齒輪加工中的強(qiáng)力噴丸工藝

實(shí)踐證明，強(qiáng)力噴丸工藝是提高齒輪齒部彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的重要方法，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪壽命的重要途徑。

強(qiáng)力噴丸工藝最早產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代，主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。隨著應(yīng)用范圍的推廣，強(qiáng)力噴丸工藝提高齒輪疲勞強(qiáng)度和壽命的能力已被很多企業(yè)所證實(shí)。

工作原理

強(qiáng)力噴丸工藝主要是利用高速?lài)娚涞募?xì)小鋼丸在室溫下撞擊受?chē)姽ぜ砻妫构ぜ韺硬牧袭a(chǎn)生彈塑性變形并呈現(xiàn)較高的殘余壓應(yīng)力，從而提高工件表面強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度。噴丸一方面使零件表面發(fā)生彈性變形，同時(shí)也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯(cuò)，使材料表面發(fā)生加工強(qiáng)化。如圖1所示：

噴丸對(duì)表面形貌和性能的影響主要表現(xiàn)在改變零件的表面硬度、表面粗糙度、抗應(yīng)力腐蝕能力和零件的疲勞壽命。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發(fā)生循環(huán)塑性變形。根據(jù)材料的性質(zhì)和狀態(tài)的不同，噴丸后材料的表層將發(fā)生以下變化：硬度變化、組織結(jié)構(gòu)的變化、相轉(zhuǎn)變、表層殘余應(yīng)力場(chǎng)的形成、表面粗糙度的變化等。

噴丸強(qiáng)度的測(cè)量方法

當(dāng)一塊金屬片接受鋼丸流的噴擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲。飽和狀態(tài)和噴丸強(qiáng)度是噴丸加工工藝中的兩個(gè)重要概念。飽和狀態(tài)是指在同一條件下繼續(xù)噴擊而不再改變受?chē)妳^(qū)域機(jī)械特性時(shí)的狀態(tài)。所謂噴丸強(qiáng)度，就是通過(guò)打擊預(yù)制成一定規(guī)格的金屬片（即試片），在規(guī)定的時(shí)間使之達(dá)到飽和狀態(tài)的強(qiáng)弱程度，并用試片彎曲的弧高值來(lái)度量其噴擊的強(qiáng)弱程度。

目前，應(yīng)用最廣的美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)工程學(xué)會(huì)噴丸標(biāo)準(zhǔn)中采用阿爾曼提出的噴丸強(qiáng)化檢驗(yàn)法——弧高度法，該方法由美國(guó)GM公司的J. O. Almen（阿爾門(mén)）提出，并由SAEJ442a和SAE443標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量方法，其要點(diǎn)是用一定規(guī)格的彈簧鋼試片通過(guò)檢測(cè)噴丸強(qiáng)化后的形狀變化來(lái)反映噴丸效果。對(duì)薄板試片進(jìn)行單面噴丸時(shí)，由于表面層在彈丸作用下產(chǎn)生參與拉伸形變，所以薄板向噴丸面呈球面彎曲。通常在一定跨度距離上測(cè)量球面的弧高度值，用其來(lái)度量噴丸的強(qiáng)度。測(cè)定弧高度值是通過(guò)將阿爾門(mén)試片固定在專(zhuān)用夾具上，經(jīng)噴丸后，再取下試片，然后用阿爾門(mén)量規(guī)測(cè)量試片經(jīng)單面噴丸作用下產(chǎn)生的參與拉伸形變量（即弧高度值）。如用試片測(cè)得的弧高值為0.35mm時(shí)，記作0.35A。

噴丸強(qiáng)度的另一種檢驗(yàn)方法為殘余應(yīng)力檢測(cè)，即對(duì)經(jīng)強(qiáng)力噴丸后的工件進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測(cè)，具體的檢驗(yàn)方法為X射線衍射法。在美國(guó)SAE J784a標(biāo)準(zhǔn)中推薦如下方法：X射線的入射和衍射束必須平行于齒輪的齒根，圓柱直齒輪和圓柱螺旋齒輪上的測(cè)量位置應(yīng)當(dāng)在齒根的寬度中央，照射區(qū)域必須集中在齒根圓角的中心，不能橫向延伸超出規(guī)定的齒根圓角表面深度的測(cè)量點(diǎn)，照射區(qū)域大小的控制可以通過(guò)對(duì)直光束和適當(dāng)遮蓋齒根表面實(shí)現(xiàn)；在每個(gè)選定受檢的齒輪上，最少要任選兩個(gè)齒進(jìn)行評(píng)估，兩齒間隔180?。如果齒的有效齒廓受到保護(hù)沒(méi)有研磨，則可以認(rèn)為齒根研磨的用于表面下殘余應(yīng)力測(cè)量的齒輪未受損壞并且可以用于生產(chǎn)。

噴丸對(duì)提高零件疲勞抗力的作用

借助表面冷變形實(shí)現(xiàn)材料表面強(qiáng)化的本質(zhì)在于冷變形造成材料表層組織結(jié)構(gòu)的變化、引入殘余壓應(yīng)力以及表面形貌的變化。

1、噴丸使材料表面性能改善

強(qiáng)化噴丸過(guò)程中，當(dāng)微小球形鋼丸高速撞擊受?chē)姽ぜ砻鏁r(shí)，使工件表層材料產(chǎn)生彈、塑性變形，撞擊處因塑性形變而產(chǎn)生一壓坑，撞擊導(dǎo)致壓坑附近的表面材料發(fā)生徑向延伸。當(dāng)越來(lái)越多的鋼丸撞擊到受?chē)姽ぜ砻鏁r(shí)，工件表面越來(lái)越多的部分因吸收高速運(yùn)動(dòng)鋼丸的動(dòng)能而產(chǎn)生塑性流變，使表面材料因塑性變化而產(chǎn)生的徑向延伸區(qū)域越來(lái)越大，發(fā)生塑性形變的表面逐步連接成片，則使工件表面逐步形成一層均勻的塑性變形層。塑性變形層形成后，繼續(xù)噴丸會(huì)使塑變層因繼續(xù)延伸而厚度逐步變薄，同時(shí)塑變層的徑向延伸會(huì)因受到鄰近區(qū)域的限制而導(dǎo)致重疊部分發(fā)生破壞，最終塑變層因持續(xù)的噴丸而剝落。所以必須對(duì)噴丸的時(shí)間加以嚴(yán)格的控制。

2、噴丸對(duì)滲碳齒輪表層殘余應(yīng)力的影響

關(guān)于噴丸使工件表面形成殘余應(yīng)力的原因，根據(jù)Al-Obaid等人的觀點(diǎn)：當(dāng)高速鋼丸撞擊到試樣表面,撞擊處產(chǎn)生塑性變形而殘余一壓坑,當(dāng)越來(lái)越多的鋼丸撞擊到試樣表面時(shí),則會(huì)在試樣表層產(chǎn)生一層均勻的塑變層,由于塑性變形層的體積膨脹會(huì)受到來(lái)自未塑性變形近鄰區(qū)域的限制,因此整個(gè)塑變層受到一壓應(yīng)力。

由于殘余壓應(yīng)力及其分布對(duì)齒輪疲勞壽命有較大的影響,而噴丸強(qiáng)化工藝的優(yōu)劣將直接影響殘余應(yīng)力大小及其分布。因此準(zhǔn)確測(cè)定受?chē)娏慵谋韺託堄鄳?yīng)力對(duì)于評(píng)價(jià)噴丸工藝的優(yōu)劣是一個(gè)行之有效的手段。

3、噴丸對(duì)零件表面粗糙度的影響

強(qiáng)化噴丸會(huì)引起零件受?chē)姳砻娴乃苄宰冃?，使零件的表面粗糙度發(fā)生變化。表面粗糙度是一種微觀幾何形狀誤差，又稱(chēng)為微觀不平度。表面粗糙度和表面波度、形狀誤差一樣，都屬于零件的幾何形狀誤差，表面粗糙度對(duì)于機(jī)器零件的使用性能有著重要的影響。噴丸對(duì)材料表面粗糙度的影響通常在Ra0.6～20mm范圍內(nèi)。在不改變工藝參數(shù)的條件下，材料原始表面粗糙度愈高，噴丸后的Ra值愈大。生產(chǎn)實(shí)踐證明，一般情況下，噴前表面粗糙度在6.3mm以下，噴丸可以提高或維持原表面粗糙度，如果原表面粗糙度在6.3mm以上，則噴丸后表面粗糙度有所降低。在生產(chǎn)實(shí)踐中，要想獲得較理想的噴丸表面，應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：提供較好的原始表面，Ra值應(yīng)在6.3mm以下；選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力；在大直徑鋼丸噴丸強(qiáng)化后，采用較小鋼丸低壓力(不能改變噴丸強(qiáng)度值)覆蓋一次，可達(dá)到較好的表面粗糙度。

噴丸后的零件表面應(yīng)輕微打磨，打磨時(shí)要控制表面金屬去除量。這樣，既不損害噴丸的強(qiáng)化效果，又可改善表面粗糙度。當(dāng)然，這是一個(gè)多因素問(wèn)題,不論采用什么方法，必須同時(shí)考慮其他因素的影響。

工藝參數(shù)對(duì)噴丸效果的影響

對(duì)噴丸質(zhì)量有影響的主要有以下幾個(gè)方面：鋼丸材料、鋼丸直徑、鋼丸速度、鋼丸流量、噴射角度、噴射距離、噴射時(shí)間、覆蓋率等。其中任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)不同程度地影響噴丸強(qiáng)化的效果。

1、鋼丸的材料、硬度、尺寸及粒度對(duì)噴丸效果的影響

鑄鐵丸和鑄鋼丸通常用于硬齒面齒輪的噴丸。鑄鐵丸的缺點(diǎn)是韌性較低，在噴丸過(guò)程中易于破碎、耗損量大，對(duì)破碎的鋼丸要及時(shí)分離，否則會(huì)影響受?chē)姳砻尜|(zhì)量。但鑄鐵丸的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、硬度高，可以使受?chē)姳砻娈a(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力。鑄鋼丸與鑄鐵丸相比，其優(yōu)點(diǎn)是不易破碎，對(duì)受?chē)姳砻鎺缀涡蚊灿欣?。但鑄鋼丸硬度較鑄鐵丸低，在其他條件相同時(shí)，受?chē)姳砻娴臍堄鄩簯?yīng)力低于鑄鐵丸。

對(duì)于受?chē)姽ぜ?，鋼丸質(zhì)量和鋼丸速度決定了噴丸強(qiáng)化效果的穩(wěn)定性。其中，鋼丸質(zhì)量對(duì)噴丸強(qiáng)化效果影響甚大，一般規(guī)律是：鋼丸直徑小，工件表面殘余應(yīng)力較高，但強(qiáng)化層較淺；鋼丸直徑大，工件表面殘余應(yīng)力較低，但強(qiáng)化層較深；鋼丸硬度高，噴丸強(qiáng)度也高；鋼丸直徑增加，噴丸強(qiáng)度也增加；鋼丸速度增加，噴丸強(qiáng)度、表面壓應(yīng)力和強(qiáng)化層深三者均增加。

合理的選擇控制噴丸參數(shù)，才能獲得良好的噴丸效果。

通常情況下，鋼丸的直徑受到所噴零件的影響，鋼丸的直徑一般不應(yīng)大于齒輪過(guò)渡區(qū)圓角直徑的一半。過(guò)大的鋼丸不能?chē)娂褒X輪圓角處。當(dāng)對(duì)表面粗糙度有要求時(shí)，應(yīng)盡量選用較小的鋼丸。為了達(dá)到覆蓋率要求所需的噴丸時(shí)間將隨著鋼丸尺寸的加大而迅速增加，小鋼丸可以較快地達(dá)到覆蓋率的要求。因此，鋼丸的直徑不宜選得過(guò)大，我公司根據(jù)實(shí)際情況，選用直徑為φ0.6mm、φ0.8mm的鋼丸，獲得的效果比較理想。

同時(shí)鋼丸的材料也非常重要，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對(duì)鋼丸的金相組織、化學(xué)成分、最小密度、硬度偏差范圍給出嚴(yán)格的規(guī)范。合格材料的鋼丸都應(yīng)嚴(yán)格控制質(zhì)量，保證球面形狀尺寸均勻，保證充足的鋼丸數(shù)量。鋼丸量的減少，相應(yīng)噴丸強(qiáng)度也會(huì)降低。所以必須在一定間隔時(shí)間內(nèi)檢查鋼丸，及時(shí)去除不合格的鋼丸，調(diào)換和增加一定量的鋼丸。否則，畸形鋼丸的棱角容易使受?chē)娏慵砻娈a(chǎn)生微裂紋而造成疲勞源。一般應(yīng)保證合格鋼丸的數(shù)量不少于80%。合格鋼丸的含量一般選用不同規(guī)格的篩網(wǎng)加以控制（如圖2所示）。

鋼丸硬度的選擇應(yīng)考慮工件材料的硬度。當(dāng)鋼丸的硬度非常接近齒輪材料的硬度時(shí)，最大壓應(yīng)力與壓縮深度將不受鋼丸硬度的影響。因此，選擇鋼丸時(shí)，應(yīng)使鋼丸的硬度大于或等于齒輪噴丸表面的硬度。對(duì)滲碳齒輪，最好選用硬度為55～65HRC的鋼丸，以得到滿(mǎn)意的壓應(yīng)力效果。

2、鋼丸的流量、速度、噴射角度對(duì)噴丸效果的影響

拋頭是由變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)改變電機(jī)的頻率可以改變拋頭的轉(zhuǎn)速。鋼丸在離心力的作用下從葉輪軸上的孔溢出到葉片上（如圖3所示），再由高速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片沿固定角度拋出，葉輪的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了鋼丸拋出的初速度。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速是3000r/min。

由于拋頭轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，鋼丸會(huì)源源不斷地拋出，因此進(jìn)入拋頭葉輪軸的鋼丸流量必須能保證拋頭有充足的鋼丸供給，這就要求經(jīng)常補(bǔ)充噴丸機(jī)鋼丸回收系統(tǒng)中的鋼丸存量，更重要的是通過(guò)調(diào)節(jié)丸料控制閥的開(kāi)口大小來(lái)調(diào)整經(jīng)過(guò)丸料控制閥進(jìn)入拋頭的鋼丸流量。噴丸機(jī)的鋼丸的輸入量一經(jīng)調(diào)好后就固定不變了，在正常使用中改變鋼丸流量是通過(guò)調(diào)節(jié)拋頭的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即在鋼丸輸入量不變的情況下提高葉輪轉(zhuǎn)速，則單位時(shí)間內(nèi)拋出的鋼丸流量就大，反之亦然。在噴丸機(jī)上，每個(gè)拋頭都有一個(gè)安培表與之相連，用來(lái)顯示鋼丸的流量。當(dāng)噴丸質(zhì)量達(dá)不到技術(shù)要求時(shí)，需調(diào)整電機(jī)頻率，調(diào)整就是通過(guò)安培表顯示的讀數(shù)來(lái)確定調(diào)整到何種程度的。安培表的讀數(shù)范圍是0～30A。

結(jié)論

在噴丸過(guò)程中，材料表層承受鋼丸的劇烈沖擊產(chǎn)生形變硬化層，這將導(dǎo)致兩種效果：一是組織上造成亞晶細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變加??；二是引入高的宏觀殘余壓應(yīng)力。此外，由于鋼丸沖擊使表面粗糙度有所增加，會(huì)使切削加工時(shí)產(chǎn)生的尖銳刀痕趨于圓滑。