齿轮强化之应用

汽车工业设计工程师们已普遍利用喷丸强化工艺来提高传动零部件的使用寿命。通常，零件在热处理后进行喷丸强化，对于一些关键零件，如齿圈和行星齿轮等，强化是生产的最后一道工序。

关于什么是强化的概念，大家已经从很多技术文献上了解了，即高速喷射的钢丸颗粒撞击金属零件表面，使工件表面材料发生弹塑性变形并呈现较高的残余压应力。如果只想找一台强化设备，并不难。但由于设备选择不当，造成产品的早期传动失效和必须全部回收的巨大损失，让很多齿轮制造商们痛定思痛后，不得不重新审视这个听上去并不复杂的工艺技术，并希望找到最合适的设备能满足他们特定的强化应用和要求。

喷丸强化原理和效果

金属介质（钢丸或切丝丸）高速撞击零件表面，造成表面塑性变形。这一影响延伸到材料表层，在表层下产生一个压应力，从而抵消不良的拉应力。该残余压应力延缓了疲劳断裂的形成，从而延长零件的安全使用寿命。

齿轮热处理后，其表面接受连续丸粒撞击、亦可将残余奥氏体转化为马氏体。这回增加材料的硬度，形成压应力。

就齿轮而言，最大的剪切应力出现在齿根部和齿轮过渡区圆角半径处。两个齿面，主动面和从动面都承受不断增加的负载。因此，齿轮强化重点在于对以下部位的强化，

l         • 主动面

l         • 从动面

l         • 齿根部位

就强化要求，即强度和覆盖率，不同齿轮有不同的要求，必须根据最终的应用。覆盖率是通过目测，而强度需利用阿尔门试片进行测量。

强度测量

零件校对工具（PVT）， 设计用来将测试试片置于一些特定位置，在这些位置的试片可模拟零件有强度要求且必须进行强度测试的区域位置。根据不同应用，强度范围从0.015 - 0.030 （在‘A’等级上）。一般覆盖率要求在100% - 200%。 有以下几种强化技术，各具优势：

l         离心力抛丸强化

l         压缩空气喷丸强化

l         混合式（喷嘴和抛头）

介质推进类型

从产量方面考量，离心力抛丸强化优于另外两种方式。钢丸在离心力的作用下从叶轮轴上的孔溢出到叶片上，再由高速转动的叶片沿固定角度抛出。单位时间内，抛丸丸流覆盖的面积大于喷嘴喷丸。但是，抛丸强化的应用受限于待处理齿轮的尺寸。如果是强化小齿轮且齿根部面积狭小，就需要多个抛头，固定在不同角度，以达到所需的强化效果。

另一种，压缩空气式喷丸强化，利用多个喷嘴，对准齿面、齿根的特定部位，使丸流更集中、目标更确定，可达到精确强化的效果。

第三种是混合式，尽管应用比较少，它的优势是在一台设备上结合了抛丸强化的高产量和喷丸强化的高精确度、可控性。

工艺参数

无论哪种强化技术，目的都是要取得一个持续恒定、可重复的强化强度。因此，必须了解工艺过程中，哪些关键变量会影响到最后的强化结果，包括：

以上这些工艺变量都会影响强化最终效果：

l         抛头直径决定了钢丸介质被一定角度抛射出去时的速度。在同样的抛头转速下，直径为17.5’’的抛头产生的钢丸抛射速度大于直径为14’’的抛头，因而产生的强化强度也更高。

l         抛头的马力决定了单位时间内被打出去的钢丸数量

l         抛头是由变频机直接驱动的，通过改变电机的频率可以改变抛头的转速，从而改变钢丸抛出的初速度。

l         抛头通常都被永久地固定在抛丸室的特定位置，但可以通过调整定向套的位置，来改变抛射方向。定向套的位置最终决定了钢丸被抛头抛射出去的角度

直接压力式喷丸强化

l         喷丸强化中的喷射压力类似于抛丸强化中的抛头速度。压力越大，强度越大。对于复杂的齿轮强化，通常在一个封闭环路，通过一个比例调节器监控喷嘴压力。任何偏离预先设定的压力值，系统就会发出警报，指示关闭机器。

l         喷嘴的尺寸大小决定了钢丸介质被喷射到零件表面的数量。对于喷丸强化工艺，最重要的因素就是要取得精确的方向性，目标准确，钢丸被无误差地打到零件表面指定点，且达到所需的强度。

l         安装在多轴机械手上的喷嘴可实现自由移动，该机械手在伺服驱动系统和动态控制器协助下，操纵喷嘴的移动，让喷嘴走向沿零件的外缘和内部路线。沿行星齿轮和齿轮圈的轮廓进行喷射，达到均匀一致、重复性高的强化效果。

当同时对一组行星齿轮和齿圈进行强化，必须特别注意，它们齿根角度是不同的，因此，对于喷丸强化，各个喷嘴位置设定很关键，才能达到理想的齿轮、齿圈强化效果。

其他影响喷丸强化结果的工艺参数包括：

l         钢丸的流量

l         钢丸的尺寸

l         尺寸的一致性

丸料的流量是由一个专门的流量控制阀控制。在抛丸强化设备中，该控制阀是安装在抛头进料区，通过调节流量控制阀的开口大笑来调整经过该阀进入抛头的钢丸流量；在喷丸强化设备中，丸料控制阀安装在压力罐出口区。

一个振动筛对丸料进行过滤，筛选出合格尺寸的丸料，确保强化过程中所用的钢丸尺寸一致，从而达到稳定的强化效果。

钢丸（或切丝）的尺寸，会直接影响覆盖率和强化时间。一般规律是，

l         钢丸直径小，工件表面产生的残余应力较高，但强化层较浅

l         钢丸直径大，工件表面产生的残余应力较低，但强化层较深

l         钢丸的直径必须小于齿轮过渡区圆角直径的一般

总结

强化工艺在过去几年里发展迅速，应用范围也越来越广。最早运用于飞机起落架齿轮强化的工艺现在也普遍应用于处理过程同样复杂且精确度要求高、可重复性强的汽车齿轮强化，目的是提高齿轮疲劳强度和寿命能力。                                                          

利用精密的自动化控制系统，对工艺参数实施同步监控，增强了系统的柔性程度，以获得理想的零件强化效果。

现在很多汽车工程师不再局限于单一的抛丸强化或喷丸强化，他们开始倾向混合式的系统，能将两种技术优势进行结合，以满足其特定的生产加工要求。

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