模具表面噴丸強化

噴丸強化是借助于硬丸粒，高速、連續(xù)錘擊金屬表面，使其產(chǎn)生強烈的冷作硬化。通過噴丸可以明顯改變金屬表面的應(yīng)力狀態(tài)、顯微硬度、表層的微觀形貌和相成分，從而提高模具的疲勞強度、抗沖擊磨損及抗應(yīng)力腐蝕性能。噴丸還可改變模具的表面粗糙度，并有效地去除電火花加工而產(chǎn)生的表面變質(zhì)層。

噴丸強化方法簡單易行，節(jié)約能源，適用于落料模、冷作模、冷鐓模和熱鍛模等以疲勞失效形式為主的模具，如鍛模服役時，要經(jīng)受彎曲和熱膨脹，常發(fā)生因局部屈服而導(dǎo)致顯微裂紋，噴丸處理產(chǎn)生壓應(yīng)力能推遲顯微裂紋的形成，從而延遲模具龜裂發(fā)生。

噴丸強化原理

噴丸過程就是大量彈丸噴射到零件表面上的過程，而彈丸噴射到零件表面上有如無數(shù)小錘對表面錘擊，因此，金屬零件表面產(chǎn)生極為強烈的塑性形變，使零件表面產(chǎn)生一定厚度的冷作硬化層，稱為表面強化層，此強化層會顯著地提高零件在高溫和高濕工作下的疲勞強度。

零件表面形成的強化層之所以會改善其疲勞性能，其原因是在此層內(nèi)有著完全不同于基體(即零件心部)的應(yīng)力狀態(tài)及組織結(jié)構(gòu)，一般地說零件疲勞強度的提高與表面強化層內(nèi)以下三個因素有關(guān)：

(1)表面層的宏觀殘余應(yīng)力；(2)表面層的微觀應(yīng)力；(3)表面層的微細嵌鑲組織。適當?shù)摹⒎植己侠淼臍堄鄩簯?yīng)力可能成為提高疲勞強度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因素；而不適當?shù)臍堄鄳?yīng)力則會降低疲勞強度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失卻尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開裂等早期失效事故，所以機械零部件和大型機械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對其疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。噴丸可改變了應(yīng)力分布狀態(tài)，使零件表面形成一條很寬的壓應(yīng)力分布帶，從而可極大地提高疲勞強度和零件的實際承載能力。

噴丸強化是行之有效、應(yīng)用廣泛的強化模具表面的手段，模具噴丸的強化機理是彈丸流的撞擊形成模具材料塑性變形而導(dǎo)致冷作硬化；第二個因素是彈丸流的撞擊改變了表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布，使模具材料表層和次表層造成很大的殘余壓應(yīng)力，而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力又是強化機理中的重要因素。噴丸處理后模具的表面硬度增加，距表面愈近，效果愈明顯，噴丸造成的模具表面硬度增加是由于表層組織形變強化及殘余壓應(yīng)力值增大的綜合結(jié)果。此外，噴丸還能促使模具表層的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，即殘余奧氏體誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并且能夠細化馬氏體的亞結(jié)構(gòu)，進一步提高了模具表面硬度和耐磨性，從而延長模具的使用壽命。

噴丸強化工藝

(1)設(shè)備與噴丸介質(zhì)的選用

氣動式噴丸機

噴丸用的噴丸機有氣動式噴丸機和離心式噴丸機。

氣動式噴丸機是由空氣壓縮機供給壓縮空氣，壓縮空氣通過噴槍時造成負壓將彈丸吸人并高速噴出噴嘴，形成彈丸流噴射到零件表面。噴丸機中還有一個使零件運動的機構(gòu)，能保證噴丸的均勻性和有一定的覆蓋范圍。

保證噴丸強化質(zhì)量的另一個關(guān)鍵因素是根據(jù)零件材料和尺寸特點選擇合適的彈丸。經(jīng)常使用的彈丸都是圓形彈丸，直徑為0.05mm～1.5mm不等。彈丸直徑由零件溝、槽、圓角等尺寸決定，要保證彈丸直徑小于需要強化的溝、槽、圓角的尺寸。

常用的噴丸介質(zhì)(彈丸)有：

a、鑄鐵彈丸：鑄鐵彈丸硬而脆，易于破碎，目前已很少應(yīng)用。b、鋼彈丸：目前使用最多的是用彈簧鋼(直徑0.6mm～1.2mm)做成的鋼丸，鋼丸的硬度HRC一般為45～50，鋼彈丸的使用壽命比鑄鐵丸高20倍左右。c、玻璃彈丸：上世紀七十年代發(fā)展起來的，玻璃彈丸的硬度HRC>48，成本較高，主要在航空工業(yè)部分獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

(2)噴丸強化主要工藝參數(shù)的選擇

噴丸強化可顯著提高表面的殘余壓應(yīng)力，從而提高零件疲勞壽命，但要對噴丸參數(shù)進行合理的選擇，既要考慮到殘余壓應(yīng)力達到一定的數(shù)值，又防止過度噴丸，以免產(chǎn)生表面缺陷，降低強化效果。

實踐表明：隨噴丸時間的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸增加；隨鋼丸轉(zhuǎn)速的增加，殘余壓應(yīng)力也逐漸增加；彈丸直徑大，噴丸強化效率高，但工件的表面光潔降低。

模具噴丸強化應(yīng)用與效果

(1)CrWMn鋼制線切割沖模的噴丸強化。

模具在電火花切割后，不經(jīng)噴丸研磨加工、回火，直接裝配使用時，常易出現(xiàn)崩刃、折斷、碎裂現(xiàn)象。即使不出現(xiàn)這些現(xiàn)象，使用壽命也不高。其原因是熱處理產(chǎn)生的拉應(yīng)力和線切割所產(chǎn)生的熱拉應(yīng)力疊加在一起，容易達到材料的強度極限而產(chǎn)生裂紋。采用回火、研磨、噴丸和回火處理，可有效地去除白硬層和改善切割層的硬度與應(yīng)力分布狀態(tài)。用研磨方法也可除去白硬層，但不能改善應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)，因此，不能根本解決模具的裂紋和崩刃。對線切割模具的白硬層施以噴丸和120～160℃×6～10h的時效處理，則可成倍地提高模具壽命。

某廠的CrWMn鋼制線切割沖模的刃磨壽命在直接使用時為10700次；160℃×2h回火后，為11180次；研磨除去白硬層后使用時為4860次；研磨除去白硬層再160℃×2h回火時為7450次；磨削去除白硬層后為28743次；噴丸再160℃×2h回火處理為220000次。

(3)噴丸強化改善Cr12鋼制線切割落料模性能。

Cr12鋼制洗衣機電動機定、轉(zhuǎn)子落料模，在經(jīng)淬火、回火處理和線切割加工后直接使用時，常呈折斷失效，平均使用壽命只有3萬余次。改用在電火花加工后增加一道噴丸強化處理工藝后，改善線切割落料模變質(zhì)量層的性能，使用壽命可提高到10萬沖次。

綜上所述，噴丸強化技術(shù)是一種使用簡便、成本低、應(yīng)用范圍相當廣的模具表面強化技術(shù)，強化效果既特別顯著又立竿見影，大大延長承受交變負荷的模具使用壽命，是其它強化方法難以比擬的。