金属表面喷丸工艺详解：原理、设备与应用
金属表面喷丸工艺详解：原理、设备与应用
喷丸处理是一种冷加工表面处理技术，主要用于提高金属零件的疲劳强度和抗应力腐蚀性能。本文将详细介绍喷丸处理的定义、分类、设备、弹丸种类、喷嘴类型、影响喷丸质量的参数以及喷丸强化的应用范围等内容。
喷丸处理概述
喷丸处理是一种冷加工表面处理技术，主要用于提高金属零件的疲劳强度和抗应力腐蚀性能，利用高速喷射出的砂丸和铁丸，对工件表面进行撞击，以提高零件的部分力学性能和改变表面状态的工艺方法。喷丸可用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐蚀性等，还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等。
主要分类
喷丸又分为喷丸和喷砂。用喷丸进行表面处理，打击力大，清理效果明显。但喷丸对薄板工件的处理，容易使工件变形，且钢丸打击到工件表面（无论抛丸或喷丸）使金属基材产生变形，由于Fe3O4和Fe2O3没有塑性，破碎后剥离，而油膜与基材一同变形，所以对带有油污的工件，抛丸、喷丸无法彻底清除油污。在现有的工件表面处理方法中，清理效果最佳的还数喷砂清理。
喷砂适用于工件表面要求较高的清理。但是我国目前通用喷砂设备中多由铰龙、刮板、斗式提升机等原始笨重输砂机械组成。用户需要施建一个深地坑及做防水层来装置机械，建设费用高，维修工作量及维修费用极大，喷砂过程中产生大量的矽尘无法清除，严重影响操作工人的健康并污染环境。
喷丸强化分为一般喷丸和应力喷丸。一般处理时，钢板在自由状态下，用高速钢丸打击钢板的里面，使其表面产生预压应力。以减少工作中钢板表面的拉应力，增加使用寿命。应力喷丸处理是将钢板在一定的作用力下的预先弯曲,然后进行喷丸处理。
喷丸设备的分类
喷丸强化设备主要有两类：
一、机械离心式喷丸机，适用于要求喷丸强度高、品种少、批量大、形状简单、尺寸较大的零件。
二、气动式喷丸机(压缩空气式),适用于要求喷丸强度适中、形状复杂、尺寸较小的零件。
弹丸的介绍
铸钢丸
其硬度一般为4050HRC，加工硬金属时，可把硬度提高到5762HRC。铸钢丸的韧性较好，使用广泛，其使用寿命为铸铁丸的几倍。铸铁丸
其硬度为58~65HRC，质脆而易于破碎。寿命短，使用不广。主要用于需喷丸强度高的场合。
玻璃丸
硬度较前两者低，主要用于、钛、铝、镁及其它不允许铁质污染的材料，也可在钢铁丸喷丸后作第二次加工之用，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。陶瓷丸
陶瓷丸的化学成分大致为67%的ZrO2、31%的SiO2及2%的Al2O3为主的夹杂物，经熔化、雾化、烘干、选圆、筛分制成的，硬度相当于HRC57~63。其突出性能是密度比玻璃高、硬度高。最早于20世纪80年代初期用于飞机的零部件强化。陶瓷丸具有较高的强度，寿命比玻璃丸长，价格比较低，现已扩展到钛合金、铝合金等有色金属的表面强化。
喷丸机喷嘴的介绍
直桶形喷嘴
直桶形喷嘴结构简单，其内部结构只有收缩段和平直段两部分。文丘里形喷嘴
文丘里形喷嘴在结构上分成收缩段、平直段和扩散段三部分，制作难度显着增加。双文丘里形喷嘴
双文丘里形喷嘴有前后两个喷嘴，二者之间有间隔，在间隔处的四周有几个小孔。方孔喷嘴
目前国外研制出一种进口端与出口端都成正方形的喷嘴，各方面试验表明，该喷嘴比文丘里形喷嘴的工作效率更高，经济性更好。
影响喷丸质量的参数
喷丸强度
影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等覆盖率
覆盖率的影响因素：零件材料的硬度、弹丸直径、喷射角度及距离、喷丸时间等表面粗糙度
粗糙度的影响因素：零件材料的强度和硬度、弹丸直径、喷射角度及速度、零件的原始表面粗糙度
零件喷丸强化后的特点
零件受喷表面残余压应力的大小和压应力层的深度取决于受喷材料的性能和喷丸强度。材料的强度和硬度越高,压应力就越大,压应力层的深度就越浅,喷丸强度越高,压应力层的深度也越大；
受喷表层的材料组织发生变化
受喷表面变得粗糙。受喷表面的粗糙度随着喷丸强度的提高、表层硬度的降低和弹丸尺寸的减小而变差。尺寸增大。受喷表面的金属被挤出,形成微小的金属波峰,故而尺寸增大。
喷丸强化应用范围
喷丸强化可预防汽车零件弯曲疲劳；喷丸强化可改善齿廓根部的弯曲疲劳属性；喷丸强化可提高曲轴的抗疲劳性能和安全使用寿命；喷丸强化可增加连杆的强度和刚度；
强力喷丸工艺可提高齿轮齿部弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮寿命的重要途径；
表面喷丸强化是提高紧固件抗疲劳断裂的应力腐蚀、氢脆断裂的一种行之有效的表面强化工艺。经过喷丸强化后工件的使用可靠性、耐久性均可获得明显的改善和提高；
表面喷丸通过改变材料的组织来达到改善疲劳性能（包括应力腐蚀性能）的目的，可提高紧固件品质。