噴丸強化工藝在裝載機驅動橋弧齒錐齒輪上的應用

龔學全

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

噴丸強化工藝在裝載機驅動橋弧齒錐齒輪上的應用

龔學全

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

本文介紹了驗證弧齒錐齒輪強化噴丸技術的過程，通過對某型號裝載機產品驅動橋的弧齒錐齒輪副的失效原因分析，確定輪齒的彎曲疲勞強度不足，采用強化噴丸工藝，經過臺架及整機可靠性試驗等過程，提升強度及壽命，達到預期效果。對提高齒輪強度及壽命有一定的借鑒作用。

工程機械；噴丸強化；驅動橋；弧齒輪錐齒輪；主傳動

噴丸強化工藝在提高工件可靠性和耐久性方面效果顯著，在航空、航天、汽車、機車、汽輪機、船舶、機械等各行業中被廣泛應用。

裝載機是牽引型底盤傳動，隨著市場對裝載機產品的耐用性和可靠性要求的提高，對承擔主要動力傳動的驅動橋的質量和可靠性的要求隨之提高，單純通過加大弧齒輪錐齒副的尺寸來保證要求，受制于整車對橋包及橋殼尺寸的限制，為此，從齒輪制造的工藝著手，對前橋主傳動齒輪噴丸強化工藝進行了研究，提升強度及使用壽命。由于裝載機作為工程施工機械的特殊性，為了確認其通過噴丸強化能夠增強性能的可行性，必須對其應用進行試驗驗證。

1 噴丸強化概述

噴丸強化的過程就是將高速運動的彈丸流噴向零件表面的過程。用于提高零件的抗疲勞及耐應力腐蝕能力，運作機理是利用高速運動的彈丸（60～110m/s）流連續沖擊被強化工件表面，迫使靶材表面和表層（0.10～0.85mm）在循環性變形過程中發生以下變化：（1）顯微組織結構發生改性；（2）非均勻的塑變外表層引入殘余壓應力，內表層產生殘余拉應力；（3）外表面粗糙度發生變化（RaRz）。通過使用噴丸強化工藝，可提高材料/零件疲勞斷裂抗力，防止疲勞失效，塑性變形與脆斷，提高疲勞壽命。通過噴丸強化，一般可提高疲勞壽命1～3倍，甚至可提高幾十倍。在飛機制造及維修、汽輪機、發電機等大量采用，是一種特殊的工藝方法。

2 當前齒輪存在問題

2.1 研究零件的質量特性及相關信息

研究零件的質量特性及相關信息如表1。

表1 零件的質量特性及相關信息

2.2 當前齒輪失效模式

研究齒輪存在較高的外部反饋率，主要失效方式為崩齒、斷齒。經失效分析研究，失效原因為抗疲勞強度不足，失效件模式如圖1，為解決強度不足的問題，開展應用噴丸強化工藝試驗及可靠性驗證。

圖1 大螺旋錐齒輪失效模式

3 噴丸強化工藝

3.1 噴丸強化工藝參數

經分析研究，使用以下噴丸強化工藝參數，噴丸強度：0.45～0.55mmA，覆蓋率200%；彈丸要求：預鈍化鋼絲切丸CW-23，硬度HRC55～60。

3.2 噴丸強化方式

噴射距離設置為100～150mm，噴射角度應垂直于受噴零件表面。

3.3 噴丸強化參數檢測

層深及殘余應力檢測。弧齒錐齒輪強化噴丸后的外觀效果如圖2。

圖2 強化噴丸后齒輪效果

采用ASTM-E915-2010、EN15305-2008及GB7704-2010等標準規定的方法，進行殘余應力檢測。使用電解拋光機型號Proto-8818,飽和NaC1水電解液，數顯千分表檢測電解拋光深度，檢查結果見表2，其中負值應力代表壓應力。

表2 殘余應力檢測表

經過強力噴丸后表面5μm殘余壓應力達到約700MPa，次表層50μm殘余壓應力達到約1000MPa，較強力噴丸前提高300%以上，強化參數符合預期要求。

4 試驗

4.1 臺架試驗

臺架對比試驗方案如表3。

表3 臺架對比試驗方案

4.2 臺架試驗參數及結果

使用驅動橋專業疲勞壽命試驗臺，分別對裝配有噴丸強化型和普通型兩種弧齒錐齒輪的前橋總成進行加載試驗，完成了各2套共4套橋總成試驗，試驗結果壽命，經分析計算，噴丸強化后的弧齒錐齒輪齒輪平均壽命提高361.3%，預計強化噴丸后的弧齒錐齒輪的外反饋率下降約78.3%。

4.3 整機可靠性試驗參數及結果

根據臺架試驗的結論，策劃進行了小批量實際工況驗證，最后進入批量實施，進入穩定期后考查期外反饋率下降為原來的1/34.3倍，取得滿意效果。

5 結語

由于硬齒面齒輪的基體硬度較高，只能通過強化噴丸的方法進行強化，通過強化噴丸試驗及檢測分析，優化噴丸工藝，可以達到強化噴丸的目的。根據試驗研究和驗證的結果可知，應用合適的強化噴丸工藝，所達到的噴丸效果可有效提升弧齒錐齒輪的強度，大幅提升齒輪壽命和可靠性，是提升裝載機驅動橋承載能力的有效方法。

[1]褚東寧，張先國，鄭立新，汪波瀾，胡靖.重型車后橋主動齒輪噴丸強化工藝及設備[J].汽車工藝與材料，2004(7):60~66.

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