模具表面喷丸强化

彼岸花开

随着现代工业技术的发展，对于模具使用性能提出了更高的要求。努力缩短模具的生产周期提高模具的质量，延长模具寿命，直接或间接带来的社会效益和经济效益是难以估量的。材料和热处理是影响模具质量、性能和使用寿命最重要的内在因素。60%模具的早期失效，是由材料和热处理的因素造成的。为了提高模的强度及模具的耐磨性，充分挖掘模具材料的性能潜力，延长模具服役寿命，采取了许多有效的措施，从省能源、省资源、充分发挥材料的性能潜力，获得特殊性能和最大技术经济效益出发，发展和应用表面强化工艺技术是提高模具使用性能和寿命的极重要的发展方向，喷丸强化就是其中的一项经济、简便而有效的模具表面处理工艺方法，值得大力推广。
1 o! c2 t) Z0 n1 w
0 i- ?) {% [" Y喷丸强化是借助于硬丸粒，高速、连续锤击金属表面，使其产生强烈的冷作硬化。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高模具的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能。喷丸还可改变模具的表面粗糙度，并有效地去除电火花加工而产生的表面变质层。
& [9 T3 O, b4 @" U
喷丸强化方法简单易行，节约能源，适用于落料模、冷作模、冷镦模和热锻模等以疲劳失效形式为主的模具，如锻模服役时，要经受弯曲和热膨胀，常发生因局部屈服而导致显微裂纹，喷丸处理产生压应力能推迟显微裂纹的形成，从而延迟模具龟裂发生，模具经喷丸强化后使用寿命情况如表1所示。

喷丸强化原理

喷丸过程就是大量弹丸喷射到零件表面上的过程，而弹丸喷射到零件表面上有如无数小锤对表面锤击，因此，金属零件表面产生极为强烈的塑性形变，使零件表面产生一定厚度的冷作硬化层，称为表面强化层，此强化层会显著地提高零件在高温和高湿工作下的疲劳强度。

零件表面形成的强化层之所以会改善其疲劳性能，其原因是在此层内有着完全不同于基体（即零件心部）的应力状态及组织结构，一般地说零件疲劳强度的提高与表面强化层内以下三个因素有关：
6 [0 X. k- |; Z
（1）表面层的宏观残余应力；
  N- r. H- L# T- U! }（2）表面层的微观应力；
& R/ L' G3 S% @) Q  G（3）表面层的微细嵌镶组织。适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失却尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故，所以机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。喷丸可改变了应力分布状态，使零件表面形成一条很宽的压应力分布带，从而可极大地提高疲劳强度和零件的实际承载能力。
, I8 p- q; x  }. d6 s
喷丸强化是行之有效、应用广泛的强化模具表面的手段，模具喷丸的强化机理是弹丸流的撞击形成模具材料塑性变形而导致冷作硬化；第二个因素是弹丸流的撞击改变了表面残余应力状态和分布，使模具材料表层和次表层造成很大的残余压应力，而喷丸产生的残余压应力又是强化机理中的重要因素。喷丸处理后模具的表面硬度增加，距表面愈近，效果愈明显，喷丸造成的模具表面硬度增加是由于表层组织形变强化及残余压应力值增大的综合结果。此外，喷丸还能促使模具表层的组织发生转变，即残余奥氏体诱发转变为马氏体，并且能够细化马氏体的亚结构，进一步提高了模具表面硬度和耐磨性，从而延长模具的使用寿命。
# O0 C+ z* }& e6 a' j- U4 R8 P
2 l# \, F3 c: D% q3 |% \  V喷丸强化工艺

(1)设备与喷丸介质的选用

# b4 ~: t/ C3 p+ H& D气动式喷丸机

喷丸用的喷丸机有气动式喷丸机和离心式喷丸机。

气动式喷丸机是由空气压缩机供给压缩空气，压缩空气通过喷枪时造成负压将弹丸吸人并高速喷出喷嘴，形成弹丸流喷射到零件表面。喷丸机中还有一个使零件运动的机构， 能保证喷丸的均匀性和有一定的覆盖范围。

保证喷丸强化质量的另一个关键因素是根据零件材料和尺寸特点选择合适的弹丸。经常使用的弹丸都是圆形弹丸，直径为0.05mm～1.5mm不等。弹丸直径由零件沟、槽、圆角等尺寸决定，要保证弹丸直径小于需要强化的沟、槽、圆角的尺寸。

8 D. ]( j+ v0 R# S常用的喷丸介质（弹丸）有：
% f; O  J; K1 ~' ^
3 b! c' b+ f! e" n- ka、铸铁弹丸：铸铁弹丸硬而脆，易于破碎，目前已很少应用。
# @  C( F) ~, Z( \. S7 Vb、钢弹丸：目前使用最多的是用弹簧钢(直径0.6mm～1.2mm)做成的钢丸，钢丸的硬度HRC一般为45～50，钢弹丸的使用寿命比铸铁丸高20倍左右。
c、玻璃弹丸：上世纪七十年代发展起来的，玻璃弹丸的硬度HRC>48，成本较高，主要在航空工业部分获得了较为广泛的应用。
9 ]' J! ~; X9 C! D5 ^: j  v% I
(2)喷丸强化主要工艺参数的选择
7 }6 Q3 b7 D, O+ z1 u: \
喷丸强化可显著提高表面的残余压应力，从而提高零件疲劳寿命，但要对喷丸参数进行合理的选择，既要考虑到残余压应力达到一定的数值，又防止过度喷丸，以免产生表面缺陷，降低强化效果。

* c- Z3 Y$ M- y* R/ U9 Y* K实践表明：随喷丸时间的增加，残余压应力逐渐增加；随钢丸转速的增加，残余压应力也逐渐增加；弹丸直径大，喷丸强化效率高，但工件的表面光洁降低。具体的喷丸强化参数可参见表2。

模具喷丸强化应用与效果

（1） CrWMn钢制线切割冲模的喷丸强化。
, r+ u( b1 s8 K) |! V  x
( i7 w2 \7 X0 v$ {5 T模具在电火花切割后，不经喷丸研磨加工、回火，直接装配使用时，常易出现崩刃、折断、碎裂现象。即使不出现这些现象，使用寿命也不高。其原因是热处理产生的拉应力和线切割所产生的热拉应力叠加在一起，容易达到材料的强度极限而产生裂纹。采用回火、研磨、喷丸和回火处理，可有效地去除白硬层和改善切割层的硬度与应力分布状态。用研磨方法也可除去白硬层，但不能改善应力区的应力分布状态，因此，不能根本解决模具的裂纹和崩刃。对线切割模具的白硬层施以喷丸和120～160℃×6～10h的时效处理，则可成倍地提高模具寿命。

' H, ]2 W8 e) c4 [) c某厂的CrWMn钢制线切割冲模的刃磨寿命在直接使用时为10700次；160℃×2h回火后，为11180次；研磨除去白硬层后使用时为4860次；研磨除去白硬层再160℃×2h回火时为7450次；磨削去除白硬层后为28743次；喷丸再160℃×2h回火处理为220000次。
' y& m7 U' J: e1 [0 D. u4 }
: L3 ]: [1 d/ j5 w. W（3）喷丸强化改善Cr12钢制线切割落料模性能。
7 T9 s5 J: i" H- K
2 ]0 Z2 `8 q0 T1 Q. |" gCr12钢制洗衣机电动机定、转子落料模，在经淬火、回火处理和线切割加工后直接使用时，常呈折断失效，平均使用寿命只有3万余次。改用在电火花加工后增加一道喷丸强化处理工艺后，改善线切割落料模变质量层的性能，使用寿命可提高到10万冲次。
' a8 g+ L1 i& M. [
- i0 i% a/ F+ V) O' n. M% D0 ^综上所述，喷丸强化技术是一种使用简便、成本低、应用范围相当广的模具表面强化技术，强化效果既特别显著又立竿见影，大大延长承受交变负荷的模具使用寿命，是其它强化方法难以比拟的。