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  • 拋丸對發動機氣門彈簧疲勞強度影響的研究
  • 1.發動機氣門彈簧作為氣門系統的重要零件,隨著現代發動機轉速和功率的提高,氣門彈簧的工作環境更加惡劣,疲勞失效是發動機氣門彈簧斷裂的主要失效模式。氣門彈簧的疲勞失效一般是由于彈簧長期在交變的剪切應力下工作,在零件或材料的缺陷處產生疲勞裂紋,最終導致彈簧斷裂。筆者曾遇到過一例發動機氣門彈簧在發動機耐久臺架失效的案例,通過金相檢測,未發現彈簧質量缺陷。在發動機設計參數及外界使用環境不變的情況下,只有通過合理提升氣門彈簧的疲勞強度才可解決問題。為提升氣門彈簧的疲勞強度,提升鋼絲材料的質量,并改進彈簧制造工藝以避免制造缺陷的同時,通過提高彈簧的殘余應力也是改進疲勞強度、提高疲勞壽命的重要方法。彈簧拋丸工藝可使彈簧表面產生循環塑性變形,提高殘余應力,從而達到強化的效果。
    2 殘余應力對氣門彈簧疲勞強度的影響
    彈簧內側表面比外側表面的切應力要高,故彈簧的最大切應力點處于內側外表面,導致彈簧疲勞源一般首先出現在彈簧鋼絲內表面,最終發生疲勞斷裂 [2] 。在氣門彈簧生產過程中,鋼絲在卷簧和噴丸強化過程中都會使高應力氣門彈簧產生殘余應力。不同的是卷簧工藝引入的是殘余拉應力,這會降低高應力氣門彈簧的疲勞強度;而噴丸強化工藝引入了殘余壓應力,這能提高應力氣門彈簧的疲勞強度。大量試驗結果表明,殘余應力對高應力彈簧的疲勞強度影響很大,故在進行高應力氣門彈簧疲勞強度計算及疲勞壽命可靠性分析時,必須考慮殘余應力的因素。這主要是因為,由噴丸引入表層的殘余壓應力場使得彈簧鋼絲疲勞源被由表面推移到強化塑變層下的次表面上,而內部疲勞極限是大于表面疲勞極限的,從而對零件疲勞極限起到了間接強化作用。同時表面殘余應力場也對表面疲勞極限起到直接的強化作用。二者共同提高了彈簧的疲勞壽命。殘余應力的大小和分布對彈簧內部疲勞極限的影響如下。
    (1) 殘余壓應力值越大,疲勞裂紋的萌生門檻值越高。理論研究表明,在高速循環載荷下,裂紋萌生門檻值影響斷裂壽命,因此提高殘余應力的絕對值,可以有效提高萌生門檻值,降低對表層的各類缺陷的敏感度,提高疲勞壽命。
    (2) 內部疲勞應力極限與殘余應力分布比例會影響疲勞裂紋擴展速度,尤其在低速循環載荷下,裂紋擴展速度對斷裂壽命影響明顯。在氣門彈簧的生產過程中,應該盡量減少殘余拉應力,而盡量增加殘余壓應力。其中對殘余應力影響最大的工藝過程是噴丸和熱處理過程,本文重點通過對噴丸工藝的優化,提高彈簧的殘余應力和疲勞強度,從而最終滿足發動機的要求。
    3 改進噴丸工藝改進研究提高彈簧殘余應力
    3.1 噴丸工藝對殘余應力的影響
    氣門彈簧的噴丸強化工藝,是使用噴丸機將彈丸介質以一定的速度打擊受噴材料或零部件的表面,使材料或零部件的表面產生循環塑性變形,從而達到強化效果的一種工藝。噴丸強化是一種表面重復塑性變形的過程:在彈丸不斷撞擊的作用下,零件表面不斷發生彈塑性變形,在塑性變形層內材料的組織結構發生變化、位錯數量增多,并出現亞晶和晶粒細化現象 [2] ,見圖 1。

    (a)彈丸撞擊表面 (b)噴丸后組織結構
    圖1 噴丸對零件表面的影響

    噴丸時,高速彈丸噴射表面,使表面層產生局部塑性變形而伸長,但由于受到未發生塑性變形的內層阻礙,表面層不能自由伸長而產生壓縮應變,因而產生殘余壓應力。一般而言,噴丸工藝對提高疲勞壽命的效果與其被噴零件自身材料性能以及噴丸丸粒的種類、形狀、大小、速度、噴丸時間、流量、噴丸角度等噴丸工藝參數有關,且各工藝參數之間不是孤立影響的,是相互影響、相互作用的 [2] 。
    3.2 改進噴丸工藝提高殘余應力
    3.2.1 原設計彈簧的殘余應力測定
    針對失效零件,使用 X 光衍射儀測量氣門彈簧的殘余應力,分別測量氣門彈簧樣件距表面 0μm、50μm、200 μm處的殘余應力,其結果見圖 2。

    圖2 失效零件殘余應力測量值

    從圖中可以看到,失效彈簧雖然達到了設計要求,但沒有通過發動機臺架耐久試驗,因此設計要求只能作為一個參考值,仍需要提高殘余應力來提升零件疲勞強度。
    3.2.2 噴丸工藝改進方案
    對于高應力氣門彈簧而言,噴丸強化工藝主要依靠應力強化機制來改善其疲勞性能。一般而言,在不發生過噴的前提下,噴丸強度越高,噴丸強化對高應力氣門彈簧疲勞壽命的提升能力越大。本文對噴丸工藝的改進研究,主要通過噴丸機、噴丸強度、丸粒大小和噴丸時間四個方面進行強化研究。彈簧強化設備可分為兩種類型:離心式葉片拋丸機(也稱滾筒式噴丸機)和氣動噴嘴式噴丸機(也稱通過式噴丸機)。前者的優點是噴丸更均勻,彈簧整體的噴丸效果較好,但彈簧容易卡在一起,導致部分區域噴不到,而只能通過人工拆分再進行二次噴丸,從而降低了生產效率,同時由于彈簧之間的相互碰撞,也增加了磕碰傷缺陷出現的概率。后者的優點是生產效率穩定連續,避免了零件的磕碰和二次噴丸,但噴丸效果的均勻一致性沒有滾筒式好。在其他條件不變的情況下,對兩種噴丸機分別做了對比試驗,可以看出,滾筒式噴丸機在殘余應力上比通過式噴丸機有明顯的優勢。
    提高噴丸強度主要通過提高噴丸速度來實現,噴丸強度通常采用測試標準化的 Almen 試片的弧高來衡量。本文在其他工藝參數不變的情況下,通過對噴丸速度的調整,將噴丸強度從弧高 0.48 mm提高到 0.49 mm,分別完成樣件的殘余應力對比試驗,可看出,提高噴丸強度,能明顯改善氣門彈簧的殘余應力,尤其是外表面下 200μm處的殘余應力提升很多。
    針對噴丸時間對殘余應力的影響,在其他工藝參數不變的情況下,分別設定噴丸速度為 25、30、35 min,其殘余應力值可以看出,延長噴丸時間對殘余應力的改善影響有限,因此噴丸時間在保證完全覆蓋的情況下,可以根據生產工藝進行設定,沒有必要刻意延長噴丸時間。針對噴丸丸粒大小,在其他條件不變的情況下,分別選取直徑為 0.8 mm 和 0.6 mm 的丸粒,噴丸時間均為 25 min,測量其殘余應力,可以看出,丸粒直徑的增大,對于提高彈簧的殘余應力有較大幫助,當然丸粒直徑也不能過大,過大的丸粒會對零件本身帶來傷害,人為制造出潛在的斷裂缺陷。
    根據上述研究結果,最終將應用滾筒式拋丸機,提高噴丸強度,使用直徑為 0.8 mm 丸粒做為噴丸工藝改進方案。
    3.2.3 噴丸工藝改進效果
    噴丸工藝改進前后樣件殘余應力測量值與改進前樣件對比,在深度為 0μm、50μm、200μm處的殘余應力分別提高約 10%、15%、140%,可見噴丸工藝改進后的零件其殘余應力提升明顯,同時殘余應力的深度也大大提升。
    4 工藝改進后零件的驗證
    4.1 彈簧耐久試驗
    采用改進后的噴丸工藝試制了一批氣門彈簧,隨機抽取了其中 30 件樣件與改進前樣件進行耐久對比試驗。試驗頻率 3 600 Hz,行程 H 1 =32.5 mm(氣門彈簧安裝高度),H 2 =22.5 mm(氣門彈簧壓緊高度)。因在正常試驗條件下,彈簧樣件在耐久臺架上不會失效,即超過 1 億次沒有失效。因此采用增加應力來進行對比試驗,即把彈簧樣件的自由高從 42.8mm 增加到 48.7 mm,其最大應力響應從 863 MPa 提高到 1 100 MPa,其他試驗條件不變。
    改進前后各30件彈簧的試驗結果見表 1。從中可以看出,改進前彈簧有 5 根發生斷裂,其中 2根在小于 1 億次前發生,改進后氣門彈簧疲勞強度有了大幅提高,僅 1 根彈簧在 1.234 億次時斷裂。
    表 1 氣門彈簧疲勞試驗結果

    4.2 發動機臺架耐久試驗
    改進后的氣門彈簧樣件完成發動機臺架 385 h耐久試驗,相當于整車超過 200 000 km 耐久考核試驗。完成試驗后的氣門彈簧未出現失效,檢測結果如表 2 和表 3 所示,其中 P1 為行程 H 1 =32.5mm (氣門彈簧安裝高度) 時的彈簧力,P2 為 H 2 =22.5 mm (氣門彈簧壓緊高度) 時的彈簧力。試驗前后彈簧松弛結果均在 5%可接受范圍內,各項尺寸參數指標均符合要求。
    表 2 進氣門彈簧臺架試驗前后測量對比

    表 3 排氣門彈簧臺架試驗前后測量對比

    5 結束語
    隨著現代發動機性能要求的提升,氣門彈簧所需要承受的最大應力越來越大,往往需要承受超過800 MPa 的高應力,甚至最大應力超過 1 000 MPa。由于布置空間的限制,通過優化氣門彈簧設計參數來降低最大應力的空間越來越小,提高彈簧本身的疲勞強度成為了改進的主要方向,因此新材料的應用及熱處理工藝改進等都是氣門彈簧改進的方向。而通過改進噴丸工藝提高氣門彈簧的疲勞強度則是其中相對來說最具性價比的改進手段,其成本相對來說較低,而改進效果明顯。
    從本文的研究結果可以得出以下結論:
    (1) 通過改進噴丸工藝可以提高氣門彈簧殘余應力。
    (2) 通過使用滾筒式噴丸機替代通過式噴丸機,加大噴丸強度和加大丸粒直徑,可以有效地提高氣門彈簧殘余應力。
    (3) 延長噴丸時間在噴丸已經完全覆蓋的情況下對氣門彈簧的殘余應力提高幫助不大。
    (4) 殘余應力對氣門彈簧疲勞強度的影響除了大小外,殘余應力的分布也有很大影響,需要對表面以下 200 μm的殘余應力提出要求。
    (5) 通過提高氣門彈簧的殘余應力,可以有效地提高氣門彈簧的疲勞強度,改進氣門彈簧的疲勞壽命。本文由拋丸機廠家整理

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