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摩擦片厂用抛喷丸机提高产品强化度和产品质量方法

文章出处:未知 编辑:抛丸机发表时间:2017-9-15 12:07:31 浏览人数:988,1,0
摘 要: 针对浮动支撑摩擦片疲劳断裂失效的问题,开展了浮动支撑摩擦片齿部抛喷丸强化工艺选择和强化机理研究,创新性地提出了一种浮动摩擦片的抛喷丸工艺选择方法,该方法可快速筛选摩擦片的最佳抛喷丸强化工艺;同时利用粗糙度仪、X 射线应力仪、显微硬度计等分析了抛喷丸强化对摩擦片齿部表面粗糙度、表面残余应力分布以及表面硬化的影响作用,探讨了抛喷丸强化对摩擦片齿部疲劳抗力的作用机制. 台架试验结果表明: 最佳抛喷丸工艺参数下,浮动支撑摩擦片抛喷丸强化处理后能够显著提高其疲劳抗力,台架疲劳断裂寿命提高了 54% 以上.
Abstract: In order to solve the fatigue fracture of floating-supported friction plate,the effects of shot peening on the fricition plates were studied. A clear and efficient method for the selection of shot peening parameters on friction plates was presented. The influence of shot peening on surface roughness,surface residual stresses and surface micro-hardness was measured by using surface profile measurement,X-ray

diffraction analysis and micro-hardness instrument. The mechanism of fatigue resistance improved by shot
peening was also discussed. The experimental results demonstrate that the effect of fatigue properties can
be improved by optimized shot peening process.  Compared with the mean fatigue life of the untreated
friction plates,the shot peening treatment raises the fatigue life of the friction plates by 54% .
Key words: friction plate;  shot peening;  fatigure property; fatigure crack

  浮动支撑摩擦片是实现传动系统挡位切换和功率传递的关键基础件,具有相对转速高、结构紧凑、传递功率大等特点,在各种汽车以及工程车辆上广泛使用.  在车辆运行过程中,摩擦片的齿部与内毂的齿部发生冲击碰撞,运行一段时间后,摩擦片齿部会出现疲劳断裂,严重影响车辆的行驶安全.  通过对摩擦片的工作环境分析可知,摩擦片齿底属于承力薄弱区,承受最大的交变应力载荷,易发生裂纹萌生和扩展.  在考虑现有材料、结构和加工工艺的前提下,欲有效提高摩擦片的疲劳强度,必须从改善和减少摩擦片齿底薄弱区载荷入手.  大量研究表明,对材料承受动载性能的影响而言,残余应力对材料疲劳强度的影响是重要影响因素之.  通过抛喷丸强化技术在摩擦片齿部引入有利一 的残余压应力分布,能有效缓解齿底所受载荷,增加疲劳微裂纹的闭合力,阻滞裂纹扩展,从而延长疲劳寿命.  抛喷丸强化能够显著提高摩擦片的疲劳抗力,然而并不是抛喷丸强度越高强化效果越好,而是存在着最佳的抛喷丸强化参数,但由于抛喷丸强化是一个复杂的动态碰撞接触过程,涉及到多种非线性的耦合,影响因素众多,通过仿真手法无法获取正确的抛喷丸工艺参数,相关抛喷丸工艺参数的选择只能依,严重浪费人力、财力、物力,靠试验或经验 而且目前国内外尚无开展摩擦片抛喷丸强化工艺方面的研究.本研究主要提出了一种新的抛喷丸工艺选择方法,高效筛选出最佳的抛喷丸工艺,研究了抛喷丸工艺对浮动支撑摩擦片疲劳寿命的影响规律和作用机理,试验结果表明合适的抛喷丸强化能够有效提高摩擦片的疲劳断裂寿命.

1、试验材料与方法:

1. 1、 试验材料:

试验材料采用 428 铜基粉末冶金摩擦片,模 m = 3,齿数 Z = 122,其芯板主要成分为30CrMnSiA,其机械性能见表 1

1

30CrMnSiA 的室温力学性能

杨氏模量 / GPa

屈服强度 / MPa

拉伸强度 / MPa

延伸率 / %

200

364

740

18. 5

1. 2、试验方法:
  浮动支撑摩擦片的动态强度试验是在摩擦片动态强度试验台上进行,所受浮动支撑冲击载荷是随机的,以及浮动支撑摩擦片因本身差异导致摩擦片动态强度试验结果分散系数比较大,可比性较差,数据可靠性较低. 如要提高数据的置信度,需要进行大批量整件的试验,这样成本太高且效率低下.因此提出了一种新的浮动支撑摩擦片的抛喷丸工艺选择方法,该方法能够快速、精确地确定浮动支撑摩擦片的最佳抛喷丸工艺类型,节省人力、物力和时间.

  首先,为了便于区别摩擦片齿部抛喷丸强化工艺以及利于试验后摩擦片齿部疲劳裂纹数量统计,试验前先给浮动支撑摩擦片的齿部进行区域划分和编号. 其次,每件摩擦片齿部上实施 2 种抛喷丸工艺 ( 连同原始状态,每件摩擦片齿部上存在 3 种表面状态) ,每隔 3 ~ 4 个齿实施一种抛喷丸工艺. 抛喷丸参数表见表 2,主要有 4 种抛喷丸工艺,其中小强度和中强度作为一组,大强度和极大强度作为另外一组,典型摩擦片抛喷丸示意图见图 1. 最后,在摩擦片动态强度试验台上进行动态强度试验,试验后统计摩擦片齿部疲劳裂纹. 通过统计齿部疲劳裂纹数量,每组筛选出一个较好的抛喷丸工艺,然后将每组筛选出来的较好的抛喷丸工艺组合成为一组重复上述过程,从而筛选出最佳抛喷丸工艺. 摩擦片齿部进行某种抛喷丸工艺处理时,需将其他齿进行遮挡保护,例如可用绝缘黑胶布对其他区域进行缠绕遮挡.

2 抛喷丸参数表

 

工艺状态

弹丸种类和直径 / mm

抛喷丸强度 / mmA  覆盖率 / %

 

 

 

 

小强度

陶瓷丸, 0. 15

0. 1

100

中强度

陶瓷丸, 0. 15

0. 15

100

大强度

陶瓷丸, 0. 15

0. 2

100

极大强度

铸钢, 0. 3

0. 3

100


图 1	摩擦片抛喷丸强化示意图
摩擦片的齿部动态强度试验在摩擦片动态强度试验台上进行,如图 2 所示. 试验台采用一台12V150L 柴油机作为扭振激励源,转速为 1 600 r / min,冲击频率为 160 Hz. 摩擦片齿部表面残余应力测试选用 XStress-3000 型 X 射线衍射残余应力分析仪,用 CuKα 靶材测定试样的残余应力,衍射角为 139. 3°. 齿部显微硬度的测量使用 HV-1000型显微硬度计,载荷为 300 g,加载时间 10 s.利用 TAYLOR-HOBSON 表面粗糙度仪测定摩擦片齿部的表面粗糙度 Ra 值.
图 2	摩擦片动态强度试验台


2 摩擦片动态强度试验台

2、试验结果与分析:
  第一轮摩擦片抛喷丸工艺对比试验后,典型的摩擦片台架试验前后外观如图 3 所示.  从图 3( b)  中可以看出,1 号摩擦片试验后摩擦片断裂成了 4段,断口皆从没有抛喷丸处理的地方出现.  这表明通过抛喷丸处理有效提高了摩擦片齿部的疲劳强度.  随后采用光学显微镜对断裂的摩擦片齿部进行了仔细的观察,统计其齿部疲劳裂纹数量.  每组摩擦片皆重复了两次台架试验,4 件摩擦片的齿部疲劳裂纹数量统计如表 3 所示.
图3  1 号摩擦片台架试验前后外观

图 3  1 号摩擦片台架试验前后外观

表 3  第一轮摩擦片试验结果

 

摩擦片编号

工艺状态

齿数

疲劳裂纹数量

小强度

40

12

1

中强度

40

1

原始状态

42

28

( 包含首断口)

小强度

40

16

2

中强度

40

2

原始状态

42

27

( 包含首断口)

大强度

40

15

3

极大强度

40

3

原始状态

42

30

( 包含首断口)

大强度

40

17

4

极大强度

40

0

原始状态

42

24

( 包含首断口)


主要对象.  因此,摩擦片齿底抛喷丸有利于提高摩擦片的疲劳强度,减少齿底疲劳裂纹的萌生和扩展.根据齿部疲劳裂纹统计结果还可以看出,同组试验中强度抛喷丸处理后的齿部疲劳裂纹要少于小强度喷丸处理的,极大强度抛喷丸处理后的齿部疲劳裂纹要少于大强度抛喷丸处理的,这说明中强度 / 极大强度抛喷丸工艺在各自的组别中属于最优的工艺. 因此,选择中强度抛喷丸工艺和极大强度工艺,重新组合成一组,按照第一轮的实施方法进行第二轮摩擦片喷丸工艺对比试验.
  典型的摩擦片台架试验前后外观如图 4 所示.摩擦片齿部疲劳裂纹数量如表 4 所示.  可以看到首断口都存在极大强度抛喷丸处理部位,而且极大强度抛喷丸工艺处理的齿底的疲劳裂纹的数量也大于中强度抛喷丸工艺处理的. 这说明极大强度抛喷丸工艺处理的摩擦片疲劳强度低于中强度抛喷丸工艺处理的,过大的抛喷丸强度处理反而不利于摩擦片疲劳寿命的提高,发生 “过喷”现象. 因此,选择中强度抛喷丸工艺为浮动支撑摩擦片的最佳抛喷丸工艺.


图3  1 号摩擦片台架试验前后外观
图3  1 号摩擦片台架试验前后外观
根据第一轮摩擦片台架试验的结果,可以得到相对于抛喷丸处理的部位,摩擦片齿部没有经过抛喷丸处理时,齿部存在最多的疲劳裂纹,数量约占整个未抛喷丸处理齿部的 57% 以上,而且出现首断口的部位皆为未抛喷丸处. 首断口是指首先发生开裂或断裂失效的地方,是分析断裂失效原因和事故原因的

4 7 号摩擦片台架试验前后外观

4

摩擦片试验结果

摩擦片编号

工艺状态

齿数

疲劳裂纹数量

中强度

61

9

5

极大强度

( 包含首断口)

61

36

中强度

61

7

6

极大强度

( 包含首断口)

61

23

中强度

61

10

7

极大强度

( 包含首断口)

61

21

为了确定中强度抛喷丸处理为最佳抛喷丸工艺,随后对摩擦片齿部进行了表面粗糙度表面残余应力和硬度场测量分析 摩擦片不同抛喷丸工艺处理的表面粗糙度和残余应力分析如图 5 所示,可以看到抛喷丸处理增加了齿部的表面粗糙度,小强度抛喷丸处理
图 5	不同抛喷丸工艺齿底表面粗糙度和表面残余应力值

5 不同抛喷丸工艺齿底表面粗糙度和表面残余应力值
后,表面粗糙度为 1. 6 μm. 而中强度抛喷丸处理后,表面粗糙度反而略有下降,约为 1. 5 μm. 当抛喷丸强度持续增加后,当达到极大强度时,表面粗糙度达到了 2. 3 μm. 同时,随着抛喷丸强度的提高,表面残余应力也持续增加,最大达到了 - 300 MPa.表面残余压应力不仅可以缓和外界交变拉应力的作用,抑制疲劳裂纹的萌生,其较深的残余压应力场还可以闭合裂纹以减小疲劳短裂纹的扩展速率. 极大强度抛喷丸处理后虽然得到了最大的表面残余压应力值,但是其表面粗糙度值也最高,高的表面粗糙度值有可能造成表面应力集中,不利于摩擦片疲劳寿命的提高.组织强化是抛喷丸的一个主要强化作用,其通过表面应变强化,达到提高表层金属强度的作用,硬度梯度是组织强化的重要表现形式. 因此,开展了不同抛喷丸工艺处理下摩擦片齿部的显微硬度梯度表征,从摩擦片齿底 15 μm 左右开始第一个硬度压点的表征,每个点相距 30 μm,每个测试位置测试10 个点硬度值,测试的齿部硬度梯度值如图 6 所示. 可以看到:  小强度抛喷丸硬化层很浅,不到 50 μm,

图 6	不同抛喷丸工艺处理下摩擦片齿部硬度场表征结果	1)	通过采用在摩擦片齿部交替实施抛喷丸工艺

6 不同抛喷丸工艺处理下摩擦片齿部硬度场表征结果
  硬度值也较低. 中强度、大强度和极大强度抛喷丸强度处理后硬化层较深,约为 150 μm 左右. 其中中强度抛喷丸工艺处理后表面硬度值约为 300 HV,大强度和极大强度抛喷丸工艺处理后硬度值约为 310 HV. 结合上述表面粗糙度、表面残余应力和硬度梯度场的表征结果,可以看到相比其他抛喷丸处理工艺,中强度抛喷丸工艺处理后摩擦片齿部具有合适的残余应力值、较高的表面硬度和硬化深度以及较低的表面粗糙度值,因此,进一步确定中强度抛喷丸为最佳抛喷丸工艺,也证实了浮动支撑摩擦片抛喷丸强化工艺选择方法的正确.

  最后,选择了中强度抛喷丸强化工艺进行了摩擦片全齿抛喷丸强化的验证试验. 经检测齿底表面残余应力都达 - 150 MPa 以上,具有比较高的均匀性和一致性. 摩擦片试验件试验前后如图 7 所示. 台架试验结果显示抛喷丸强化摩擦片的平均断裂寿命达到

  43 min,而未抛喷丸强化摩擦片的平均断裂寿命为 28 min,摩擦片抛喷丸强化后的疲劳断裂寿命提高了54% ,获得了非常有效的疲劳性能改善.

图 7	全齿验证件试验前后外观


7 全齿验证件试验前后外观

对于上述 4 种摩擦片抛喷丸工艺,若采用每片摩擦片实施一种抛喷丸工艺的方法筛选摩擦片最佳抛喷丸工艺,由于摩擦片动态强度试验时所受冲击载荷存在随机性以及摩擦片本身存在差异,导致试验结果分散系数较大,可比性差. 因此,每种抛喷丸工艺至少需要 6 件摩擦片来验证试验结果,一共需要约24 片样本量才能大概确定浮动支撑摩擦片的最佳抛喷丸工艺,数据的置信度较低,试验成本也比较高. 若采用在摩擦片齿部交替实施抛喷丸工艺的新方法,完成摩擦片最佳抛喷丸工艺的选择只需 7 片摩擦片,每种抛喷丸工艺的样本量达到了 80 个以上,具有较高的数据置信度,同时也节约了试验成本.

3、结论:

1) 通过采用在摩擦片齿部交替实施抛喷丸工艺的方法,选择了中强度抛喷丸参数作为浮动支撑摩擦片的最佳抛喷丸工艺,同时结合表面粗糙度、硬度场以及残余应力值等测量方法间接证实了该方法的正确性和快速性.

2) 在摩擦片齿部实施合理的抛喷丸处理能够在摩擦片齿底引入合适分布的残余压应力,并使得摩擦片齿底表面硬化,表层晶粒细化,延缓了齿部疲劳裂纹萌生,从而有利于提高摩擦片的抗疲劳性能. 而抛喷丸强度过高时,摩擦片的表面粗糙度值明显增大,造成 “过喷”现象,降低了抛喷丸改善摩擦片疲劳抗力的效果. 摩擦片通过中强度抛喷丸工艺强化处理后,其台架疲劳断裂寿命提高了 54% 以上,有效提高了摩擦片的使用里程.


本文来源青岛华盛泰抛丸机:/jishu/988.html
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