表面處理: 齒輪加工中的強力噴丸工藝

提高齒輪齒部彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的重要方法,是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪壽命的重要途徑。

強力噴丸工藝主要是利用高速噴射的細小鋼丸在室溫下撞擊受噴工件表面,使工件表層材料產生彈塑性變形并呈現較高的殘余壓應力,從而提高工件表面強度及疲勞強度。噴丸一方面使零件表面發生彈性變形,同時也產生了大量孿晶和位錯,使材料表面發生加工強化。如圖1所示:

圖1-a   經噴丸處理的零件表面    圖1-b 未經噴丸處理的零件表面

噴丸對表面形貌和性能的影響主要表現在改變零件的表面硬度、表面粗糙度、抗應力腐蝕能力和零件的疲勞壽命。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發生循環塑性變形。根據材料的性質和狀態的不同,噴丸后材料的表層將發生以下變化:硬度變化、組織結構的變化、相轉變、表層殘余應力場的形成、表面粗糙度的變化等。

當一塊金屬片接受鋼丸流的噴擊時會產生彎曲。飽和狀態和噴丸強度是噴丸加工工藝中的兩個重要概念。飽和狀態是指在同一條件下繼續噴擊而不再改變受噴區域機械特性時的狀態。所謂噴丸強度,就是通過打擊預制成一定規格的金屬片(即試片),在規定的時間使之達到飽和狀態的強弱程度,并用試片彎曲的弧高值來度量其噴擊的強弱程度。

目前,應用最廣的美國機動車工程學會噴丸標準中采用阿爾曼提出的噴丸強化檢驗法——弧高度法,該方法由美國GM公司的J. O. Almen(阿爾門)提出,并由SAEJ442a和SAE443標準規定的測量方法,其要點是用一定規格的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強化后的形狀變化來反映噴丸效果。對薄板試片進行單面噴丸時,由于表面層在彈丸作用下產生參與拉伸形變,所以薄板向噴丸面呈球面彎曲。通常在一定跨度距離上測量球面的弧高度值,用其來度量噴丸的強度。測定弧高度值是通過將阿爾門試片固定在專用夾具上,經噴丸后,再取下試片,然后用阿爾門量規測量試片經單面噴丸作用下產生的參與拉伸形變量(即弧高度值)。如用試片測得的弧高值為0.35mm時,記作0.35A。

 噴丸強度的另一種檢驗方法為殘余應力檢測,即對經強力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。在美國SAE J784a標準中推薦如下方法:X射線的入射和衍射束必須平行于齒輪的齒根,圓柱直齒輪和圓柱螺旋齒輪上的測量位置應當在齒根的寬度中央,照射區域必須集中在齒根圓角的中心,不能橫向延伸超出規定的齒根圓角表面深度的測量點,照射區域大小的控制可以通過對直光束和適當遮蓋齒根表面實現;在每個選定受檢的齒輪上,最少要任選兩個齒進行評估,兩齒間隔180?。如果齒的有效齒廓受到保護沒有研磨,則可以認為齒根研磨的用于表面下殘余應力測量的齒輪未受損壞并且可以用于生產。

借助表面冷變形實現材料表面強化的本質在于冷變形造成材料表層組織結構的變化、引入殘余壓應力以及表面形貌的變化。

噴丸使材料表面性能改善

強化噴丸過程中,當微小球形鋼丸高速撞擊受噴工件表面時,使工件表層材料產生彈、塑性變形,撞擊處因塑性形變而產生一壓坑,撞擊導致壓坑附近的表面材料發生徑向延伸。當越來越多的鋼丸撞擊到受噴工件表面時,工件表面越來越多的部分因吸收高速運動鋼丸的動能而產生塑性流變,使表面材料因塑性變化而產生的徑向延伸區域越來越大,發生塑性形變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。塑性變形層形成后,繼續噴丸會使塑變層因繼續延伸而厚度逐步變薄,同時塑變層的徑向延伸會因受到鄰近區域的限制而導致重疊部分發生破壞,最終塑變層因持續的噴丸而剝落。所以必須對噴丸的時間加以嚴格的控制。

噴丸對滲碳齒輪表層殘余應力的影響

關于噴丸使工件表面形成殘余應力的原因,根據Al-Obaid等人的觀點:當高速鋼丸撞擊到試樣表面,撞擊處產生塑性變形而殘余一壓坑,當越來越多的鋼丸撞擊到試樣表面時,則會在試樣表層產生一層均勻的塑變層,由于塑性變形層的體積膨脹會受到來自未塑性變形近鄰區域的限制,因此整個塑變層受到一壓應力。

由于殘余壓應力及其分布對齒輪疲勞壽命有較大的影響,而噴丸強化工藝的優劣將直接影響殘余應力大小及其分布。因此準確測定受噴零件的表層殘余應力對于評價噴丸工藝的優劣是一個行之有效的手段。

噴丸對零件表面粗糙度的影響

 強化噴丸會引起零件受噴表面的塑性變形,使零件的表面粗糙度發生變化。表面粗糙度是一種微觀幾何形狀誤差,又稱為微觀不平度。表面粗糙度和表面波度、形狀誤差一樣,都屬于零件的幾何形狀誤差,表面粗糙度對于機器零件的使用性能有著重要的影響。噴丸對材料表面粗糙度的影響通常在Ra0.6～20mm范圍內。在不改變工藝參數的條件下,材料原始表面粗糙度愈高,噴丸后的Ra值愈大。生產實踐證明,一般情況下,噴前表面粗糙度在6.3mm以下,噴丸可以提高或維持原表面粗糙度,如果原表面粗糙度在6.3mm以上,則噴丸后表面粗糙度有所降低。在生產實踐中,要想獲得較理想的噴丸表面,應從以下幾個方面著手:提供較好的原始表面,Ra值應在6.3mm以下;選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力;在大直徑鋼丸噴丸強化后,采用較小鋼丸低壓力(不能改變噴丸強度值)覆蓋一次,可達到較好的表面粗糙度。

噴丸后的零件表面應輕微打磨,打磨時要控制表面金屬去除量。這樣,既不損害噴丸的強化效果,又可改善表面粗糙度。當然,這是一個多因素問題,不論采用什么方法,必須同時考慮其他因素的影響。

對噴丸質量有影響的主要有以下幾個方面:鋼丸材料、鋼丸直徑、鋼丸速度、鋼丸流量、噴射角度、噴射距離、噴射時間、覆蓋率等。其中任何一個參數的變化都會不同程度地影響噴丸強化的效果。

鋼丸的材料、硬度、尺寸及粒度對噴丸效果的影響

鑄鐵丸和鑄鋼丸通常用于硬齒面齒輪的噴丸。鑄鐵丸的缺點是韌性較低,在噴丸過程中易于破碎、耗損量大,對破碎的鋼丸要及時分離,否則會影響受噴表面質量。但鑄鐵丸的優點是價格便宜、硬度高,可以使受噴表面產生較高的殘余壓應力。鑄鋼丸與鑄鐵丸相比,其優點是不易破碎,對受噴表面幾何形貌有利。但鑄鋼丸硬度較鑄鐵丸低,在其他條件相同時,受噴表面的殘余壓應力低于鑄鐵丸。

 對于受噴工件而言,鋼丸質量和鋼丸速度決定了噴丸強化效果的穩定性。其中,鋼丸質量對噴丸強化效果影響甚大,一般規律是:鋼丸直徑小,工件表面殘余應力較高,但強化層較淺;鋼丸直徑大,工件表面殘余應力較低,但強化層較深;鋼丸硬度高,噴丸強度也高;鋼丸直徑增加,噴丸強度也增加;鋼丸速度增加,噴丸強度、表面壓應力和強化層深三者均增加。

合理的選擇控制噴丸參數,才能獲得良好的噴丸效果。通常情況下,鋼丸的直徑受到所噴零件的影響,鋼丸的直徑一般不應大于齒輪過渡區圓角直徑的一半。過大的鋼丸不能噴及齒輪圓角處。當對表面粗糙度有要求時,應盡量選用較小的鋼丸。為了達到覆蓋率要求所需的噴丸時間將隨著鋼丸尺寸的加大而迅速增加,小鋼丸可以較快地達到覆蓋率的要求。因此,鋼丸的直徑不宜選得過大,我公司根據實際情況,選用直徑為φ0.6mm、φ0.8mm的鋼丸,獲得的效果比較理想。

同時鋼丸的材料也非常重要,國家標準中已經對鋼丸的金相組織、化學成分、最小密度、硬度偏差范圍給出嚴格的規范。合格材料的鋼丸都應嚴格控制質量,保證球面形狀尺寸均勻,保證充足的鋼丸數量。鋼丸量的減少,相應噴丸強度也會降低。所以必須在一定間隔時間內檢查鋼丸,及時去除不合格的鋼丸,調換和增加一定量的鋼丸。否則,畸形鋼丸的棱角容易使受噴零件表面產生微裂紋而造成疲勞源。一般應保證合格鋼丸的數量不少于80%。合格鋼丸的含量一般選用不同規格的篩網加以控制(如圖2所示)。

圖2  用于檢測用的篩網

鋼丸硬度的選擇應考慮工件材料的硬度。當鋼丸的硬度非常接近齒輪材料的硬度時,最大壓應力與壓縮深度將不受鋼丸硬度的影響。因此,選擇鋼丸時,應使鋼丸的硬度大于或等于齒輪噴丸表面的硬度。對滲碳齒輪,最好選用硬度為55～65HRC的鋼丸,以得到滿意的壓應力效果。

鋼丸的流量、速度、噴射角度對噴丸效果的影響

拋頭是由變頻電機直接驅動的,通過改變電機的頻率可以改變拋頭的轉速。鋼丸在離心力的作用下從葉輪軸上的孔溢出到葉片上(如圖3所示),再由高速轉動的葉片沿固定角度拋出,葉輪的轉速決定了鋼丸拋出的初速度。電機的最大轉速是3000r/min。

圖3 噴丸機拋頭內部結構示意圖

由于拋頭轉動起來以后,鋼丸會源源不斷地拋出,因此進入拋頭葉輪軸的鋼丸流量必須能保證拋頭有充足的鋼丸供給,這就要求經常補充噴丸機鋼丸回收系統中的鋼丸存量,更重要的是通過調節丸料控制閥的開口大小來調整經過丸料控制閥進入拋頭的鋼丸流量。噴丸機的鋼丸的輸入量一經調好后就固定不變了,在正常使用中改變鋼丸流量是通過調節拋頭的轉速來實現的,即在鋼丸輸入量不變的情況下提高葉輪轉速,則單位時間內拋出的鋼丸流量就大,反之亦然。在噴丸機上,每個拋頭都有一個安培表與之相連,用來顯示鋼丸的流量。當噴丸質量達不到技術要求時,需調整電機頻率,調整就是通過安培表顯示的讀數來確定調整到何種程度的。安培表的讀數范圍是0～30A。

在噴丸過程中,材料表層承受鋼丸的劇烈沖擊產生形變硬化層,這將導致兩種效果:

一是組織上造成亞晶細化,位錯密度增加,晶格畸變加劇;

二是引入高的宏觀殘余壓應力。

此外,由于鋼丸沖擊使表面粗糙度有所增加,會使切削加工時產生的尖銳刀痕趨于圓滑。這些變化將明顯地提高材料的疲勞抗力和應力腐蝕抗力,從而明顯地提高齒輪的壽命。

來源:齒輪傳動

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