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    齒輪表面的噴丸強化技術,搞懂了你就成為專家了

          噴丸強化是一種受控噴丸技術,不同于噴丸清理。噴丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、銹蝕和機械加工毛刺為目的。齒輪表面的噴丸強化主要是借助于高速運動的彈丸沖擊零件的表面,使其發生彈性塑性變形,從而產生殘余壓應力、加工硬化和組織細化等有利的變化,以提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度,是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪使用壽命的重要途徑。

    圖片7.jpg

    一、丸強化機理及其作噴用

    1.噴丸強化處理能改善零件表層的應力分布

      噴丸后的殘余應力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬組織相變,其中以不均勻的塑性變形為主。噴丸后,金屬表面產生大量凹坑形式的塑性變形,表層位錯密度大大增加,而且還出現亞晶界和晶粒細化現象。如圖1所示。經噴丸處理后的齒輪表層殘留奧氏體有一部分將變成馬氏體,因相變時體積膨脹而產生壓應力,從而使得表層殘留奧氏體場向著更大的壓應力方向變化,因而提高了齒輪的疲勞強度。通過噴丸強化,又能消除熱處理應力,去除表面氧化皮,改善零件的缺口敏感性,并把容易發生零件失效的殘余應力轉變為壓應力,有效地限制裂紋源的產生和擴展,較大幅度提高零件的疲勞壽命。

    2.噴丸強化可使工件表面形成高的壓應力層

       由于噴丸強化提高了表面壓應力而顯著改善其疲勞性能,對于承受高周波疲勞載荷的工件更為有效。噴丸強化形成的殘余壓應力可抵消部分外加載荷。噴丸時小尺寸球形鋼丸擊打工件表面而形成壓應力,每一彈丸的沖擊都會使金屬產生一定的塑性變形,最終表面不能完全回復而形成了永久的壓應力狀態。作為一種表面強化工藝,噴丸能在表面形成殘余壓應力相當于材料抗拉強度極限的55%~60%,而工件表面恰是容易萌生裂紋的地方。對于滲碳淬火齒輪,所形成的壓應力可達1177~1725MPa,可大大改善疲勞性能。壓應力層深度是噴丸強度(或噴丸能量)的函數,隨著彈丸尺寸或彈丸速度的增加而增加。

    圖片6.png

    二、噴丸強化工藝參數

      噴丸強化工藝對彈丸的形狀、尺寸和硬度等要求較高,用噴丸強度和表面覆蓋率來控制噴丸工藝,用殘余應力和疲勞試驗來檢測表面強化效果。

    噴丸強化工藝參數包括彈丸材料、彈丸直徑、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度、噴射距離、噴丸時間和覆蓋率等,其中任何一個參數的變化都會不同程度影響噴丸強度,即影響強化效果。

    1)弧高試片

       標準ALMEN弧高試片是綜合評價噴丸強化工藝參數的一種專用量規。它是用70號彈簧鋼制成,共有三種規格,代號分別為N、C、A,分別使用于3種不同噴丸強度要求的場合。

    2)弧高曲線

       弧高曲線是在其它工藝參數固定情況下,同一種試片的噴丸弧高值隨噴丸時間(或噴丸次數)變化而變化的,標志著弧高值——時間相對關系的曲線。

    3)噴丸強度

       噴丸強度通常采用弧高值測定法,其要點是用一定的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強度后的形狀變化來反映噴丸效果,具體操作是用阿爾門Almen試片(弧高度試片,一般硬度為44~50HRC),固定在夾具上,經投射噴丸后再取下試片,然后用檢具(如阿爾門測量儀)測量彎曲弧的高度。

    噴丸強度的另一種檢驗方法為殘余應力檢測,即對強化噴丸后的工件進行殘余應力的檢測,具體的檢驗方法為X射線衍射法。

    4)表面覆蓋率

       覆蓋率是指被處理工件表面經噴丸處理后,彈丸壓痕面積與被噴工件表面積的比值。通常用百分數表示。測量要點是把阿爾門試片經噴丸后放大約50倍,測量其彈丸壓痕面積。因很困難保證覆蓋率為100%,故實際上把98%的覆蓋率定義為全覆蓋率。對于產品圖樣要求300%的覆蓋率,通常用達到98%的有效覆蓋率所需噴丸時間的三倍來實現。

    5)彈丸質量

       彈丸質量對強化效果影響很大,一般規律是:彈丸直徑小,工件表面殘余應力較高,但強化層較淺;彈丸直徑大,工件表面殘余應力較低,但強化層較深;彈丸硬度高,噴丸強度也高;彈丸直徑增加,噴丸強度也增加;彈丸速度增加,噴丸強度、表面壓應力和強化層深度三者增加。

    6)噴丸時間

       在其他噴丸工藝參數不變的情況下,噴丸只有達到飽和時間或兩倍于飽和時間時可獲得好強化效果,通常強化時間不足比強化時間過度更為不利。因此,當發現強化時間低于規定時間內,可以對該工件再進行一次補充強化。

    圖片5.jpg

    三、噴丸強化技術的應用

    1.提高滲碳齒輪表面硬度

    1:一汽熱處理分廠噴丸設備采用德國產TR5SVR—1型應力噴丸設備。噴丸工藝為:采用直徑為¢0.8mm鋼丸,噴丸時間9min,噴丸速度為2800r/min。齒輪材料為22CrMoH鋼,經滲碳淬火及回火處理。噴丸強化處理后齒輪表層組織得到了細化,表層的殘留奧氏體含量比未經噴丸處理工件的殘留奧氏體含量要低10%左右,在距離表面0.15mm范圍內,變化量比較明顯;經強化噴丸處理后的齒輪表面硬度提高了0.5~2HRC。

    2.提高齒輪表面殘余壓應力并改善表層顯微組織

    2:桑塔納轎車變速器二檔從動齒輪,經滲碳淬火、回火處理。噴丸采用葉輪式噴丸機,噴丸速度2900r/min,彈丸硬度57HRC。其噴丸試驗結果如下。

    1)噴丸件表層顯微硬度明顯提高,這是受到高的殘余壓應力、加工硬化和組織變化(細化)綜合作用的結果,其中殘留奧氏體的顯著減少對硬度提高也做出了貢獻。

    2)由于噴丸使工件表層中的殘留奧氏體變為馬氏體,可用來提高表面硬度。馬氏體針明顯較未噴丸件細小致密,起到了細化馬氏體亞結構的作用。有利于殘余應力的提高,從而提高了齒輪的疲勞性能。

    3.提高齒輪的疲勞壽命

    3:一汽采用強化噴丸工藝對解放牌汽車變速器一擋齒輪進行疲勞壽命試驗,顯著提高了齒輪的疲勞壽命。如表1所示。為了提高解放牌主動螺旋齒輪的疲勞壽命采用大圓弧滾刀切齒,增大齒輪圓角可以使主動螺旋齒輪的壽命由20.83萬次提高到69.54萬次,如果再采用強化噴丸,可以使其疲勞壽命提高到210.9萬次。

    1噴丸強化對解放牌變速器一擋齒輪疲勞壽命的影響

    處理狀態

    扭矩為450N.m

    曲疲勞壽命

    扭矩為370N.m

    觸疲勞壽命



    平均值

    相對值

    平均值

    相對值

    未噴丸

    0.75×106

    100%

    3.85×106

    100%

    強化拋丸

    3.42×106

    456%

    5.06×106

    131%

    4:齒輪采用碳氮共滲后噴丸硬化提高接觸疲勞強度。如SCM420H鋼齒輪,經通氨氣等進行碳氮共滲,隨著含氮量的增加,ΔHV(硬度降)提高,即抗回火性能提高,回火溫度可達300。解決了汽車用自動變速器AIT常規滲碳齒輪齒面接觸疲勞破壞問題。

    四、噴丸強化新技術

    1.齒輪的硬噴丸技術

    1)硬噴丸技術

    硬噴丸不同于常規噴丸,而是采用700HV高硬度鋼丸進行高強度噴丸,并使A型試片產生0.6mm以上的弧高,形成較大的殘余壓應力,得到高的疲勞強度。適合于優質滲碳鋼(如DSG1鋼,Si含量降至0.15%以下,而使內氧化現象及非馬氏體大為減少;降低晶界脆性元素P的含量<0.015%,提高Mo含量至0.4%而使滲層韌性大為改善),它在消除內氧化等滲碳缺陷及保證滲層韌性方面效果較好。

    2)兩次噴丸(雙噴丸)技術

    對于滲碳淬火硬度在600HV以上齒輪,較難通過正常噴丸達到較高壓應力。為此采用二次噴丸硬化提高疲勞強度,即首先采用700HV高硬彈丸進行高強度噴丸(如0.6mm鋼丸),并使A型試片產生0.6mm以上的弧高,獲得一定深度的表面強化層,然后再用細小的低強度小彈丸(如0.08mm鋼丸)進行一次低強度噴丸,可在工件表面和次表面形成殘余壓應力。第二次噴丸的目的就是減輕表面加工硬化,改善表面粗糙度,提高表面壓應力,即進一步提高齒輪的疲勞性能。此項技術屬于冷作處理。

    2.硬噴丸新工藝應用

    1:直齒輪,材料DSG1(化學成分(質量分數,%)為0.20C、<0.15Si、0.70Mn、<0.015P、0.015S、1.00Cr0.40Mo)和SCM420,經滲碳淬火、回火處理。最后采用離心式噴丸機及¢0.8mm鑄鋼丸(化學成分為0.85C—1Si—1Mn)進行噴丸,噴丸強度分別為0.45mmA0.7mmA弧高。前者屬于常規噴丸,而后者屬于硬噴丸。齒輪疲勞試驗是在電流消耗式齒輪疲勞試驗機上進行。

    1)噴丸處理參數及檢驗結果

    試驗齒輪噴丸處理參數如表2所示。通過表2可以看出,硬噴丸齒輪的齒根疲勞強度高于常規噴丸。硬噴丸齒輪表面硬度和殘余壓應力提高而殘留奧氏體和內氧化程度降低。

    試驗齒輪的滲碳結果及噴丸處理參數


    鋼材

    噴丸強度

    /mmA

    硬度/HV

    有效硬化層

    深度/mm

    殘余奧氏

    體量/%

    內硬化層

    深度/μm

    殘余應力/MPa


    表面

    表面

    0.05mm






    DSG1

    0.45

              0.70

    744

    786

              810

    0.95

    0.90

              0.90

    25.85

    11.6

               8.4

    5

    3

                3

    -271

    -451

              -596

    -285

    -632

              -1199

    SCM420

    ——

    0.45

              0.70

    720

    720

               778

    1.00

    0.90

             1.15

    18.6

    6.9

               3.1

    15

    15

                8

    -254

    -353

              -569

    -242

    -503

             -1040


    2)硬噴丸、小彈丸噴丸及二次噴丸的比較

    經過噴丸處理的工件,其最大殘余壓應力值是位于表面下面約0.05mm處,而表面卻低于這個值,為解決此缺陷,采用細小彈丸(直徑<0.1mm)進行低強度噴丸處理。三種噴丸工藝參數如表3所示。

    硬噴丸處理得到最高表面硬度,其次是二次噴丸和小彈丸噴丸。小彈丸噴丸使齒輪表面得到非常高的壓應力,達到1.2GPa。而二次噴丸處理得到最高的疲勞強度。同滲碳淬火后齒輪相比較疲勞強度提高到1.5倍。滲碳狀態的齒輪留有切齒刀痕,經過噴丸處理后全部消失,齒輪表面粗糙度得到改善。由于加工刀痕有可能成為應力集中部位,因此噴丸處理時加工表面的改善也是提高疲勞強度的一個原因。

    三種噴丸工藝參數


    彈丸直徑

    /mm

    彈丸硬度

    /HV

    弧高

    /mmA

    噴丸時間

    /s

    硬噴丸

    0.8

    7001.090

    小彈丸噴丸

    0.18000.0515

    二次噴丸

    0.8+0.1700+8001.0+0.05

    90+15

    圖片4.jpg

    五、彈丸

    1.彈丸及其質量要求

    齒輪經過化學熱處理后,表面硬度多數已達到58~63HRC,在進行噴丸強化時,應采用高于或等于表面硬度的彈丸來進行噴丸強化處理,以保證表面的殘余壓應力數值和表面強化層深度。此外,彈丸尺寸的選擇應保證齒輪的根部得到強化,在進行噴丸強化過程中,由于選擇的彈丸直徑過大常常導致小半徑的齒根部位得不到噴射強化。為此,應確保彈丸直徑小于齒根半徑的一半。

    由于鋼丸質量對強化效果影響很大,國家標準中已經對鋼丸的金相組織、化學成分、最小密度、硬度偏差給出嚴格的規范。

    彈丸在使用過程中,不斷破損,需及時補充新彈丸,彈丸合格數量應保持在80%以上,為此可選用不同規格的篩網加以控制,以確保噴丸強化效果。由于破碎的彈丸帶有尖角,容易使工件表面產生許多微小的尖切口,從而降低強化效果。因此,在生產過程中應將破碎彈丸篩選掉。

    彈丸尺寸選擇原則:當對表面粗糙度有要求時,應盡量采用較小鋼丸。當工件帶有內、外圓角及溝槽時,彈丸直徑尺寸應小于內、外圓角半徑及槽的寬度。保證彈丸球面形狀尺寸均勻。

    2.鋼絲切丸

    采用預鈍化鋼絲切丸技術生產的新一代表面清理和強化的優質丸料,不僅鋼丸硬度均勻、尺寸均勻、壽命長,而且生產中粉塵產生率低,可稱之為綠色、環保鋼丸,可應用于齒輪噴丸強化處理等。

    3.強韌性彈丸及其化學配方

    1)用于噴丸的彈丸

    一般采用鑄鋼型或切線型,鑄鋼彈丸一般用水霧化方法生產,并調質到392~513HV,對于硬噴丸處理,要求彈丸硬度達700HV左右。

    2)新型鋼丸

    采用快冷離心霧化方法改善中碳鑄鋼枝晶鑄造組織。同時要求碳含量不低于0.5%,其Mn、S、P含量也均有降低,其化學成分如表4所示,噴丸處理時,彈丸流率為0.75kg/s,噴射速度為106m/s,噴丸后弧高為1.0mmA。作為高強韌性彈丸的第二選擇是高碳預處理過的高強度切線彈丸,尺寸范圍為¢0.8mm,為了得到700HV左右的高硬度,其碳含量增加至0.8%,其化學成分如表5所示。

    新型高韌性鑄鋼丸的化學成分(wt%


    C

    Si

    Mn

    P

    S

    新材料

    0.50

    0.50

    0.30

    0.015

    0.054

    常規材料

    0.85~1.20

    0.40

    0.60~1.20

    0.050

    0.050

    新型高強度切線彈丸的化學成分(wt%



    C

    Si

    Mn

    P

    S

    新材料

    0.82

    0.25

    0.45

    0.030

    0.030

    常規材料

    0.45~0.75

    0.10~0.30

    0.60~1.20

    0.045

    0.050

    圖片3.jpg


    六、噴(拋)丸設備

    1.吊鉤式拋丸清理機

    該設備采用4Q034型拋丸器,拋丸機主要技術參數如表6所示。

    6 Q034拋丸清理機主要技術參數


                        項目

                        技術參數

    拋丸量/kg.min-1

    4×250

    噴丸速度/m.s-1

    75

    拋丸器功率/kW

    4×15

    丸粒直徑/mm

    0.8~1.2

    吊鉤自轉轉速/r.min-

    2.8

                         起重量/t

                                                               3


    2.MP815型吊掛式拋丸強化清理機

    單鉤承重800kg,工件最大尺寸¢800mm(直徑)×1500mm(高),拋丸器直徑350mm,最大拋丸量2×10400kg,電機功率2×11kg,轉速2960r/min?赏ㄟ^變頻調速對齒輪進行強化噴丸處理。

    3.齒輪用先進的數控噴丸機

    齒輪數控噴丸機是實現高精度強化的專用機械,有數控機械手噴丸機和數控機器人噴丸機。如吉川JCK型數控噴丸設備。

    1)數控噴丸機的主要構成

    由噴丸室體、噴槍運行機構、工件運行機構、彈丸回收機構、彈丸分離機構、噴丸機構、除塵機構、電氣控制系統等部分組織。

    2)齒輪數控噴丸機的控制部分

    主要包括:噴槍運動控制,通過數控機械手或機器人控制噴槍運行,使其在噴丸過程中按指定要求執行運動過程。因此,要求高的定位與重復定位精度。工件運動控制,是指工件在噴丸過程中旋轉、位移等運動的控制。噴丸壓力控制,噴丸壓力的數字閉環控制,控制精度一般在±2%以內。彈丸流量控制,彈丸流量的數字閉環控制,控制精度一般在±5%以內。彈丸的自動回收與分離,噴丸灑落的彈丸被自動回收;回收的彈丸經過丸粉分離、尺寸分選、形狀分選三級分選,循環使用。自動噴丸,實現自動加丸、連續噴丸功能。控制軟件,程序儲存/調用;系統工作狀態監視;噴丸飽和曲線自動生成;系統故障報警顯示;易損件工作顯示等。環保,噪音指標;粉塵排放指標。

    圖片2.jpg

    七、噴丸強化問題及解決方法

    1.選擇彈丸的合理性問題

    齒輪經過化學熱處理后,表面硬度大多已達到58~63HRC,在對其進行噴丸強化時,采用的彈丸大多為45~52HRC,這一方面容易導致齒輪噴丸區域得不到充分的強化,另一方面彈丸在噴射撞擊零件時,由于硬度低而易破碎或變形。對此可選擇高硬度鑄鋼丸或切絲鋼丸。

    2.表面覆蓋率的檢測問題

    表面覆蓋率是指零件而不是檢測噴丸強度用的弧高度試片(Almen試片),因此在實際生產中若采用弧高度試片的表面覆蓋率來對零件設計噴丸工藝,將導致齒輪表面覆蓋率達不到應有的要求;「叨仍嚻挠捕葹44~50HRC,與齒輪表面的硬度58~63HRC相比差的較多,因此齒輪噴丸達到100%的覆蓋率所需要的時間要長于弧高度試片達到100%覆蓋的時間。

    3.噴丸強度選擇問題

    1)在實際噴丸過程中并非噴丸強度越高,齒輪的噴丸強化效果越好。這是由于:一方面是噴丸強度越高,沖擊力越大,彈丸的破碎率就越高;另一方面是噴丸強度較高時,表層組織在大的彈丸離心力作用下會遭到一定程度的損壞,其粗糙度加大,可能產生微小裂紋使殘余應力有所下降。因此,選擇適合的噴丸參數很重要。噴丸強度過低將無法得到較大的殘余壓應力和足夠深的表面強化層;噴丸強度太高易產生表面裂紋或齒輪硬化層的剝落等問題。

    2)齒輪在滲碳淬火及回火后往往因存在內氧化軟層而在噴丸強化處理后易產生應力集中,成為疲勞裂紋源的起點,尤其在內氧化嚴重情況下。對此只有采取有效控制以減少內氧化層的方法,才能使強化噴丸真正提高齒輪的疲勞強度。

    3)噴丸強化只適用于滲碳或碳氮共滲后經淬火的工件及其他高硬度工件的表面清理。硬度<40HRC及形狀復雜的工件不易采用噴丸清理。當滲碳淬火后,表層有嚴重的網狀碳化物時,噴丸處理后,表面容易出現微裂紋。




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