曲轴断裂的原因和喷丸强化的应用

曲轴，无论是汽车发动机曲轴、船用发动机曲轴还是工业泵曲轴，在旋转过程中，承受着交变弯曲与交变扭转载荷的共同作用，曲轴的各危险断面尤其是轴颈与曲柄间过渡圆角处，经常由于应力的高度集中造成曲轴断裂。因此，服役条件要求曲轴具备足够的强度，确保曲轴在运转过程中不出现断裂事故。目前，通过喷丸强化来改变曲轴抗疲劳性能已在相当广泛的范围内被普遍应用，且效果相当满意。

 

相较于传统滚压工艺的缺陷，即由于受曲轴加工工艺性的限制，各轴颈圆角很难与滚轮相吻合，往往造成圆角的啃切现象，而且滚压后的曲轴变形较大，效果不佳。而喷丸强化的机理是利用严格控制直径并具有一定强度的丸粒，在高速气流作用下，形成弹丸流并连续向曲轴金属表面喷射，就像用无数个小锤进行锤击，使曲轴表面产生极为强烈的塑性变形，形成冷作硬化层。简单而言，由于曲轴在加工中受各种机械切削力的作用，其表面，特别是曲轴截面变化转接圆角处的应力分布极不均匀，工作中又受交变应力作用，因此很容易产生应力腐蚀而使曲轴的疲劳寿命降低。而喷丸强化工艺就是通过引入一个预压应力来抵消零件在以后工作周期会受到的拉应力，从而提高工件抗疲劳性能和安全使用寿命。

 

此外，曲轴锻件毛胚由钢锭直接开胚制成或热轧钢锻造而成，如果锻造和轧制工艺控制不当，毛胚中往往会存在成分偏析、原始组织晶粒粗大、内部组织分布不合理等冶金及组织缺陷，从而使曲轴的疲劳寿命降低，强化工艺能使组织结构细化，显著改善其疲劳性能。

 

对于喷丸强化过程，有两个最关键的参数。一个是应力强度，这通常是采用“阿尔门试片”，进行强度检测。多个试片固定在曲轴的不同表面，特别是应力最集中的曲轴截面变化转接圆角处，一同进行喷丸，试片上产生的压应力影响导致试片弓曲。曲率的扩大变化与丸料冲击的能量成比例。另一个确定喷丸质量的主要参数是覆盖率。所谓覆盖率是指强化后表面弹坑占据的面积与总强化表面的比值，该参数是由曲轴的设计工程师来定义，通常是在100% - 200%，有些曲轴应用可能要求覆盖率高于200%。

 

根据曲轴的硬度和理想的导入压应力强度，通常曲轴喷丸强化使用的丸粒硬度在50 -55 HRC，大小在S 280 - S 330 (0.7 mm - 0.84 mm)。这样产生在“阿尔门试片”上的强度范围约在0.008 - 0.010 C (0.025 on the A scale).

 

相较于抛丸清理，喷丸强化的工艺参数监控更为严苛，就曲轴强化应用，需要监控的参数包括:

 

 

这些参数中任意一个的变化，都会不同程度地影响曲轴表面强化的效果。