齿轮加工中的强力喷丸工艺-三泰轴承技术

实践证明，强力喷丸工艺是提高齿轮齿部弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的重要方法，是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮寿命的重要途径。 


　　强力喷丸工艺最早产生于20世纪20年代，主要应用在军事领域。随着应用范围的推广，强力喷丸工艺提高齿轮疲劳强度和寿命的能力已被很多企业所证实。 

　　工作原理 


　　强力喷丸工艺主要是利用高速喷射的细小钢丸在室温下撞击受喷工件表面，使工件表层材料产生弹塑性变形并呈现较高的残余压应力，从而提高工件表面强度及疲劳强度。喷丸一方面使零件表面发生弹性变形，同时也产生了大量孪晶和位错，使材料表面发生加工强化。
喷丸对表面形貌和性能的影响主要表现在改变零件的表面硬度、表面粗糙度、抗应力腐蚀能力和零件的疲劳寿命。零件的材料表层在钢丸束的冲击下发生循环塑性变形。根据材料的性质和状态的不同，喷丸后材料的表层将发生以下变化：硬度变化、组织结构的变化、相转变、表层残余应力场的形成、表面粗糙度的变化等。 


　　喷丸强度的测量方法 


　　当一块金属片接受钢丸流的喷击时会产生弯曲。饱和状态和喷丸强度是喷丸加工工艺中的两个重要概念。饱和状态是指在同一条件下继续喷击而不再改变受喷区域机械特性时的状态。所谓喷丸强度，就是通过打击预制成一定规格的金属片（即试片），在规定的时间使之达到饱和状态的强弱程度，并用试片弯曲的弧高值来度量其喷击的强弱程度。 


　　目前，应用最广的美国机动车工程学会喷丸标准中采用阿尔曼提出的喷丸强化检验法——弧高度法，该方法由美国GM公司的J. O. Almen（阿尔门）提出，并由SAEJ442a和SAE443标准规定的测量方法，其要点是用一定规格的弹簧钢试片通过检测喷丸强化后的形状变化来反映喷丸效果。对薄板试片进行单面喷丸时，由于表面层在弹丸作用下产生参与拉伸形变，所以薄板向喷丸面呈球面弯曲。通常在一定跨度距离上测量球面的弧高度值，用其来度量喷丸的强度。测定弧高度值是通过将阿尔门试片固定在专用夹具上，经喷丸后，再取下试片，然后用阿尔门量规测量试片经单面喷丸作用下产生的参与拉伸形变量（即弧高度值）。如用试片测得的弧高值为0.35mm时，记作0.35A。 


　　喷丸强度的另一种检验方法为残余应力检测，即对经强力喷丸后的工件进行残余应力的检测，具体的检验方法为X射线衍射法。在美国SAE J784a标准中推荐如下方法：X射线的入射和衍射束必须平行于齿轮的齿根，圆柱直齿轮和圆柱螺旋齿轮上的测量位置应当在齿根的宽度中央，照射区域必须集中在齿根圆角的中心，不能横向延伸超出规定的齿根圆角表面深度的测量点，照射区域大小的控制可以通过对直光束和适当遮盖齿根表面实现；在每个选定受检的齿轮上，最少要任选两个齿进行评估，两齿间隔180?。如果齿的有效齿廓受到保护没有研磨，则可以认为齿根研磨的用于表面下残余应力测量的齿轮未受损坏并且可以用于生产。
喷丸对提高零件疲劳抗力的作用 

　　借助表面冷变形实现材料表面强化的本质在于冷变形造成材料表层组织结构的变化、引入残余压应力以及表面形貌的变化。 


　　1、喷丸使材料表面性能改善 


　　强化喷丸过程中，当微小球形钢丸高速撞击受喷工件表面时，使工件表层材料产生弹、塑性变形，撞击处因塑性形变而产生一压坑，撞击导致压坑附近的表面材料发生径向延伸。当越来越多的钢丸撞击到受喷工件表面时，工件表面越来越多的部分因吸收高速运动钢丸的动能而产生塑性流变，使表面材料因塑性变化而产生的径向延伸区域越来越大，发生塑性形变的表面逐步连接成片，则使工件表面逐步形成一层均匀的塑性变形层。塑性变形层形成后，继续喷丸会使塑变层因继续延伸而厚度逐步变薄，同时塑变层的径向延伸会因受到邻近区域的限制而导致重叠部分发生破坏，最终塑变层因持续的喷丸而剥落。所以必须对喷丸的时间加以严格的控制。 


　　2、喷丸对渗碳齿轮表层残余应力的影响 


　　关于喷丸使工件表面形成残余应力的原因，根据Al-Obaid等人的观点：当高速钢丸撞击到试样表面,撞击处产生塑性变形而残余一压坑,当越来越多的钢丸撞击到试样表面时,则会在试样表层产生一层均匀的塑变层,由于塑性变形层的体积膨胀会受到来自未塑性变形近邻区域的限制,因此整个塑变层受到一压应力。 


　　由于残余压应力及其分布对齿轮疲劳寿命有较大的影响,而喷丸强化工艺的优劣将直接影响残余应力大小及其分布。因此准确测定受喷零件的表层残余应力对于评价喷丸工艺的优劣是一个行之有效的手段。 


　　3、喷丸对零件表面粗糙度的影响 


　　强化喷丸会引起零件受喷表面的塑性变形，使零件的表面粗糙度发生变化。表面粗糙度是一种微观几何形状误差，又称为微观不平度。表面粗糙度和表面波度、形状误差一样，都属于零件的几何形状误差，表面粗糙度对于机器零件的使用性能有着重要的影响。喷丸对材料表面粗糙度的影响通常在Ra0.6～20mm范围内。在不改变工艺参数的条件下，材料原始表面粗糙度愈高，喷丸后的Ra值愈大。生产实践证明，一般情况下，喷前表面粗糙度在6.3mm以下，喷丸可以提高或维持原表面粗糙度，如果原表面粗糙度在6.3mm以上，则喷丸后表面粗糙度有所降低。在生产实践中，要想获得较理想的喷丸表面，应从以下几个方面着手：提供较好的原始表面，Ra值应在6.3mm以下；选择合理的钢丸直径和喷丸压力；在大直径钢丸喷丸强化后，采用较小钢丸低压力(不能改变喷丸强度值)覆盖一次，可达到较好的表面粗糙度。 


　　喷丸后的零件表面应轻微打磨，打磨时要控制表面金属去除量。这样，既不损害喷丸的强化效果，又可改善表面粗糙度。当然，这是一个多因素问题,不论采用什么方法，必须同时考虑其他因素的影响。 

　　工艺参数对喷丸效果的影响 

　　对喷丸质量有影响的主要有以下几个方面：钢丸材料、钢丸直径、钢丸速度、钢丸流量、喷射角度、喷射距离、喷射时间、覆盖率等。其中任何一个参数的变化都会不同程度地影响喷丸强化的效果。 


　　1、钢丸的材料、硬度、尺寸及粒度对喷丸效果的影响 


　　铸铁丸和铸钢丸通常用于硬齿面齿轮的喷丸。铸铁丸的缺点是韧性较低，在喷丸过程中易于破碎、耗损量大，对破碎的钢丸要及时分离，否则会影响受喷表面质量。但铸铁丸的优点是价格便宜、硬度高，可以使受喷表面产生较高的残余压应力。铸钢丸与铸铁丸相比，其优点是不易破碎，对受喷表面几何形貌有利。但铸钢丸硬度较铸铁丸低，在其他条件相同时，受喷表面的残余压应力低于铸铁丸。 


　　对于受喷工件而言，钢丸质量和钢丸速度决定了喷丸强化效果的稳定性。其中，钢丸质量对喷丸强化效果影响甚大，一般规律是：钢丸直径小，工件表面残余应力较高，但强化层较浅；钢丸直径大，工件表面残余应力较低，但强化层较深；钢丸硬度高，喷丸强度也高；钢丸直径增加，喷丸强度也增加；钢丸速度增加，喷丸强度、表面压应力和强化层深三者均增加。 


　　合理的选择控制喷丸参数，才能获得良好的喷丸效果。 


　　通常情况下，钢丸的直径受到所喷零件的影响，钢丸的直径一般不应大于齿轮过渡区圆角直径的一半。过大的钢丸不能喷及齿轮圆角处。当对表面粗糙度有要求时，应尽量选用较小的钢丸。为了达到覆盖率要求所需的喷丸时间将随着钢丸尺寸的加大而迅速增加，小钢丸可以较快地达到覆盖率的要求。因此，钢丸的直径不宜选得过大，我公司根据实际情况，选用直径为φ0.6mm、φ0.8mm的钢丸，获得的效果比较理想。 

　　同时钢丸的材料也非常重要，国家标准中已经对钢丸的金相组织、化学成分、最小密度、硬度偏差范围给出严格的规范。合格材料的钢丸都应严格控制质量，保证球面形状尺寸均匀，保证充足的钢丸数量。钢丸量的减少，相应喷丸强度也会降低。所以必须在一定间隔时间内检查钢丸，及时去除不合格的钢丸，调换和增加一定量的钢丸。否则，畸形钢丸的棱角容易使受喷零件表面产生微裂纹而造成疲劳源。一般应保证合格钢丸的数量不少于80％。合格钢丸的含量一般选用不同规格的筛网加以控制。
钢丸硬度的选择应考虑工件材料的硬度。当钢丸的硬度非常接近齿轮材料的硬度时，最大压应力与压缩深度将不受钢丸硬度的影响。因此，选择钢丸时，应使钢丸的硬度大于或等于齿轮喷丸表面的硬度。对渗碳齿轮，最好选用硬度为55～65HRC的钢丸，以得到满意的压应力效果。 


　　2、钢丸的流量、速度、喷射角度对喷丸效果的影响 


　　抛头是由变频电机直接驱动的，通过改变电机的频率可以改变抛头的转速。钢丸在离心力的作用下从叶轮轴上的孔溢出到叶片上，再由高速转动的叶片沿固定角度抛出，叶轮的转速决定了钢丸抛出的初速度。电机的最大转速是3000r/min。

由于抛头转动起来以后，钢丸会源源不断地抛出，因此进入抛头叶轮轴的钢丸流量必须能保证抛头有充足的钢丸供给，这就要求经常补充喷丸机钢丸回收系统中的钢丸存量，更重要的是通过调节丸料控制阀的开口大小来调整经过丸料控制阀进入抛头的钢丸流量。喷丸机的钢丸的输入量一经调好后就固定不变了，在正常使用中改变钢丸流量是通过调节抛头的转速来实现的，即在钢丸输入量不变的情况下提高叶轮转速，则单位时间内抛出的钢丸流量就大，反之亦然。在喷丸机上，每个抛头都有一个安培表与之相连，用来显示钢丸的流量。当喷丸质量达不到技术要求时，需调整电机频率，调整就是通过安培表显示的读数来确定调整到何种程度的。安培表的读数范围是0～30A。 

　　结论 

　　在喷丸过程中，材料表层承受钢丸的剧烈冲击产生形变硬化层，这将导致两种效果：一是组织上造成亚晶细化，位错密度增加，晶格畸变加剧；二是引入高的宏观残余压应力。此外，由于钢丸冲击使表面粗糙度有所增加，会使切削加工时产生的尖锐刀痕趋于圆滑。这些变化将明显地提高材料的疲劳抗力和应力腐蚀抗力，从而明显地提高齿轮的寿命。

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