸残余应力 3． 应力喷丸工艺 

    应力喷丸工艺是一个传统的强化喷丸工艺，但最近在乘用车悬架弹簧上，随着偏心力弹簧（C型、S型弹簧），和紧凑型弹簧的大量应用，要保证其全面和均匀的覆盖率，其工艺实施越来越困难。国际上也是少数专业弹簧厂家应用应力喷丸。应力喷丸的效果是非常好的，见图4。 

图4 单次应力喷丸残余应力 4．特殊区域喷丸工艺 

特殊区域喷丸工艺主要根据不同的产品特点，对产品的关键部位进行有效的喷丸强化，节省工时和成本但有效地实施喷丸强化效果。特别是有些形状特殊弹簧和稳定杆，需要特殊区域强化喷丸。如稳定杆内壁喷丸等等。 

空心稳定杆区域工作应力分布，见图5；空心稳定杆内外壁工作应力分析，见图6.； 空心稳定杆内壁喷丸示意图，见图7；空心稳定杆内壁喷丸残余应力，见图8；空心稳定杆外壁喷丸残余应力，见图9。 

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图5.高应力稳定杆总成工作应力分析 

图6. 空心稳定杆内外壁工作应力分析 

图7. 空心稳定杆内壁喷丸（多种喷丸方式之一） 

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图8. 稳定杆内壁喷丸残余应力 

00‐100‐200‐300‐400‐500‐600‐700‐800

应力值…21

50

101

152

206

305

图9. 稳定杆外壁喷丸残余应力  

5．特殊组合喷丸强化工艺 

特殊组合喷丸强化工艺的采用是根据不同产品的特点所定的，有的产品其轻量化程度很高，设计应力相当高，势必要求强化工艺的效果，从而要求获得更高的残余应力峰值和深度，表面具有更高的残余压应力，更好的表面组织结构和光洁度。组合喷丸强化工艺的应用和效果在文献[1]中已有描述，其强化工艺优越性不可替代，在高品质弹簧和稳定杆生产厂家已得到深入的研究和应用。图10是各种特殊组合喷丸强化工艺的研究测试结果，这类工艺的开发对产品的疲劳性

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能有了极大的提高，在弹簧行业已获得越来越广泛的注意和重视。 

图10. 各种组合喷丸工艺的残余应力 

三、 结论 

1． 在弹簧和稳定感杆制造行业中喷丸强化工艺因其效果明显、效率高而得到广泛应用。其主要手段是通过喷丸工艺技术获得针对产品的最佳残余应力，从而获得高的抗疲劳性能和可靠性。 

2． 喷丸工艺的设计需要根据产品的工作应力特点和产品形状等因素而定，在获得最佳残余应力的前提下，必须考虑工艺的可实现性、操作性以及生产效率。 3． 组合喷丸可以获得最佳的残余应力，对组合喷丸的深入优化可以实现最佳的强化喷丸工艺方案，以最低成本获得最佳的工艺效果。  参考文献： 

[1] 《汽车用偏心力悬架弹簧应力喷丸的效果分析》    张俊，王建，戚文 

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0bd4.html