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摘要：通過對裝載機驅動橋螺旋錐齒輪樣件進行噴丸強化試驗，研究了該齒輪齒面及齒根的噴丸強化效果，找出噴丸工藝參數中對噴丸效果影響顯著的參數，尋求合理的噴丸強化工藝參數組合。 通過模擬重載工況，在恒定扭矩及轉速條件下進行加速疲勞臺架試驗，驗證噴丸強化工藝可提高螺旋錐齒輪的疲勞壽命。 在不改變齒輪設計結構的情況下，從工藝角度提高齒輪強度，減少設計成本，為噴丸強化工藝應用于工業生產奠定基礎。

隨著裝載機使用要求的不斷提高，對驅動橋主傳動螺旋錐齒輪的承載要求也越來越高。 由于主傳動螺旋錐齒輪在正常情況下的失效形式為齒面點蝕、剝落和齒根斷裂，因此，齒面失效和齒根斷裂是提高齒輪承載能力亟待解決的問題。 從企業自身來講，要求在不改變現有結構尺寸的基礎上，進一步提高螺旋錐齒輪的承載能力，在這種背景下，噴丸強化工藝〔１-３〕 得以應用。現有齒輪噴丸強化工藝多用于汽車行業，以碳氮共滲齒輪齒面接觸疲勞強度研究為主。 張恒華等人〔４〕研究了噴丸強化對轎車用新型齒輪鋼表面應力狀態的影響，得知噴丸強化工藝可以使工件次表層峰值應力明顯增大，當工藝參數數值提高到一定程度時，工件表面殘余應力不再增加；汪新衡等人〔５-７〕研究了強力噴丸對合金滲碳齒輪表面接觸疲勞強度的影響，證明該工藝方法可提高齒輪齒面硬度，有效提高齒輪表面接觸疲勞強度；褚東寧等人〔８〕研究了重型車后橋主動齒輪噴丸強化工藝及設備，得知經強化噴丸處理后，齒輪平均壽命提高約 ４０％；孫艷等人〔９〕研究了強化噴丸對滲碳齒輪表面接觸疲勞裂紋形成與擴展的影響，得出利用該工藝方法可顯著提高齒輪齒面疲勞強度的結論。工程機械行業以大扭矩、重工況著稱，噴丸強化工藝是否適用于裝載機驅動橋螺旋錐齒輪，需要進一步試驗研究。 本文通過對 ２０ＣｒＭｎＴｉ 螺旋錐齒輪樣件成品進行噴丸強化處理，對螺旋錐齒輪齒面及齒根噴丸強化效果進行研究，通過臺架試驗得出主傳動螺旋錐齒輪承載能力提高的程度，同時為噴丸強化工藝應用于工業生產奠定基礎。

１　試驗樣件及試驗設備

試驗采用 ４ 組同批次生產的某型裝載機（功率為１６２ｋＷ、工作質量為 １６ ５００ｋｇ）驅動橋螺旋錐齒輪副（每組齒輪副含主動、被動齒輪各 １ 個），其詳細參數如表１ 所示。 螺旋錐齒輪副的材料為 ２０ＣｒＭｎＴｉ，經滲碳淬火處理后在 ＫＸＳ-２０００Ｐ 氣動噴丸機上進行噴丸強化處理，螺旋錐齒輪副滲碳工藝參數如表 ２ 所示。

表１　螺旋錐齒輪副參數

表 ２　螺旋錐齒輪副滲碳工藝參數爐區

樣件檢測所用試驗設備如下：表面硬度（硬度梯度）通過 Ｅｖｅｒｏｎｅ ＭＨ６ 硬度計檢測，試驗力為０．５Ｎ；滲層深度、滲層碳化物和滲層殘奧通過 ＡＸｉｏｖｅｒｔ ４０ ＭＡＴ金相顯微鏡檢測；齒面及齒根表層殘余壓應力借助Ｐｒｏｔｏ-ｉＸＲＤ 型 Ｘ 射線應力分析儀來檢測，測試執行ＡＳＴＭ-Ｅ９１５-２０１０ 及ＥＮ-１５３０５-２００８標準。

２　工藝參數選擇及樣件檢測方法分別選用 ４ 組螺旋錐齒輪樣件進行對比試驗：對第 １ 組樣件進行普通拋丸（采用拋丸機 Ｑ３７１０，功率為 ３５ｋＷ）處理；對第 ２、第 ３、第 ４ 組樣件進行噴丸強化工藝處理，噴丸強化工藝參數如表 ３ 所示，噴丸強度定義參照 ＪＢ／Ｔ １０１７４ 標準，樣件檢測方法如表４ 所示。

表 ３　噴丸強化工藝參數樣件

表 ４　樣件檢測方法

３　噴丸強化試驗結果及分析

按表３ 所示噴丸強化工藝參數對螺旋錐齒輪樣件進行噴丸強化處理，按表４ 所示樣件檢測方法對樣件進行檢測，得到樣件表層殘余壓應力結果、樣件滲層顯微組織分析結果，以及樣件硬度梯度結果，由數據可知，經噴丸強化處理后的螺旋錐齒輪齒面及齒根表層殘余壓應力明顯高于未噴丸強化的螺旋錐齒輪；滲層顯微組織得到改善，殘奧組織級別降低（見表 ６）；樣件表面硬度值得到提高（見表７）。 這是由于強化噴丸過程中，彈丸反復打擊材料表面，使得材料表面附近形成塑性變形層。 合理地引入表面塑性變形層可以在材料表面形成殘余壓應力場，使表面顯微組織變形，將表面殘余奧氏體轉變為馬氏體組織，降低了殘奧組織級別，且馬氏體組織的增加提高了樣件的表面硬度，最終實現樣件應力強化、組織強化和相變強化的目的。在同樣噴丸強化工藝條件下，工藝參數的選擇直接影響噴丸效果，由表５ 和表７ 所示可以看出，本文第４ 組螺旋錐齒輪樣件的表層殘余壓應力、表面硬度優于第２ 組和第 ３ 組，說明第 ４ 組噴丸強化工藝參數相對較優。

４　臺架試驗及分析

臺架試驗意在分析噴丸強化螺旋錐齒輪較普通拋丸螺旋錐齒輪壽命的提高幅度，因此，以螺旋錐齒輪損壞作為壽命終止指標，而不必考慮齒輪的實際損壞部位。根據表 ５ 測試結果，選擇零件表面殘余壓應力值高的第４ 組試件所用噴丸強化工藝參數作為臺架試驗用螺旋錐齒輪加工參數。 試驗模擬真實的重載工況（實際工況的輸出扭矩為 ７８ ８９２Ｎ· ｍ），采用加速疲勞試驗。 根據螺旋錐齒輪在重載工況下運轉的時間所占設計壽命的比例，參考疲勞損傷原理，從而最終確定出試驗輸出扭矩。
普通拋丸螺旋錐齒輪的臺架疲勞壽命平均為３６．２４ 萬次，噴丸強化螺旋錐齒輪的臺架疲勞壽命平均值為 ５８．４２ 萬次，平均壽命提高了６１％。 試驗結果顯示普通拋丸螺旋錐齒輪損壞部位均為主動齒輪，噴丸強化螺旋錐齒輪的損壞部位為主動齒輪或被動齒輪。 這是由于螺旋錐齒輪采用等強度設計，其加工精度、裝配累積誤差等因素對強度均有影響，且在選擇試件時存在隨機性，所以是主動齒輪還是被動齒輪先損壞即損壞先后順序及其失效模式具有不確定性。綜上所述可知，采用噴丸強化工藝可以使螺旋錐齒輪平均壽命提高 ６１％，因此，無需改變現有結構設計即可達到提高螺旋錐齒輪承載能力的目的。

５　結語

１）噴丸強化工藝可使裝載機驅動橋螺旋錐齒輪齒面及齒根硬度和強度大大提高，從而達到使螺旋錐齒輪應力強化、組織強化和相變強化的目的。

２）噴丸強化工藝能使螺旋錐齒輪平均壽命提高６１％，無需改變現有齒輪結構設計，即可實現提高齒輪的承載能力，從而減少設計成本，為噴丸強化工藝應用于工業生產奠定基礎。某企業生產的螺旋錐齒輪采用噴丸強化工藝后，三包期內故障率累積下降 ６５．９％，有效地改善了產品質量，提高了市場競爭力，節約了成本。