噴丸強(qiáng)化工藝可以有效提高齒輪使用壽命。該工藝采用鋼丸高速擊打齒輪齒根彎曲部位,從而在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,破壞工件內(nèi)部本身存在的拉應(yīng)力,改善齒輪齒根的抗彎曲疲勞性能,提高其使用壽命。
在汽車生產(chǎn)過(guò)程中,工程師們已普遍利用噴丸強(qiáng)化工藝來(lái)提高傳動(dòng)零部件的使用壽命(圖1)。通常,這些零部件在熱處理后進(jìn)行噴丸強(qiáng)化,尤其是一些關(guān)鍵零部件,如齒圈和行星齒輪等,噴丸強(qiáng)化是生產(chǎn)制造的最后一道非常必要的工序。
噴丸強(qiáng)化的原理和效果
噴丸強(qiáng)化工藝即采用高速噴射的強(qiáng)化鋼丸顆粒撞擊金屬零件表面,使工件表面材料發(fā)生彈塑性變形并呈現(xiàn)較高的殘余壓應(yīng)力。因?yàn)榻饘俳橘|(zhì)(鋼丸或切絲丸)在高速撞擊零件表面時(shí),會(huì)使表面產(chǎn)生塑性變形,這一變形將延伸到材料表層,在表層下產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力,從而抵消零件制造時(shí)產(chǎn)生的不良拉應(yīng)力(圖2)。該殘余壓應(yīng)力延緩了零件疲勞斷裂的形成,從而延長(zhǎng)了零件的安全使用壽命。對(duì)于汽車傳動(dòng)部件中最關(guān)鍵的齒輪部件,在熱處理工序之后,采用噴丸強(qiáng)化工藝使其表面接受連續(xù)丸粒撞擊,還可將其齒面材料晶相組織中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體,從而增加齒面硬度。
圖2 拋丸強(qiáng)化工藝的原理
強(qiáng)度測(cè)量
單就齒輪而言,其最大的剪切應(yīng)力出現(xiàn)在齒根部和齒輪過(guò)渡區(qū)的圓角半徑處,而齒輪的兩個(gè)齒面——主動(dòng)面和從動(dòng)面,在工作時(shí)都承受著不斷增加的負(fù)載,因此,齒輪強(qiáng)化的重點(diǎn)就在于對(duì)這些部位的強(qiáng)化:主動(dòng)面、從動(dòng)面、齒根部位。從強(qiáng)化要求來(lái)看,主要包括強(qiáng)度和覆蓋率兩大參數(shù),當(dāng)然,不同的齒輪有不同的要求,必須根據(jù)其最終應(yīng)用環(huán)境來(lái)確定。
覆蓋率可以通過(guò)目測(cè)觀察,而強(qiáng)度則需利用阿爾門試片進(jìn)行測(cè)量。
零件校對(duì)工具(PVT)被設(shè)計(jì)用來(lái)將測(cè)試試片置于一些特定位置,在這些試片可模擬零件有強(qiáng)度要求且必須進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試的區(qū)域位置,根據(jù)不同應(yīng)用,齒輪的強(qiáng)化一般要求是強(qiáng)度范圍0.015~0.03(在等級(jí)“A”上),覆蓋率為100%~200%。
三種噴丸強(qiáng)化工藝
噴丸強(qiáng)化工藝有以下3種方式:離心力拋丸強(qiáng)化、壓縮空氣噴丸強(qiáng)化、混合式(噴嘴和拋頭)。
從產(chǎn)量方面考慮,大批量生產(chǎn)中,離心力拋丸強(qiáng)化優(yōu)于另外兩種方式。離心力拋丸強(qiáng)化工藝中,鋼丸在離心力的作用下從葉輪軸上的孔溢出到葉片上,再由高速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片沿固定角度拋出(圖3),單位時(shí)間內(nèi),拋丸丸流覆蓋的面積大于噴嘴噴丸,但拋丸強(qiáng)化的應(yīng)用受限于待處理齒輪的尺寸,如果是強(qiáng)化小齒輪且齒根部面積狹小,就需要多個(gè)拋頭固定在不同角度,以達(dá)到所需的強(qiáng)化效果。壓縮空氣式噴丸強(qiáng)化必須利用多個(gè)噴嘴(圖4),對(duì)準(zhǔn)齒面、齒根的特定部位,使丸流更集中、目標(biāo)更確定,可達(dá)到精確強(qiáng)化的效果。混合式噴丸強(qiáng)化盡管應(yīng)用比較少,但它的優(yōu)勢(shì)在于在一臺(tái)設(shè)備上集合了拋丸強(qiáng)化的高產(chǎn)量和噴丸強(qiáng)化的高精確度和可控性等優(yōu)勢(shì)。