第七章-表面形变强化

挤压棒挤压强化装置
旋压挤压强化装置
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喷丸与滚压、孔挤压过程中， 在机械力作用下工件表面产生塑 性变形，引起加工硬化，使表面 硬度、强度提高。 由右上图可见，弹丸冲击工件 表面产生凹坑，使其周围产生塑 性变形及宏观残余应力。弹丸反 复多次冲击工件表面塑性变形量 增大，表面硬度、强度增加。 右下图为喷丸后表层硬度分 布与时间关系，喷丸开始时硬度 增加较快，后期硬度增加缓慢。
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2. 喷丸强化用设备 喷丸强化用的设备主要有两种结构形式：气动式与机械 离心式。 （1）气动式喷丸机 气动式喷丸机是依靠压缩空气带动将弹丸从喷嘴高速 喷出，冲击工件的设备。他适用于要求喷丸强度较低、品 种多、批量小、形状复杂、尺寸较小的零件。 按弹丸运动方式可分为吸入式、重力式、直接加压式 三种类型。
预钝化钢丝切丸分为G1、G2、G3三种类型，具有良 好的综合机械性能。 一般要求钢丝切丸硬度越高越好，一般应不低于工件 硬度。
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（2）铸钢丸
铸钢丸是将金属熔化后的钢液，经雾化成丸、烘干、 选圆、二次淬火、回火筛分制成。其硬度可根据回火温度 不同，获得不同硬度的铸钢丸，组织为回火屈氏体或回火 马氏体。
喷丸前后晶粒、亚晶粒位错组态、晶界分布示意图
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表面残余应力
在表面强化过程中，表面塑性变形带来的表面尺寸变 化引起表面残余应力。下图是滚压处理后的残余应力分布。
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1）强化后残余应力的分布规律
表面为残余压应力，心部为残余拉应力，最表面层由 于应力松驰，其残余应力稍有降低，故曲线上有“抬头” 现象。
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影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹丸流 速、弹丸流量、喷丸时间等。 影响表面覆盖率的因素主要有：零件材料的硬度、弹 丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等。
表面粗糙度的影响因素有：零件材料的强度和硬度、 弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度。
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4. 喷丸强化的应用
采用喷丸强化处理的主要零件种类
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7.3 表面滚压和孔挤压强化

表面滚压技术是在一定的压力下，用辊轮、滚球或辊轴对 被加工表面进行滚压或挤压，使其发生塑性变形，形成加 工硬化层的工艺过程。 一些零件的内孔挤压同样属于这一范畴。

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表面滚压的原理与喷丸强 化相同，也是由于塑性变形 产生加工硬化，并产生很大 的残余压应力。
表面滚压强化原理示意图 a) 工件滚压方式 b)滚压后工件表面的残余应力
2）疲劳强度随表面残余压应力的增加而增加 疲劳裂纹大多从表面开始， 裂纹的发展是靠拉应力， 表面形变强化在表面层产 生残余压力，使外加拉应 力与残余压应力合成的总 应力降低，从而可提高材 料的疲劳强度及延长疲劳 寿命，在疲劳过程中，残 余应力σr起平均应力作用。
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7.2 喷丸强化
1. 喷丸强化用的弹丸 喷丸强化最常用的主要有钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸三 种。
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吸入式喷丸机
压缩空气从喷嘴射出时， 在喷嘴内腔导丸口处形 成负压，将下部贮丸箱 的弹丸吸入喷嘴内腔， 随压缩空气由喷嘴射出， 喷向被强化零件表面。
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重力式喷丸机
将弹丸提升到一定高 度，借助弹丸自重由 上至下流入喷嘴，由 压缩空气带动，由喷 嘴喷向被强化零件。
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直接加压式喷丸机
弹丸与压缩空气首先 在混合室内混合，再 通过导丸管共同进入 喷嘴，由喷嘴射出， 喷向被强化零件。
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（2）机械离心式抛丸机 弹丸依靠高速旋转的机械离心轮而获得动力的抛丸机。 它适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、 尺寸较大的零件。
抛丸机工作原理与重力 式气动喷丸机基本相同， 不同之处在于用抛丸器 代替了喷嘴。
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3. 喷丸工艺
在实际生产中是通过喷丸强度、表面覆盖率、表面粗 糙度这3个参数来检验、控制和评定喷丸强化质量的。
铸钢丸不同于钢丝切丸，它会破碎，从而在循环使用 时划伤工件，而且铸钢丸硬度越大，抛丸速度越高，破裂 越严重。为了避免破碎，一般喷丸强化选用硬度为 HRC48~52的铸钢丸，喷丸强度较低时可用铸钢丸。喷丸 强度较高时，严禁使用铸钢丸。
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（3）玻璃丸 玻璃丸由高质量碱玻璃制成，不含铁杂质硬度相当于 HRC46~50，外观为实心球体。使用中破碎率高，造成使 用成本偏大。所以目前仅限用于对表面粗糙度有特殊要求 的关键结构零件。 此外, 还有陶瓷弹丸、聚合塑料弹丸等
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金属的塑形变形是通过位错运动实现的，在塑性变形过程中， 由于位错间相互作用，使位错密度增加。下图中（a）为喷丸 前组织，晶界与亚晶界比较清晰，晶粒与亚晶粒比较大；（b） 为初始喷丸时，随变形量增加，位错互相作用使位错密度不断 增加，原亚晶界逐步模糊不清、消失；（c）为随喷丸覆盖增 加，弹丸反复冲击金属表面，使一些位错重新排列形成新的亚 晶界。随喷丸时间延长，塑性变形继续进行，位错密度进一步 增加，使晶界逐步消失又组成新的晶界，使晶粒破碎、细化。
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它有如下特点： a、适用于轴类零件如曲轴圆角滚压、滚丝轮加工重 要的螺丝和对缺口部位进行局部滚压。喷丸对零件形状 的适应性更强。 b、滚压后表层残余压应力层深大、应力值高，强化 效果比喷丸明显。 c、滚压生产率低，使用不如喷丸广泛。 孔挤压是利用棒、村套、模具等特殊工具，对零件 孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形的硬 化层。
第七章 金属表面形变强化
表面形变强化原理 喷丸强化
表面滚压和孔挤压强化
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7.1 表面形变强化原理
表面形变强化原理是通过机械手段(滚压、内挤压和喷
丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层。 此形变硬化层的深度可达0.5mm～1.5mm。 硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒 极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成 了高的宏观残余压应力。这两种变化使得金属表面的强度 硬度得到了很大的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。

喷丸强化用的弹丸必须具备以下特征： a）较高硬度和强度； b）应考虑弹丸质量、密度及规格大小之间的关系；
c）要求弹丸不破碎，耐磨损，使用寿命长；
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（1）钢丝切丸
钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，目前使用 最多的是用弹簧钢(直径0.6~1.2mm，硬度为HRC=45~50) 做成的钢丸，成本较高，因两端由棱角会划伤工件表面， 在欧美工业发达国家已经大量使用预钝化去棱角-磨角钢 丝切丸。
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1. 滚压和孔挤压强化用设备
滚压和孔挤压强化用设备是利用现有冷加工设备如车、 钻床或镗床，再配备用作滚压和孔挤压强化工艺必须的装 置。 （1）滚压强化用装置
在滚压过程中，主要运动是轴的回转运动，辅助运动是 滚子沿轴的回转中心进行转动。适用于圆周类零件的强化。
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（2）孔挤压强化用装置
村套挤压强化装置 压印模挤压强化装置