凯发官网地址 噴丸對鋼板彈簧疲勞壽命的影響

【摘要】：本文簡述了噴丸處理對鋼板彈簧疲勞壽命的影響機理，分析了影響噴丸處理效果的因素，給出了一種考慮殘余應力時鋼板彈簧疲勞壽命的估算方法。
【關鍵詞】：鋼板彈簧噴丸殘余應力疲勞壽命

1、噴丸處理對鋼板彈簧疲勞壽命的影響機理
汽車鋼板彈簧在使用過程中受力很復雜，但主要是非對稱的交變彎曲應力。失效形式為疲勞斷裂。為了提高鋼板彈簧的疲勞壽命，人們做了大量的工作，其中一項重要的措施就是噴丸處理。噴丸處理是使鋼板彈簧表面強化的一種方法，即用噴丸機將金屬丸粒高速噴向板簧葉片工作受拉面，使葉片表面產生塑性變形,從而在葉片受拉面產生壓縮殘余應力。噴丸產生殘余壓縮應力可以降低由于工作負荷引起的表面拉應力,從而提高彈簧的疲勞壽命。噴丸后鋼板彈簧葉片斷面應力狀況如圖l所示。本文由青島 吊鉤式拋丸機 生產廠家青島淳九整理。

圖1噴丸處理后鋼板彈簧應力分布簡圖

另外,經試驗研究表明
(l)噴丸處理可顯著降低零件對應力集中的敏感性。
(2)噴丸后葉片表面殘余奧氏體量大大減少、硬度明顯提高,發生了顯著的表面冷作硬化,并可有效改善葉片表面的缺陷,從而使鋼板彈簧的疲勞壽命大大提高

2、影響噴丸處理效果的因素

噴丸強化的效果取決于冷作硬化層的深度和殘余應力的大小。為了估計丸粒的大小、速度和噴射方向及材料硬度等因素的影響,沙維林提出了以下計算公式:

δ—硬化層的有效深度;
D—丸粒直徑;
V—噴射速度;
a—丸粒噴流與處理表面的夾角;
HM—被處理金屬的沖擊硬度;
K—比例系數。
從(1)式可以看出:對于噴丸效果有較大影響的是丸粒的直徑和噴射速度。
從產生殘余應力的效果來看,噴丸時鋼板彈簧施加的預應力和葉片表面脫碳層的深度也起著很大的作用,這一點從圖2可以看出。按噴丸時是否加預應力分為自由噴丸和應力噴丸兩種工藝:自由噴丸所能形成的較大殘余壓應力,對于鋼板彈簧約為5390-6370MPa;而應力噴丸可使其較大殘余應力達到10780~12740MPa。
應力噴丸時,葉片預加變形所產生的預應力在70。~90MPa范圍內比較適宜。否則過大的預加應力雖然強化了葉片表面,但同時卻增加了葉片深部的應力,反而會降低其疲勞強度

目前國內鋼板彈簧生產廠家通過測量噴丸前后葉片弧高的變化及覆蓋率的方法來判斷噴丸的效果,本人認為不如用測定表面殘余應力的方法來判定噴丸效果

圖2脫碳層及預應力對殘余應力的影響

3殘余壓應力對鋼板彈簧疲勞壽命影響的估算。

根據按集中載荷法或共同曲率法計算得到的鋼板彈簧應力值及測得的殘余應力,用擴展的古德曼極限應力圖和簡化的S-N曲線,再用類比的方法,就可以估算出鋼板彈簧的疲勞壽命。
在忽略疲勞缺口系數的前提下,S-N曲線可以用以下的簡化方法得到:

對于主要承受彎曲應力的彈簧材料,根據文獻[2],知

圖3即為簡化的S-N曲線。

圖4是考慮了殘余壓應力影響后擴展的古德曼簡化圖。圖中,縱坐標為應力幅δa;橫坐標為平均應力δm。有了S-N曲線及古德曼圖,就可以按以下步驟對鋼板彈簧的壽命進行估算:
(1)根據殘余應力值丐,在圖4中求出考慮了殘余應力后修正的疲勞極限及δ-1=0.44(δy+δb)
(2)根據δ-1在圖3中畫出修正的S-N曲線。
(3)圖3中,在修正的S-N曲線上找出縱坐標為δN=(δa+δm)的點,此點的橫坐標N即為鋼板彈簧的壽命估算值.下面以平均應力750MPa、應力幅27oMPa的某鋼板彈簧(δb=1375MPa)為例,按上述方法求其在殘余壓應力分別為。、40、70oMPa三種情況下的疲勞壽命,結果見表1。

表1

從上面的計算及試驗結果看,噴丸所產生的殘余應力可大大提高鋼板彈簧的疲勞壽命;另外,計算值和試驗值相當接近,說明噴丸后鋼板彈簧的疲勞缺口系數接近1,這也就驗證了噴丸處理可改善鋼板彈簧表面缺陷的結論

3結論及建議

(1)噴丸處理可有效改善鋼板彈簧的表面缺陷,并在鋼板彈簧表面產生殘余壓應力.
(2)殘余壓應力可大大提高鋼板彈簧的疲勞壽命,從而提高材料利用率。
(3)在一定的丸粒直徑和噴丸速度下,噴丸時鋼板彈贊的預加應力越大,其表面殘余應力就越大;鋼板彈簧的脫碳層越深,其表面殘余應力越小。
(4)建議在設計鋼板彈簧時,要將殘余應力做為一個重要的指標參數來考慮;生產廠家在鋼板彈簧的生產過程中,把殘余應力做為必檢項目進行檢測。
(5)為實現鋼板彈簧的輕量化,必須進行鋼板彈簧的壽命設計。但我國鋼板彈簧行業沒有統一、可靠的壽命設計數據庫,如真實樣件的S-N曲線數據等。因此建議鋼板彈簧行業應盡快建立適應我國生產工藝的壽命設計數據庫
參考文獻
1趙少汁編.抗疲勞設計.北京:機械工業出版社,1994
2中國汽車工程學會懸架專業委員會編.汽車懸架資料,1988