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      ?齒輪噴丸強化的基本概念及原理

      2021-07-16 15:18:12

      1.齒輪噴丸強化的基本概念:

      高速噴射的彈丸顆粒連續不斷撞擊齒面的過程,如同無數小錘對齒面進行錘擊,使齒面產生極為強烈的塑性形變,使齒面產生一定厚度的冷作硬化層,這一硬化層即齒面的強化層,由此產生強化及表面壓應力,達到提高齒輪疲勞強度和提高使用壽命的一項表面冷處理強化技術。噴丸強化也稱之為強化噴丸或受控噴丸。

      2.齒輪噴丸強化的重點部位:

      因傳遞扭矩而使齒根部位受到很大的交變彎曲應力,特別是齒根處要有足夠的強度。因此,對于①在滲碳淬火后需磨齒的齒輪,不論采用哪一種磨齒工藝,齒輪噴丸強化的重點是對齒根部位的強化。②經表面淬火或輝光離子氮化后不需磨齒的齒輪,齒輪噴丸強化的重點仍是對齒根部位的強化。

      3.齒輪噴丸強化的原理:

      齒輪噴丸強化是一種受控的噴丸技術,是將高速的彈丸流連續不斷撞擊齒面,使齒面在彈丸流的撞擊作用下發生塑性變形(塑性變形層的厚度通常處于0.1-0.8mm之間)。這一影響延伸到齒輪材料的表層,在表層下產生較高的殘余壓應力、加工硬化和組織細化等有利的變化,抵消不良的拉應力,該殘余壓應力延緩了的疲勞斷裂的形成,有效的提高了齒輪的疲勞強度,延長了齒輪的使用壽命。

      材料表面層內的變形具有循環塑性變形的特性。循環應變的結果使材料的表面形成“應變硬化”層或“應變硬化+應變軟化”層,統稱循環應變層,簡稱應變層。應變層內發生兩種變化:組織結構(位錯密度及形態、亞晶粒尺寸、相轉變等)的變化和殘余應力的變化。合理地控制應變層內的這些變化,可以改善零件的表面完整性,從而可以提高零件在室溫下和某些零件在高溫條件下的疲勞斷裂抗力和應力腐蝕開裂抗力。

      二、 齒輪噴丸強化的工藝參數

      噴丸強化的工藝參數:

      彈丸直徑

      彈丸速度

      彈丸流量

      噴射角度

      噴射距離

      噴射時間

      覆蓋率

      其中任何一個參數的變化都會不同程度的影響噴丸強度,影響噴丸強化的效果。測評噴丸強化質量有兩個基本參數:即噴丸強度和覆蓋率。覆蓋率是通過目測,而噴丸強度需利用阿爾門試片進行測量。

      A.噴丸強度的測量和ALMEN試片及圖紙上標注方法

      1.噴丸強度的測量方法

      ①阿爾門(ALMEN)弧高值測定法:目前,國內、外應用zui廣的方法是采用美國SAE442A和SAE443標準中規定的阿爾門(ALMEN)弧高值測定法,即使用一定規格的彈簧鋼試片,通過檢測噴丸強化后的形狀變化來反映噴丸效果,具體測量方法見圖1所示。

      強化鋼丸 

      圖1 噴丸強化測量及試片弧高圖

      ②殘余壓應力檢測法:采用美國SAEJ784A標準中規定的檢測方法,經噴丸強化后的齒輪進行殘余壓應力的檢測,具體的檢測方法為X射線衍射法。

      2.ALMEN試片

      ①材料:70號(或65Mn)冷軋彈簧鋼帶。

      ②采用弧高度試片測定受噴齒輪的強度,其試片規格與技術要求詳見表1。

      不銹鋼丸 

      表1 標準弧高度試片的尺寸參數及技術要求

      試片的應用范圍見表2所示

      在弧高為0.15~0.60mm的噴丸強度范圍內,使用試片A;強度低時使用試片N;強度高時使用試片C。

      表2 各種試片的適用范圍

      不銹鋼丸 

      3.齒輪噴丸強化在圖紙上的標注方法

      包括測量儀讀數和使用的試片類型,例如:0.45A

      0.45表示測量儀讀數:0.45mm

      試片型號為:

      A型

      B.覆蓋率

      覆蓋率是指工件表面經噴丸處理后,彈丸壓痕面積與被噴工作表面的比值,100%的覆蓋率是指原工件表面全部布滿彈丸壓痕,可用10X放大鏡目測,也可根據熒光示蹤器在掃描表面時的顏色來判斷;如果在紫外光下沒有任何顏色顯示,則表明工件表面已達到100%覆蓋率。檢查覆蓋率時,應以檢查工件為準,而不是ALMEN試片,應該檢查實際工件所有要求噴丸的區域是否全部被覆蓋。

      受噴工件在噴丸過程中,從開始噴丸到受噴部位達到100%覆蓋蓋率時所需要的時間即噴射時間,要求將這一時間做好記錄。如TEREX礦用汽車件號為:9195847的齒輪,要求300%的覆蓋率,則用達到100%覆蓋率所需噴丸時間乘以三倍來實現。

      C.彈丸的質量和種類及彈丸硬度的選擇

      1.彈丸的質量

      彈丸質量和彈丸速度,決定了噴丸強化效果的穩定性。對一定噴丸設備和工件而言,彈丸質量對噴丸強化效果影響很大,一般規律是:

      ①彈丸直徑小,工件表面殘余應力較高,但強化層較淺。

      ① 彈丸直徑大,工件表面殘余應力較低,但強化層較深。

      ② 彈丸硬度高,噴丸強度也高。

      ③ 彈丸直徑增加,噴丸強度也增加。

      ⑤彈丸速度增加,噴丸強度、表面壓力和強化層深三者均增加。

      2.彈丸的種類

      噴丸強化使用的彈丸通常有以下幾種:

      鑄鐵彈丸、鑄鋼彈丸、不銹鋼彈丸、鋼絲切割彈丸、玻璃彈丸、陶瓷彈丸。

      注有 ﹏﹏標記者為硬齒面齒輪常用的彈丸。在齒輪噴丸強化

      中,zui有發展前途的彈丸為鋼絲切割丸。

      3.彈丸硬度的選擇

      選擇彈丸時,應使彈丸的硬度大于或等于齒輪噴丸表面的硬度,TEREX礦用汽車傳動齒輪原版圖紙中,齒面的硬度要求在58~62HRC,因此zui好選用硬度為55~65HRC的彈丸,同時要求彈丸硬度的一致性要好,以便噴丸強化后得到滿意的壓應力效果和表面強化層深度。

      三、齒輪噴丸強化的注意事項

      1.對齒輪的無損檢測(磁粉探傷和著色探傷)應在齒輪噴丸強化前進行,因為噴丸強化時表面的塑性流變會將細微裂紋掩蓋起來。

      2.較高的溫度(232Co以上)會使殘余壓應力釋放,削弱噴丸效果。據有關資料表明:西安交大何家文教授對這種壓應力進行了專門研究,該壓力隨溫度的上升而逐漸衰減,一般在400Co左右就衰減完畢。因此,所有的熱處理工藝必須在噴丸之前完成。

      3.一般來說,所有的機械加工也應在噴丸強化前完成。 齒輪噴丸強化前應檢查所有的加工項目,是否符合圖紙的要求,包括尺寸、形位公差、表面粗糙度等要求(含內、外圓角及拋光要求等)。

      4. 齒輪噴丸強化前應清除零件表面的灰塵、油污、腐蝕物等;除另有規定者外,也應去除零件的防護層。

      5.如果在齒根部位存在明顯的加工刀痕,就應施以足夠的噴丸強度以產生足夠的壓應力深度來抵消刀痕的不利作用。噴丸時所用的彈丸丸粒直徑,應小于齒根過渡圓角曲率半徑的一半。

      6.目前國外對齒輪的表面殘余壓應力要求為800~1200MPa,單純靠滲碳淬火很難達到,通過二次噴丸強化(也有稱之為復合噴丸)就可以滿足這一要求。噴丸強化所形成的殘余壓應力值,通過X射線衍射儀進行測定。

      7.在圖紙中已注明不要求噴丸的部位,應加以保護、采取遮蓋措施。

      8.在噴丸過程中,彈丸尺寸和形狀必須嚴格控制,盡量減少破裂的碎粒。因為這些帶尖棱角狀的碎粒會損傷齒輪的表面;同時因密度的降低,而使達到噴丸強度所需的時間加長,應定期對彈丸進行檢查,以控制彈丸的尺寸和形狀在規定的范圍內;彈丸質量應符合以下兩點的要求:

      ①彈丸必須具備一定的沖擊韌性,其幾何形狀應接近于球形,切忌帶尖棱角狀;

      ②在噴丸和內循環使用的彈丸總量中,符合名義尺寸的彈丸,按重量計算不得少于80%。

      9.測量時所用的標準弧高度ALMEN試片應符合表1的規定。

      弧高度測量裝置包括固定試片夾具及弧高度的測量應符合圖1中的規定。

      四、齒輪噴丸強化的質量控制

      1.根據鋼鐵零件的工作狀態及對性能的要求,噴丸強度值根據產品圖樣的技術要求而定,一般為0.35A以上。

      2.表面覆蓋率應符合圖紙的技術要求,一般應不低于200%,美國TEREX礦用汽車重載齒輪齒面覆蓋率要求為300%。

      3.對不同的齒輪應選用合適的噴丸強度,對于極薄的或小斷面的零件,不得選用較高的噴丸強度,以防在零件的中心部位產生殘余應力而引起變形。

      4.對齒面噴丸強化力度不夠的齒輪(簡稱為欠噴),可以補噴至要求;齒面過度噴丸強化的齒輪(簡稱為過噴),應加以避免,過噴容易在齒面產生微細裂紋而產生疲勞源,成為齒輪抗疲勞長壽命的隱患。因此,對過噴應引起足夠的重視。

      5.噴丸強化后的齒輪除用噴丸方法外,不要用其他任何機械方法校形。

      6.強化噴丸后,如需對齒輪進行加熱,加熱溫度應控制在200oC范圍以內。

      7.已噴丸強化的齒輪表面如需進行磨削或拋光時,去除的表面深度不超過噴丸強度試片A弧高值的10%。

      8.不應在齒輪噴丸強化后的部位做硬度試驗。

      9.齒輪噴丸強化后應防止腐蝕,直到下一工序。

      五、齒輪噴丸強化后在磨齒中的注意事項

      1、磨齒工藝的簡介

      1先噴丸強化再磨齒的工藝(在國內應用這一工藝的廠家比較多見)。

      2先磨齒再噴丸強化的工藝(這一工藝國外比較多見,在國內應用的廠家較少)。

      2、兩種工藝在磨齒中均不允許磨削齒根部位

      不允許磨削齒根部位具有以下好處:

      ①避免熱處理后齒根硬度的降低,保持滲碳淬火及噴丸強化后在齒根形成負的壓應力層。一旦齒根部位被磨削,不但在齒根部位會喪失有利的殘余壓應力,還會在齒根部位產生有害的拉應力,將會對齒輪的疲勞強度和使用壽命帶來嚴重的威脅。

      ②齒根溝槽槽底狹小,散熱能力差,以及過度曲線處余量大小變化大,砂輪工作條件差,在磨齒中容易產生磨削燒傷和磨削裂紋。

      ③齒根槽底磨削條件差,砂輪外圓磨粒容易脫落和磨損,從而影響磨齒質量。

      ④從抗斷齒能力來看,齒根處要有一定量的根切,齒根沒有一定的根切量,磨齒時不可避免的在齒根產生凸臺,這將造成嚴重的應力集中,對抗斷齒能力影響很大,發生凸臺是jue不允許的。

      總之,齒輪噴丸強化后不磨齒根可以顯著的提高齒輪的疲勞強度和承載能力,避免磨齒損傷,提高磨齒質量,降低磨齒負荷,提高生產率。

      3.兩種工藝在磨齒中只允許磨削漸開線齒形部分

      現代硬齒面齒輪在磨齒中的磨削部位只磨漸開線起始圓以上,漸開線終止圓以下的漸開線齒形部分。

      4.為實現不磨齒根必須采用磨前滾刀進行齒形的預加工

      ①對磨前滾刀簡介

      用普通的齒輪滾刀已無法滿足上述工藝的要求。因此在滾齒中,必須使用有觸角的磨前滾刀。磨前滾刀與普通滾刀的不同之處在于磨前滾刀的刀齒的頂部采用帶觸角的刀頭,見圖2(a)所示。

      強化鋼丸 

      圖2 a磨前滾刀齒形示意圖 b用磨前滾刀滾齒后的磨齒余量示意圖

      在齒輪齒根處有一定量的根切,目的是使被加工齒輪的齒根部位預先成型,同時將齒面大部分余量切除,在齒形齒厚處均勻留出磨齒時的余量,見圖2(b)所示。以便滲碳淬火及噴丸強化后,在磨齒中實現不磨齒根的要求。

      ②對磨前滾刀齒形的要求:

      (1)齒輪的留磨余量要均勻;

      (2)磨前齒輪在齒根處要一定根切;

      (3)磨后齒輪的漸開線線要足夠長。

      六、部分齒輪生產廠家在齒輪噴丸強化上存在的誤區

      1.部分齒輪生產廠家的有關人員錯誤認為:“長期以來出廠的齒輪也沒有做噴丸強化不是也賣出去了嗎?”;“生產的齒輪只要能用就行了”,認為齒輪強化噴丸是多此一舉。需方提供的圖紙上注明要求噴丸強化,也因此取消了。需方的有關人員不專業,圖紙上雖有噴丸強化的要求,但在入廠驗收時,僅僅只對加工尺寸、公法線或跨棒距進行復檢作為驗收時的依據。而對噴丸強化方面往往被忽略不作要求,供需雙方在噴丸強化方面沒有制約,圖紙上對噴丸強化的要求形同虛設,也是噴丸強化得不到落實的一個原因所在??傊?,對齒輪噴丸強化的作用認識不足,對這一重要的工藝措施尚未引起足夠的重視。所謂國產齒輪比不上進口齒輪,這也許是其中原因之一。

      2.部分的齒輪廠家誤認為:“拋丸清理機=噴丸強化機”;“齒輪只要經過拋丸清理,就已經噴丸強化了?!?/span>

      “拋丸清理機”的主要功能:

      ①對鑄件毛坯的清砂清理;

      ②對鍛件毛坯及熱處理以后的工件表面氧化皮進行清理。

      拋丸清理機是利用旋轉的葉輪產生的離心力將彈丸加速拋向工件,拋出的是扇形彈丸流。彈丸的出口速度與葉輪的轉速和回轉直徑成正比,一般轉速在2000~3000n/min,拋丸的投射速度(初速度)為50~60m/s,zui高時可達到75m/s,拋丸清理機清除工件表面氧化皮時,要求彈丸末速不應小于50m/s。

      噴丸強化機利用高壓空氣直接噴射,彈丸由噴嘴噴出,可以通過控制噴丸壓力、噴丸流量等工藝參數來調節彈丸的噴射速度,彈丸的出口速度一般控制在180~200m/s,zui大時可達到220m/s。另外噴嘴噴出的噴丸噴射面積小,可根據噴嘴直徑集中噴射在φ15~30mm的范圍內,從而實現局部噴丸,例如只對齒輪齒根部位的強化噴丸。

      齒輪噴丸強化的設備銘牌上標記的是“齒輪噴丸強化機”,以清理為目的的設備銘牌上標記就是“拋丸清理機”,不是同一檔次,根本無法替代。因此“拋丸清理機”的作用以清理為主,對齒輪強化的作用非常有限?!皰佂枨謇頇C≠噴丸強化機”。

      3.什么才是真正的齒輪噴丸強化

      噴丸強化zui大的特點是一種受控的噴丸技術,實現齒輪真正的噴丸強化就必須采用受控的噴丸設備---齒輪數控噴丸強化機。數控機械手噴丸強化機是實現高精度數控噴丸強化的專用機械,主要由噴丸室、數控機械手噴槍運行機構、工件運行機構、磨料回收機構、磨料分離機構、噴丸機構、除塵機構、電器控制系統等部件組成。國內噴丸強化機的制造廠家已生產出5軸4聯動、7軸5聯動、轉盤回轉式等多款數控機械手噴丸強化設備。他們的性能具有共同的特點:噴槍運行機構可根據工件的具體形狀、進行預設定、能執行直線、擺動、旋轉等多軸運動,運行誤差小,重復精度高;噴丸壓力、彈丸流量、噴射角度等影響噴丸強化效果的核心參數全由數字控制,精度高;磨料回收采用先進的蜂窩地板氣力回收技術,無需地坑;數控系統,界面人性化。從而能保證實現真正的噴丸強化效果。

      在噴丸強化設備方面,上海開信機械制造有限公司率先自主研發的數控噴丸強化機,一舉填補了國內市場的空白,已經取代進口機床,成為市場shou。

      七、齒輪噴丸強化的實際效果

      1.噴丸強化能顯著提高齒輪的疲勞強度

      根據在國內、外應用的實際情況,結合我單位在生產實踐中的體會,主要從以下幾個方面進行論述:

      ①提高了齒輪表面的硬度

      齒輪經噴丸強化后,由于殘余奧氏體向馬氏體轉變,以及受到高的殘余壓應力、表面加工硬化和組織細化綜合作用的結果,因此明顯提高了齒面的硬度。

      ②細化了齒輪表面的組織

      齒輪在熱處理后,齒面接受高速噴射的彈丸流連續不斷地撞擊,可將殘余奧氏體轉化為馬氏體,馬氏體針明顯較未噴丸的齒輪細小致密,起到了細化馬氏體亞結構的作用,有利于殘余壓應力的提高。

      ③顯著提高了齒面的殘余壓應力

      齒輪經噴丸強化后,zui大的殘余壓應力值位于齒面下約0.05(mm)處,其殘余壓應力可高達800~1200MPa。當齒根存在微細裂紋時,殘余壓應力可抑制裂紋的擴展;當殘余壓應力層深約為裂紋深度5倍時,即可消除裂紋的影響。殘余壓應力對齒輪彎曲疲勞強度影響很大,齒面的殘余壓應力可降低彎曲拉應力的峰值。

      ④減少了齒面的非馬氏體組織對性能的影響

      通過噴丸強化能把齒面在熱處理過程中形成的不良組織(如滲碳齒輪表面的黑色組織---非馬氏體、內氧化、脫碳層及過多的殘余奧氏體組織)對性能的影響,降低到zui小程度。

      2.噴丸強化能顯著提高齒輪的使用壽命

      根據國內、外有關資料表明,對承受循環彎曲交變載荷的齒輪進行噴丸強化,可有效的提高其疲勞極限,噴丸強化特別能有效的提高應力集中部位的疲勞強度;可消除機械加工過程中(如對齒輪齒面的磨削及軸類齒輪校形處理)所產生的拉應力;同時改善齒輪因連續刀痕或凹槽,孔和過渡圓角等結構因素所導致的應力集中現象。噴丸強化后能顯著減小齒輪使用壽命的分散性,可延長齒輪的使用壽命幾倍、幾十倍、甚至幾百倍。

      八、某單位對齒輪拋丸清理強化的實例

      1.某單位按美國原版圖紙生產的齒輪種類較多,現僅以TEREX 3311E礦用汽車傳動齒輪件號(9195847)的齒輪為例,該齒輪在原版圖紙上對齒輪噴丸強化的要求:

      ①對齒根部位采用鋼絲切割丸進行強化。

      ②噴丸強度要求:阿爾門弧高0.55(mm)A。

      ③覆蓋率300%。

      2.使用的設備:兩臺吊鉤式拋丸清理機。

      3.對強化后的齒輪送檢

      將某單位在拋丸清理機上強化的三個件號為(9274893)齒輪,送上海交通大學材料科學與工程學院做X射線殘余壓應力檢測。附測試報告于后:

      現就測試報告的內容說明如下:

      1.齒輪No1—系某單位強化的齒輪。

      2.齒輪No2、齒輪No3—系上海開信機械制造有限公司在齒輪噴丸強化機上所做的齒輪。

      結論:齒輪No1不合格。

      齒輪No2和齒輪No3合格。

      4.送檢的No1齒輪不合格的主要原因:

      ①拋丸清理機對齒輪的強化的作用非常有限,也即“拋丸清理機≠齒輪噴丸強化機”。

      ②對齒輪噴丸強化認識不足、重視不夠,缺乏全面的了解。

      5.從根本上解決問題的措施:

      ①選購真正的齒輪噴丸強化機。

      ②執行正確的齒輪噴丸強化工藝。

      ③加大提高操作工人和質檢人員的專業技術水平的力度,強調對每批噴丸的齒輪均有代表批次的弧高值試片;出廠的齒輪應有弧高值的報告。

      隨著國際競爭的不斷加劇和對齒輪壽命要求的不斷提高,噴丸強化是提高齒輪的抗疲勞性能,實現長壽命的重要工藝措施之一,為了適應市場的需要,提高企業的市場競爭能力,對礦用汽車重載齒輪進行真正的噴丸強化勢在必行。

       


       


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