噴丸結(jié)合光整加工修復(fù)齒面失效

■江蘇新瑞齒輪系統(tǒng)有限公司 （江蘇常州 213000） 蔡君康

風(fēng)電齒輪箱齒輪在產(chǎn)生齒面磨損、點(diǎn)蝕和銹蝕等失效模式后，存在質(zhì)量隱患，若繼續(xù)長(zhǎng)期使用下去，將會(huì)發(fā)展成不可修復(fù)的失效模式，例如齒面嚴(yán)重點(diǎn)蝕、膠合甚至齒面剝落等。因此，尋求一種快捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的解決方案，對(duì)齒輪箱運(yùn)維服務(wù)非常重要。

1. 齒輪可修復(fù)失效模式分析

齒輪的失效模式多種多樣，按使用情況大體可以分為兩類：一類是損壞嚴(yán)重，直接導(dǎo)致零件無(wú)法繼續(xù)使用；另一類則是出現(xiàn)了缺陷卻能繼續(xù)使用，但若任由缺陷繼續(xù)惡化，仍會(huì)有損壞的隱患。對(duì)于第二類情況，可以通過(guò)一些修復(fù)措施，去除已經(jīng)出現(xiàn)的缺陷，從而保證零件能夠繼續(xù)使用。下面對(duì)幾種可修復(fù)失效模式及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

（1）齒面磨損 齒面磨損是齒輪傳動(dòng)中最常見(jiàn)的一種失效模式，如圖1所示。齒面嚙合處潤(rùn)滑條件不好，不能形成保護(hù)油膜，齒面間發(fā)生硬對(duì)硬接觸，齒面損傷；嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)（如砂粒、切屑等），齒面出現(xiàn)劃傷，留下劃痕。由于齒輪自身在強(qiáng)度方面并不存在問(wèn)題，因此對(duì)齒面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚コ龘p傷處表面的凸起點(diǎn)，再改善齒面潤(rùn)滑條件，提高潤(rùn)滑油的清潔度，即可有效防止齒面磨損程度的加重。

圖1 齒面磨損

（2）點(diǎn)蝕 點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一，如圖2所示。輪齒受力后，齒面接觸處將產(chǎn)生循環(huán)變化的接觸應(yīng)力，在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，輪齒表層或次表層出現(xiàn)不規(guī)則的細(xì)線狀疲勞裂紋，疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展，使齒面金屬脫落而形成麻點(diǎn)狀凹坑，即為點(diǎn)蝕。在點(diǎn)蝕現(xiàn)象出現(xiàn)早期，若能及時(shí)修復(fù)齒面凹坑，提高齒面接觸強(qiáng)度，并改善齒面潤(rùn)滑條件，將能夠防止點(diǎn)蝕程度的惡化，大大延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。

圖2 齒面輕微點(diǎn)蝕

（3）齒面銹蝕 1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱中的某個(gè)零部件出現(xiàn)故障，且未能及時(shí)解決，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。很多早期的齒輪箱未配備空氣濾清器或者配備了但沒(méi)有定期更換，致使齒輪箱內(nèi)有水蒸氣進(jìn)入。而齒輪箱一旦停止運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪件得不到齒輪油潤(rùn)滑，在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生銹斑。圖3所示為該增速箱行星輪齒表面銹蝕情況。

圖3 齒面銹蝕

上述幾種齒輪失效模式，雖然不會(huì)立即表現(xiàn)為齒輪損壞，但如果繼續(xù)長(zhǎng)期使用下去，很可能會(huì)向嚴(yán)重點(diǎn)蝕、齒面膠合甚至剝落等趨勢(shì)發(fā)展。這類齒輪零件本身在材質(zhì)、制造方面沒(méi)有缺陷，只是因齒面疲勞強(qiáng)度降低或客觀因素等引起了損傷隱患。如果做報(bào)廢處理，著實(shí)有些浪費(fèi)。如果采取一些有效的修復(fù)措施，則既能消除齒面的缺陷，又能改善齒面強(qiáng)度，對(duì)齒輪維護(hù)來(lái)說(shuō)，是一種既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又安全可靠的方法。

2. 強(qiáng)化噴丸

強(qiáng)化噴丸工藝主要是將高速?gòu)椡鑷娚涞戒撹F零件表面，使其表面層在彈丸的沖擊作用下發(fā)生塑性變形，由此產(chǎn)生強(qiáng)化及表面壓應(yīng)力，使鋼鐵零件的抗疲勞性能及耐應(yīng)力腐蝕抗力均得到改善。噴丸一方面使零件表面發(fā)生彈性變形，同時(shí)也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯(cuò)，使材料表面發(fā)生加工強(qiáng)化。

噴丸對(duì)表面形貌和性能的影響主要表現(xiàn)在改變零件的表面硬度、表面粗糙度、抗應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕能力及零件的疲勞壽命。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發(fā)生循環(huán)塑性變形。根據(jù)材料性質(zhì)和狀態(tài)的不同，噴丸后材料的表層將發(fā)生以下變化：硬度變化、組織結(jié)構(gòu)的變化、相轉(zhuǎn)變、表層殘余應(yīng)力場(chǎng)的形成及表面粗糙度的變化等。

（1）改善材料表面性能 強(qiáng)化噴丸過(guò)程中，當(dāng)微小球形鋼丸高速撞擊受噴工件表面時(shí)，使工件表層材料產(chǎn)生彈、塑性變形，撞擊處因塑性變形而產(chǎn)生一壓坑，撞擊導(dǎo)致壓坑附近的表面材料發(fā)生徑向延伸。當(dāng)越來(lái)越多的鋼丸撞擊到受噴工件表面時(shí)，工件表面越來(lái)越多的部分因吸收高速運(yùn)動(dòng)鋼丸的動(dòng)能而產(chǎn)生塑性流變，使表面材料因塑性變化而產(chǎn)生的徑向延伸區(qū)域越來(lái)越大，發(fā)生塑性變形的表面逐步連接成片，則使工件表面逐步形成一層均勻的塑性變形層。強(qiáng)化噴丸對(duì)提高齒輪的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度有很明顯的效果。圖4和圖5分別是德國(guó)動(dòng)力傳輸工程研究協(xié)會(huì)（FVA）和采埃孚公司（ZF）進(jìn)行試驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)，從圖4中的σ-N曲線看，在經(jīng)過(guò)107周次應(yīng)力循環(huán)后，強(qiáng)化噴丸齒輪相對(duì)滲碳未噴丸齒輪約提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度35%；從圖5數(shù)據(jù)圖解可知，強(qiáng)化噴丸齒輪相對(duì)未噴丸齒輪約平均提高齒根彎曲疲勞強(qiáng)度40%。

（2）影響滲碳齒輪表層殘余應(yīng)力 噴丸使工件表面形成殘余應(yīng)力的原因：當(dāng)高速鋼丸撞擊到試樣表面時(shí)，撞擊處產(chǎn)生塑性變形而殘余一壓坑，當(dāng)越來(lái)越多的鋼丸撞擊到試樣表面時(shí)，則會(huì)在試樣表層產(chǎn)生一層均勻的塑性變形層，由于塑性變形層的體積膨脹會(huì)受到來(lái)自未塑性變形近鄰區(qū)域的限制，因此整個(gè)塑性變形層受到一壓應(yīng)力。

圖4 噴丸對(duì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的影響

圖5 噴丸對(duì)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的影響

殘余壓應(yīng)力及其分布對(duì)齒輪疲勞壽命有較大的影響，而噴丸強(qiáng)化工藝的優(yōu)劣將直接影響殘余應(yīng)力的大小及其分布。圖6所示為在各個(gè)不同階段進(jìn)行噴丸處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力比較。

（3）影響零件的表面粗糙度 強(qiáng)化噴丸會(huì)引起零件受噴表面的塑性變形，使零件的表面粗糙度發(fā)生變化。噴丸對(duì)材料表面粗糙度的影響通常在表面粗糙度值Ra=0.6～20μm內(nèi)。在不改變工藝參數(shù)的條件下，材料原始表面粗糙度值越高，噴丸后的R a值越大。生產(chǎn)實(shí)踐證明，一般情況下，噴前表面粗糙度值R a＞6.3μm，則噴丸會(huì)提高或維持原表面粗糙度值；如果原始表面粗糙度值R a≤6.3μ m，則噴丸后表面粗糙度值會(huì)有所降低。在生產(chǎn)實(shí)踐中，要想獲得較理想的噴丸表面，應(yīng)從以下幾方面著手：①提供較好的原始表面質(zhì)量，表面粗糙度值Ra應(yīng)≤6.3μm。②選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力。③在大直徑鋼丸噴丸強(qiáng)化后，采用較小鋼丸低壓力（不能改變噴丸強(qiáng)度值）覆蓋一次，可達(dá)到較好的表面粗糙度質(zhì)量。

3. 光整

圖6 噴丸對(duì)齒面殘余應(yīng)力的影響

光整加工是指以降低零件表面粗糙度值、提高表面形狀精度和增加表面光澤為主要目的的研磨和拋光加工。由于齒輪零件的特殊性，研磨不適用，所以更主要的是采取拋光方法。拋光采用游離式磨料拋光形式，即使磨料（見(jiàn)圖7）相對(duì)齒輪發(fā)生不重復(fù)的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)齒輪進(jìn)行微切削，再配合化學(xué)溶劑的作用，使得齒輪表面的凸起迅速被去除，從而降低齒面的表面粗糙度值。

齒輪的光整加工工藝可以降低齒面的表面粗糙度值，進(jìn)而提高其使用性能和壽命，大幅度降低齒面的嚙合噪聲。

（1）工藝特點(diǎn) ①降低表面粗糙度值。在拋光過(guò)程中，磨粒會(huì)磨掉加工表面的尖峰，從而降低表面粗糙度值，表面粗糙度值Ra可達(dá)0.8μm以下。②提高表面耐磨性。經(jīng)光整加工后的表面，摩擦系數(shù)減小，耐磨性也得到了提高。③提高耐疲勞強(qiáng)度。在適量壓力下的拋光，使被加工表面存在著少量殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力有利于提高工件表面的疲勞強(qiáng)度。④提高精度。在研磨、拋光時(shí)，由于磨粒極小，在低速、低壓運(yùn)動(dòng)時(shí)，逐漸將表面的尖峰磨掉，因此可穩(wěn)定地獲得高精度的表面。

（2） 應(yīng)用實(shí)例以某1 500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱行星輪齒面修復(fù)為例，由圖3可以看出，由于風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，齒輪箱長(zhǎng)時(shí)間未運(yùn)轉(zhuǎn)，行星輪齒面已經(jīng)出現(xiàn)大面積銹斑，為此采用噴丸結(jié)合光整工藝方法，如圖7所示。具體操作：首先對(duì)行星輪齒面進(jìn)行強(qiáng)化噴丸，去除銹斑，然后對(duì)噴丸后的輪齒表面進(jìn)行超精拋光，齒面的銹斑完全被去除，表面質(zhì)量較原來(lái)也有所提高，通過(guò)測(cè)定，表面粗糙度值Ra=0.6μm，如圖8所示。

圖7 噴丸去除銹斑

圖8 拋光光整后的齒面

4. 結(jié)語(yǔ)

噴丸強(qiáng)化和光整加工工藝由于具有實(shí)施方便、強(qiáng)化效果顯著及耗能低等優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)械加工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，但大多是單一應(yīng)用在零件制造過(guò)程中。本文通過(guò)對(duì)噴丸和光整工藝機(jī)理及其特點(diǎn)的分析，認(rèn)為將這兩種工藝優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)修復(fù)齒面早期失效是行之有效的。現(xiàn)在很多齒輪制造企業(yè)不再局限于單一的噴丸或光整技術(shù)的應(yīng)用，而是開(kāi)始傾向于將兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合，以滿足其特定的生產(chǎn)加工要求。未來(lái)，噴丸結(jié)合拋光光整工藝應(yīng)用到齒輪箱運(yùn)維服務(wù)中，必將得到行業(yè)的重視，其應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛，有助于提高齒輪生產(chǎn)行業(yè)的整體水平。

專家點(diǎn)評(píng)

齒輪的失效模式多種多樣，存在質(zhì)量隱患。可以通過(guò)有效的修復(fù)措施，改善齒面強(qiáng)度，保證其繼續(xù)使用。本文針對(duì)可修復(fù)失效模式的齒輪工藝進(jìn)行分析，尋求一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的解決方案。綜合運(yùn)用噴丸和光整工藝優(yōu)勢(shì)修復(fù)齒輪早期失效，消除齒面磨損、點(diǎn)蝕和銹蝕等缺陷，延長(zhǎng)齒輪使用壽命，對(duì)于齒輪維護(hù)來(lái)說(shuō)，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改善方法。