弹簧强化抛丸机对弹簧的强化效果分析

弹簧强化抛丸机对弹簧的强化效果分析弹簧是机车车辆的重要零件之一,绝大部分用来承受车辆上部的重量或起缓冲作用。为提高弹簧的质量,延长其使用寿命,在弹簧的材料及抛丸强化工艺方面,普华重工开展了不少的研究试验工作,并取得了一些成效。现就这方面的问题作一简要介绍。

弹簧强化抛丸机：

原理：

弹簧强化抛丸机采用对辊输送，依靠拨片将弹簧依次推进，如下图：

（弹簧强化抛丸机示意图）

一、弹簧的材料及其选用为了延长弹簧的使用寿命,使之起到应有的作用,弹簧材料必须具有高的屈服强度和高的疲劳极限;表面必须光滑。表面状态很重要,因为弹簧在反复载荷作用下,多数是由于表面缺陷发展而折损的。图1示出了相对于某一强度极限下材料的疲劳极限与表面状况之间的关系。

图1相对于某一强度极限下材料的疲劳极限与表面状况之间的关系

1.表面磨光,

2.表面用砂轮磨光,

3.表面粗加工,

4.表面有刀痕

5.表面札制;

6.在水内腐蚀过的表

面,7.在盐水内腐蚀过的表面

由图1可以看出,材料疲劳强度极限随着表面状态的恶化而显著降低。所以,弹簧制造厂从原材料的选择到弹簧热处理完毕,都必须注意表面质量问题。为此,在有关弹簧或弹簧钢技术条件中都严格规定表面不得有裂纹、结疤,夹杂和机械损伤等缺陷。由于弹簧的类型较多,工作情况复杂，因此,必须根据各种因素正确选用弹簧的材料。

(1)应考虑弹簧钢的淬透性及其标准截面在选用弹簧材料时,应考虑到钢材热处理时所能淬透的尺寸(见表1)

根据“普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列”国家标准的规定,材料的直径d应符合表2和表3的规定。对于机车车辆板弹簧材料,一般选用硅锰钢即可在油中淬透,满足了机车车辆板弹赞设计与使用要求。

表1

表2第一系列mm

表3第二系列mm

注：括号内的尺寸只限于已经采用的老产品。

(2)应考虑工作应力

工作应力与载荷的形式(静载荷或动载荷)、要求的使用寿命和折损的后果以及其他工作条件(如温度、腐蚀等)有关。对于要求具有耐腐蚀性、防磁性和良好导电性的弹赞,可选用铜合金、不锈钢等材料来制造,受静载荷及有限作用次数的变载荷的弹黄,选用碳素弹簧钢、65Mn、65SiZMnWA60SiZMnA、铬钒弹簧钢等材料来制造;受动载荷(变载荷和冲击载荷)的弹簧和重要的弹簧,可选用特殊用途的碳素弹簧钢、50CrVA和被青铜等线材来制造。表4列出了国外弹簧的钢种及其化学成份。我国铁路机车车辆弹簧用5SiZMn钢,即属于其中的钢种5,6osiZMnNIJ相当于表中的钢种6,只是硅和锰的含量略有不同。

表4国外弹簧钢钢种及化学成分

注：表中的钢种代号参见国际标准ISO

在各种温度条件下使用的弹簧,应根据其工作温度选择弹簧材料。因为随着工作温度的升高,弹簧材料的强度、硬度和疲劳极限都会有不同程度的降低。对切变模量G值,国家标准或部标准都是在常温下规定的。当工作温度超过60℃时,应对G值进行修正,其公式为:

GL二Kt·G

式中,G一一常温下的切变模量

Gl一一工作温度下的切变模量

Kt一一温度修正系数,

其值按表5选取。

表5

注表内各温度之间的kt值用插入法求出。

(3)应考虑材料的经济性及其来源

在满足使用要求的情况下,应考虑弹簧材料的合理性和经济性,并且要符台我国资源情况,使生产出的弹簧成本低而且质量好。使用轧制钢材制成的弹簧,在轧制成钢坯前,对钢锭表面的缺陷,可用机加工或火焰方法加以清除。对轧制钢材表面出现的裂纹,也应用磨光的方法加以去除。此外,在轧制弹簧钢材时,表面由于加热的关系,常会形成一层脱碳层,影响弹簧的疲劳寿命。所以在弹簧技术标准中,脱碳层必须限制在一定的范围内。采用抛丸处理,可以改善表面

轻微脱碳的弹簧的疲劳寿命,甚至能超过未经抛丸处理的不脱碳的弹簧或接近经过抛丸处理的不脱碳的弹簧的疲劳寿命。

二、弹簧的抛丸强化处理

弹簧从原材料轧制到热处理完毕,由于多次加热,表面会存在脱碳层,致使降低弹簧的疲劳极限。抛丸处理(也称喷丸处理)可以减少其有害的影响。弹簧经抛丸强化处理后,在表层会形成残余压应力。

图2是板弹簧经过抛丸处理后的残余应力分布图。由于残余压应力的存在,因而可以抵销弹簧表面工作时的拉应力,从而显著提高其疲劳强度.延长其使用寿命,如表6所示。

图2经抛丸处理后板弹簧内残余应力的分布情况

表6抛丸处理对不同表面状态的结果

注：弹丸直径0.4-0.6mm，转子直径500毫米；转子速度2250转/分；弹丸量100-12公

斤、分钟；平板试样。

表6表明，如果弹簧表面有脱破层存在,经过抛丸处理后,仍能提高其疲劳强度,有脱碳层的试样,经过抛丸处理,其疲劳强度大于没有脱碳层但未经抛丸处理的试样。抛丸消除了脱碳对疲劳强度的损害。因此,弹簧制造工厂应积极创造条件,广泛采用抛丸强化工艺。目前,对机车车辆弹簧的抛丸处理,巳纳入铁道部标准。一般抛丸所能形成的最大残余压应力,板弹簧约为5~65公斤力/毫米戈。应力抛丸可显著提高残余应力,它能使最大残余压应力达到110公斤力/毫米2以上。表7说明在应力状态下抛丸的效果

表7应力抛丸的效果

注：试样用55si2mn钢，表面状态为原材料表面。试样经淬火回火至HRC40后进行弯曲，使其表面产生80-90公斤/毫米²的应力时进行抛丸处理。

1.弹丸的类型

用于抛丸处理的弹丸,要求它比被处理的弹簧更硬而坚韧。一般用铸铁丸、钢丸和切割钢丝丸。铸铁丸价格便宜,但易破碎,破碎的弹丸易使弹簧表面产生缺陷,所以在使用上受到限制。国外有用含镍及铬的铸铁丸。

钢丸目前应用比较普遍,虽然它的价格比铸铁丸稍高,但不易破裂,使用寿命较长,产生的粉末少,不易形成有害的碎粒。钢丝丸比钢丸更贵些,一般由冷拉钢丝割而成。由于钢丝冷拉后具有较高的抗拉强度,所以切割钢丝丸十分坚硬和坚韧。刚切割的钢丝丸有非常尖锐的棱边,不