噴丸強化工藝及對齒輪的影響

楊園園

摘 要：隨著航空齒輪的種類越來越多和性能要求越來越高，噴丸強化在齒輪加工中發揮著越來越重要的作用。作為一種工藝方法，噴丸強化能夠使用最簡單的操作，獲得較好的性能要求。要滿足新的要求，熟悉噴丸強化可能是比較有效的手段。

關鍵詞：噴丸強化；性能要求；影響

1 噴丸強化工藝

1.1 目的

通過噴丸強化在零件表面形成的殘余應力來降低零件工作負荷對疲勞應力和應力腐蝕的影響。

1.2 定義

噴丸強化中的定義：

（1）噴丸。“噴丸”是一種利用高速噴射的彈丸流來撞擊零件表面，使零件獲得較高的疲勞強度的工藝方法。（2）噴丸強度。它反映金屬表層被彈丸打擊的程度、產生的壓縮應力大小的程度，在其它噴丸強化工藝參數不變的條件下，試片的弧高度值隨噴丸時間而迅速增高，但隨后逐漸變緩，當噴丸到一定時間時，弧高度值達到一個定值，此值之后，弧高度值的增加明顯變緩，此值即為“飽和點”，過飽和點后，弧高度值與噴丸時間呈線性遞增關系。如果在增加一倍的時間來噴丸，弧高度值增加也不會超過飽和點處弧高度值的10%，飽和點處的弧高度值稱為噴丸強度。（3）表面覆蓋率。噴丸表面的“表面覆蓋率”是在被噴丸零件表面規定的區域內，彈痕占據的表面與要求噴丸強化的表面之間的比值。檢驗表面覆蓋率有兩種方法：目視檢驗；著色檢驗。（4）飽和時間。“飽和時間”被定義為以雙倍時間進行噴丸強化，而噴丸試片的弧高度值增加量不超過10%時的時間。（5）噴嘴角。噴嘴角時噴嘴對機床臺面的垂直方向形成的角度。（6）噴射角。噴射角是噴丸的方向相對于要求噴丸的零件表面形成的角度。（7）過噴區。與通過標準試片檢驗的強化噴丸表面相鄰的不進行檢驗的噴丸表面。

1.3 彈丸

（1）彈丸的規格、外形及其它技術要求應符合GB6484，彈丸要盡量選擇球形的，禁止使用帶有尖邊的、中空的或形狀不規則的彈丸。（2）彈丸的選擇原則。a.對表面光度及形位公差無嚴格要求（或非配合表面）的大型零件，可采用較大尺寸的彈丸以獲得較高的噴丸強度。b.對表面光度要求較高的零件（包括配合表面），應采用較小尺寸的彈丸。c.帶有內外圓角、溝槽的零件，彈丸直徑應小于內外圓角半徑和溝槽寬度的一半。

1.4 噴丸強化的設備，工裝

（1）噴丸機。噴丸機主要有兩種類型：氣動式噴丸機和離心式噴丸機。（2）檢驗用篩。檢驗用篩應符合GB6003，用它來檢驗彈丸尺寸，將不合格的彈丸過濾出去，每次使用完后清理干凈，保證篩孔不被堵塞。（3）試片。除了由特殊規定外，試片材料為70或65Mn冷扎彈簧鋼。標準試片分三種類型：N型、A型、C型，其規格尺寸如表1：

弧高度測具：測量標準試片弧高度值的標準弧高度測具，其結構及尺寸應符合如圖1所示。

1.5 噴丸過程要求

（1）噴丸前零件狀態。需要噴丸強化的表面應清除像黃油，礦物油等污物。而且不應有陽極化膜，電鍍膜，涂層等那樣的表面附著層。需要噴丸強化的表面內腔應光滑過渡并且尖邊應倒圓。（2）工藝參數的確定。工藝參數主要包括：彈丸直徑、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度、噴射距離、噴丸時間、風壓、零件轉速和移動速度、噴嘴的移動速度和移動行程等內容，確定工藝參數按下述步驟進行：a.將噴丸試片裝在試片夾具上，使其處于與零件噴丸部位相同的位置。b.現估計一組參數調整噴丸機。c.對試片進行一定時間的噴丸后卸下，用弧高度測具測量試片的弧高度值，并且觀察表面覆蓋率。d.對一組試片，選取不同時間重復a、b、c，以便獲得數個試驗數據（一般取6～10片噴丸），按所獲得的數據，作出如圖的弧高度曲線，由曲線上的飽和點來確定噴丸強度。

e.當從曲線上得到的噴丸強度未滿足要求時，則重新取一組試片，調整工藝參數后，按以上的步驟重新試驗，直至得到滿足要求的弧高度曲線。

（3）零件的保護。圖中非噴丸的表面應進行保護，避免這些表面受到彈丸束的打擊而損傷。當無法保護時，必須使這些表面留有足夠的余量，以去掉受到影響的材料。

2 噴丸強化對齒輪的影響

2.1 噴丸強化及其對疲勞的影響

利用以上原理，通過噴丸強化在零件表面產生一薄薄的高殘余壓應力層，而消除疲勞失效的（2）過程，即可抑制疲勞裂紋的擴展。零件剖面上的應力分布可用圖3表示。

2.2 噴丸強化對齒輪傳動的影響

噴丸強化用于傳動齒輪主要是為了：（1）改善齒根圓角的疲勞

強度。（2）提高齒面疲勞壽命，減少疲勞點蝕，增加耐用性。（3）有助于齒輪或傳動系統的潤滑。（4）噴丸可以消除機械加工在齒面上形成的橫向連續刀痕。

2.3 提高齒輪的耐久性與抗點蝕疲勞

噴丸強化也可以改善齒表面疲勞壽命。齒輪嚙合時，平行于齒面的次表面的剪切應力使齒部出現疲勞點蝕。由于兩齒輪是沿著節線呈滾動嚙合，在節圓上下所產生的滑差可能高達40%。這種滑動可能在嚙合表面下面約0.15mm處產生細微裂紋。這些裂紋向表面擴展至該金屬小楔塊破裂脫落便形成點蝕疲坑。由于裂紋不能向壓應力層內擴展，而噴丸強化可以得到0.18mm～0.20mm厚的壓應力層，所以噴丸強化能夠防止點蝕疲勞。

2.4 噴丸強化可以去除連續刀痕

齒輪加工中在齒面上出現的連續刀痕，可能會導致齒輪斷齒失效。噴丸強化可以作為將齒面刀痕改善到“允許”狀態的一種技術。

3 結束語

噴丸強化通常用于如下情況：（1）增加疲勞強度。（2）減少造成齒輪耐用性能降低的點蝕疲勞，提高齒輪使用壽命。（3）有助于齒輪潤滑。（4）消除了由于加工刀痕引起的齒面應力集中，由于噴丸后齒面波痕均勻，并達到“安全狀態”，所以可以消除刀痕造成的應力集中。

控制技術：如果在噴丸強化過程中，應用的噴丸控制技術適當，則該工藝確是改善上述性能的一項很奏效的手段。這些控制技術如下：（1）有能夠正確地確定噴丸強度的能力。（2）有能夠即時消除大小和形狀不合格彈丸的能力。（3）有能夠保證零件噴丸表面噴丸后覆蓋完全的能力。

參考文獻

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