弹簧珠击加工技术理论与SWOSC.docx

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弹簧珠击加工技术理论与SWOSC

彈簧珠擊加工技術理論與

SWOSC、SWPB實作經驗

數據分析

黃俊清

（台灣長益彈簧廠股份有限公司）

（大陸福州長榕彈簧有限公司）

摘要

珠擊是廣為大家所熟悉的冷間加工技術，其主要目的是利用珠擊加工後所產生的殘留壓縮應力，藉以抵抗細微裂紋的發展，進而提昇了被加工物的疲勞壽命。

珠擊過程中，鋼粒的種類、尺寸、速度、被加工物的硬度、負載狀況及回火加工溫度都會影響珠擊完成後殘留壓縮應力的大小及距離表面的深度；本文藉由提供參考SWOSC、SWPB兩種材質不同尺寸鋼粒大小的珠擊實驗數據，做出歸納結果。

關鍵詞

疲勞壽命、壓縮應力、拉伸應力、殘留應力、覆蓋率、阿爾蒙試片高度、應力腐蝕、磨耗腐蝕

前言

機械工件破壞的過程中，疲勞破壞成為主要因素。

就疲勞裂痕的發生、傳導、擴展來看，絕大多數的疲勞裂痕都發生在工件的表面，一旦擴展開來，最後便導致破壞斷裂。

因此、為延長工件壽命，最立刻直接的方法，就是改進工件材料表面的特性，諸如增加表面硬度、改善表面粗度及一致性、殘留壓縮應力狀態的保持、電鍍硬金屬附著等都可以改善並加強機械工件的疲勞壽命。

為達到此目的所使用的加工技術，如電荷電解研磨、淬火、滲碳雷射、滲氮、珠擊等，而其中又以珠擊之使用成本較低、加工方便而被廣泛地使用。

因此珠擊加工可說是一種相當成熟而廣泛應用的技術。

珠擊理論

所有材質的表面，通常會有不同程度的細微裂痕、不連續傷痕、甚或因模具加工造成的刻痕都會造成破壞的起點和來源；當工件遭受應力時，特別是重覆工作負載中，細微裂痕將會不斷擴展及傳導。

在工作負載中，工件的破壞通常是由於表面缺陷或工作應力過於集中而引起的。

比如，加工模具的刀痕、搬運中的抓傷、銹蝕的小孔、磨耗的擦痕、不連續的光滑面等，都是造成應力集中的原因。

珠擊的加工過程，可抵消被加工物表面的應力及大部分內應力，而且把機械加工的應力轉變成優良的壓縮應力，其殘留的壓縮應力可增加工件的疲勞壽命，並抵抗工作負載應力、應力腐蝕及環境腐蝕所造成之細微裂痕的發生與擴展。

同時、因為冷間加工的硬化效果，使得材料表面毛細孔得以閉合，優化了表面組織而成為中等粗度及一致化的表面，並增加對磨耗腐蝕的抵抗力。

因此、珠擊的目的可歸類有以下幾點：

1.優良殘留壓縮應力的發生；

2.增加疲勞抵抗力；

3.增加應力腐蝕抵抗力；

4.增加磨耗抵抗力；

5.改善表面組織；

6.增加表面附著力。

珠擊過程

珠擊加工方法是在被加工物件表面以細小的媒介物高速且重覆撞擊，每次撞擊的動作有如以極細的鋼鎚打在加工物表面，形成類似梨子皮的質地，而造成凹窩與刻痕，亦因為凹窩的產生，加工物的表面組織產生了拉力，但是在表面下的組織會試著去復原成原來的形狀，所以在凹窩下面形成了一種加工所形成的壓縮應力，而重覆遭到撞擊的地方亦形成了重疊的凹窩，並且在其下方同層組織中有了殘留應力的發生。

珠擊的加工方法不同於巨大外力錘打加工的原因在於二者所產生的應力不同，比如說以大鐵鎚打在工件表面，會產生凹面，是受到壓力而產生拉伸應力；而珠擊的加工過程中，其表面的內層會突出來，便是受到拉伸的效果而造成壓縮應力，二者是截然不同的。

壓縮加工

伸拉加工

珠擊模型

殘留壓縮應力

殘留應力顧名思意就是在加工完成後，無負載的狀況下仍存在的應力。

因此、這種應力可以為拉伸性或壓縮性。

比如熔接的加工件就包含了巨大的壓縮應力和拉伸應力，其中在接觸到熱源的區域附近產生殘留拉伸應力，而在熔接的硬化區域就有殘留之壓縮應力。

就珠擊所產生的殘留應力而言，我們從被加工物件的側面去了解在不同的表面深度中殘留應力分佈的狀況及型式。

1.SS：

表面應力--由被加工物表面測得。

2.CSmax：

最大壓縮應力--最大值之位置通常在表面下方。

3.d：

深度--在壓縮應力橫過中心軸變成對立拉伸應力的位

置。

﹪表面下深度

（－）

壓縮應力

（＋）

拉伸應力

殘留應力側面圖

4.TSmax--最大拉伸應力--最大拉伸應力的值可抵消表層的壓

縮應力值而達到平衡，但此值不可以過大以避免造成內部

破壞。

殘留應力的深度及規模

珠擊後所生成殘留應力的深度跟許多的參數有關。

在使用相同珠擊鋼粒的條件下，以阿爾蒙試片定義珠擊強度來說，越大的珠擊強度擁有著越深的殘留應力深度。

再者、珠擊強度與殘留應力的深度似乎保有一種趨於線性的關係，而且、被加工物件的抗張強度增強，其殘留應力的強度也隨之增加。

殘留應力的規模大小，決定於許多的珠擊參數，例如：

珠擊時間、鋼粒的種類、大小、硬度、流量及速度等都會影響到殘留應力規模，但最主要是和珠擊被加工物有關，其抗張強度越大的，被加工物所殘留應力的規模也越大。

最大壓縮殘留應力

深度

抗張強度

阿爾蒙試片高度

應力珠擊

有些工作只有單方向的使用應力，為了提昇這單方向的疲勞壽命，可以就單方向施以集中的珠擊，稱為應力珠擊，亦就是在被加工物有負載應力的情形下，加以珠擊，通常這種情況下珠擊加工所得到的殘留應力比正常珠擊來得大。

比如彈簧以治具負載狀況下珠擊，以及葉板型減震簧片的珠擊都是在單方向的負載狀況下進行珠擊，其中葉板型減震簧片就只做工作負載張力側的珠擊加工。

應力珠擊中，壓簧治具

預應力

殘留應力

珠擊

應力珠擊

深度

攝氏溫度℃

珠擊後熱處理

在珠擊加工完成後，如果要做應力消除熱處理時，務必注意回火溫度不可過高，過高的溫度會對殘留的壓縮應力產生破壞。

珠擊所產生一致性的殘留壓縮應力的大小，就是細微裂痕的抵抗力大小，如果回火處理溫度過高，就是降低了對於細微裂痕的抵抗能力。

華氏溫度℉

殘留壓縮應力﹪

回火溫度

珠擊殘留應力與工作負載應力之合成

在無負載的情形下，珠擊加工後之殘留應力分佈如圖所示，其中殘留拉伸應力的斜線面積總合，應當等於殘留壓縮應力斜線面積總合，亦就是殘留的拉伸與壓縮應力是相反而相等的。

在圖中表示珠擊後並處於工作負載下的應力合成，同樣的情形，所有的拉伸應力總合和壓縮應力總合是相同的。

另圖中亦說明工作負載的表面應力被珠擊後所殘留壓縮應力而降低，這個情形將抵抗並阻擋了表面裂痕的生成與擴展。

珠擊後應力分佈珠擊後負載中應力分佈

壓縮應力阻止裂痕發展

裂痕生成通常發生在材質處於應力狀況下的頂端部，因為具有拉伸應力的頂端會使得裂痕傳導；相反的、如果具有壓縮應力的頂端，將可以使裂痕不再擴張，我們可以由圖示得知。

（a）工作負載應力分佈。

（b）珠擊加工後應力分佈。

（c）工件在珠擊後並處於負載狀況下的應力分佈圖。

（d）裂紋開始生長，並且部分擴展到了拉伸應力區域。

（e）裂紋進展到了壓縮應力區域的邊際，在此時非裂痕區域

負載了由拉伸應力改變成了壓縮應力部分應力。

（f）抵消及應力改變的結果，使得拉伸應力下降，阻止了裂

痕的發展。

負載＋珠擊應力力力應

負載應力

裂紋進展

應力抵消阻止裂紋

裂紋生成

珠擊應力

彈簧珠擊效果及數據

珠擊應用於彈簧製程上已經有超過半個世紀的歷史，其中壓縮彈簧的珠擊，因為其線圈間距甚大，所產生的效果最有效而明顯，且加工過程容易控制；而拉張彈簧及扭力彈簧的珠擊較為複雜，通常須要特別的治具或以應力珠擊的形式完成，但也都可以因珠擊所產生的殘留壓縮應力而增加疲勞壽命。

現在我們僅就針對SWOSC及SWPB二種材料以不同的鋼粒大小進行實驗，並測出表面的殘留壓縮應力進行比較。

在圖表中不難發現SWOSC的珠擊效果優於SWPB。

再者、阿爾蒙試片的高度和殘留壓縮應力的值成正比，在相同線徑下，比較珠擊的結果，似乎愈小的鋼粒有著明顯的成績。

因此、我們可以歸納以下結果：

1.抗張強度愈高的材質，珠擊效果愈好。

2.鋼粒愈小，珠擊效果愈好。

3.相同覆蓋率下，阿爾蒙試片愈高，其珠擊效果愈好。

4.線徑愈小，珠擊效果愈好。

古德曼圖

5.在疲勞壽命實驗中，珠擊效果提高了彈簧對於重覆工作負

載的忍耐度，亦可以提昇彈簧在古德曼圖中可容許的使

用應力範圍。

修正末應力

修正初應力

彈簧珠擊的趨勢走向

近來，對於彈簧的疲勞壽命、彈性限度及輕量化的要求越來越嚴格。

為了提高珠擊所產生的優良殘留壓縮應力，而有了所謂雙重珠擊，亦就是同時使用兩種珠擊速度或兩種鋼粒尺寸的珠擊方法。

再者、高抗張強度彈簧線材的產生，所製成的高強度彈簧，其珠擊所使用的鋼粒硬度，亦較以往要高。

如此一來便降低鋼粒及加工設備的壽命。

因此、溫間珠擊便因應而生。

而所謂溫間珠擊是在使彈簧本身溫度在250℃~350℃的狀態下進行珠擊加工，而藉著溫度使殘留壓縮應力分佈加大、加深，進而提高珠擊的有效面積，增加殘留壓縮應力，降低凹缺口敏感度，而且加工物的硬度可大於珠擊鋼粒。

再者、以電腦控制珠擊參數的技術，也已經到了可實用的程度。

總之、彈簧珠擊的加工技術是一種方興未艾的技術，相信在不久的將來，一定會有更多新發現與新方法，亦請大家拭目以待！

參考資料

1.Wulpi,D.J."HowComponentsFail"

2.Fuchs,H.O."ShotPeeningStressProfiles"

3.Wahl,A.M."MechanicalSpring"

4.日本技術研究會,""

5.日本技術研究會,"1996論文集"