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摘要 分析了 汽車變速箱齒輪經噴丸處理后對疲勞強度的影響, 通過噴丸強度試驗 ,表面覆蓋率試驗確定了合理的噴丸處理工藝 ;通過疲勞試驗 ,得出了噴丸處理對彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的影響程度 。結果表明 :噴丸處理能極大地提高齒輪的疲勞強度, 從而提高齒輪的使用壽命 。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
關鍵詞 齒輪 噴丸處理 疲勞強度 壽命 提高

1 引言
汽車變速箱齒輪在使用中因經常換檔 , 齒端常受到沖擊;齒面承受滾動、滑動造成的強烈摩擦磨損和交變的接觸應力;有時潤滑油中夾雜些硬質顆粒 ,在齒面間造成磨損。因此, 齒輪的工作條件較惡劣, 在實際使用過程中 ,變速箱齒輪常見的主要失效形式有 :齒面磨損、齒面疲勞剝落和齒根疲勞斷裂等。相應地對齒輪的主要性能指標 ,如耐磨性、疲勞強度、心部韌性等要求較高 。因此, 如何提高齒輪的疲勞強度對提高齒輪的使用壽命意義重大 。而噴丸處理就可以有效地提高齒輪的疲勞強度 。
汽車變速箱齒輪材料為 20CrMnTi , 經氣體滲碳后滲層深度為 0 .8mm ～ 1 .0mm , 齒面硬度為 58HRC ～64HRC ,心部硬度為 32HRC～ 45HRC 。
2 試驗原理和方法
汽車變速箱齒輪所用材料為 20CrMnTi , 在 SY —805 —4 連續式多用爐生產線中滲碳處理 ,碳勢1 .05 %,溫度 920 ℃, 淬火油溫 110 ℃, 回火溫度 170 ℃, 時間120min ,然后在葉輪式噴丸機上進行噴丸處理。彈丸直徑 0 .6mm ～ 1 .0mm, 葉輪轉速為 2500r/min , 彈丸離開葉輪的切向速度為 60m/s , 轉臺每轉*圈將齒輪翻 90°,*般噴丸噴 5 圈,加強噴丸噴 10 圈。
噴丸處理采用鋼絲切割彈丸, 其化學成分是碳的質量分數為 0 .7 %的彈簧鋼絲 。噴丸強化工藝參數,可通過噴丸強度試驗和表面覆蓋率試驗來確定 ,只要將試片與齒輪放在葉輪式噴丸機里*起進行噴丸處理。
(1)噴丸強度試驗 將*薄 0 .7 %C 的彈簧鋼試片緊固定在夾具上進行單面噴丸 。由于噴丸面在彈丸沖擊下產生塑性伸長變形 , 噴丸后的試片產生凸向噴丸面的球面彎曲變形, 如圖 1 所示 ,試片凸起大小可用弧高度 f 表示。弧高度 f 與試片厚度 h 、殘余壓力應力深度 d 以及強化層內殘余應力平均值σ之間有如下關系

式中, E 為試片的彈性模量 ;γ為泊松比;a 為測量弧高度的基準直徑 。

圖 1 單面噴丸后, 試片的變形及弧高度的測量位置

當弧高度 f 達到飽和值, 試片表面達到全覆蓋率時,以弧高度 f 定義為噴丸強度 。見圖 2 。

圖 2 試片的弧高度 f 與噴丸時間τ的關系

(2)表面覆蓋率試驗 噴丸強化后表面彈丸坑占有面積與總面積的比值稱為表面覆蓋率 。*般來說,噴丸強化后零件要求表面覆蓋率達到表面積的 100 %即全面覆蓋時, 才能有效地改善疲勞強度和抗應力腐蝕性能 。但是, 在實際生產中應盡量縮短不必要有過長的噴丸時間。
(3)噴丸強化工藝參數的選定 金屬材料的疲勞強度和抗應力腐蝕性能并不隨著噴丸強度 f 的提高而直線提高, 而是存在*個較佳噴丸強度 f ,它由試驗來確定 。見表 1 所示。

表 1 噴丸處理參數

狀態	彈丸直徑/ mm	時間/ 圈	覆蓋率(%)	彈丸速度/ms -1	彈丸硬度/ HRC
a	1.0	5	150	55	45～ 50
b	0.8	10	300	55	45～ 50
c	0.8	5	150	45	45～ 50
d	1.0	10	300	45	45～ 50

經噴丸處理后的齒輪 ,疲勞試驗在封閉式變速箱試驗臺上進行, 中間軸掛*檔作運轉試驗,以中間軸*檔齒輪損壞為壽命的標準。第*軸轉速為 1450r/min ,第*軸轉矩 :作彎曲疲勞試驗時為 441N·m , 作接觸疲勞試驗時的轉矩為 362 .6N·m 。
3 試驗結果
經檢測齒輪滲碳淬火后表面碳濃度為 0 .93 %～0 .98 %, 齒面硬度為 59 .5HRC ～ 62HRC , 心部硬度為40HRC ～ 43HRC, 有 效 硬 化 層 深 度 為 0 .87mm ～1 .15mm。噴 丸 處 理 后的 齒 面 硬 度為 62 .5HRC ～63 .5HRC , 殘余壓應力為 880Mpa , 齒面疲勞應力為1200MPa～ 1280MPa 。
經滲碳淬火回火噴丸處理后, 汽車變速箱齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度試驗結果如表 2 所示 。

表 2 噴丸處理對汽車變速箱齒輪彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的影響

用不同直徑的鋼絲切割彈丸噴射經過氣體滲碳淬火及回火后的 20CrMnTi 汽車齒輪, 殘余應力分布見表3 所示。

表 3 彈丸直徑對 20CrM nTi 滲碳鋼齒輪噴丸表面的殘余應力的影響(MPa)

彈丸直徑/ mm	表面化	剝層 0.05mm	剝層 0.10mm
0.6～ 0.8	570	940	360
0.8～ 1.0	420	850	650

4 分析和討論
噴丸處理能改善零件表層的應力分布。噴丸后的殘余應力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬的相變,其中以不均勻的塑性變形為主要。金屬的塑性變形來源于晶面滑移、孿生、晶界滑動、擴散性蠕變等晶體運動 ,其中晶面間滑移較重要。晶面間滑移是通過晶體內位錯運動來實現的 。金屬表面噴丸后表面產生大量的凹坑形式的塑性變形, 表層位錯密度大大增加,而且還出現亞晶界和晶粒細化現象 。噴丸處理后的齒輪如果受到交變載荷或溫度變化的影響 , 表層的組織結構將產生變化 ,由噴丸引起的不穩定結構向穩定結構態轉變 。20CrMnTi 汽車變速箱齒輪滲碳淬火后經噴丸處理,齒輪表層的殘余奧氏體有很大*部分將轉變成馬氏體 ,因相變時體積膨脹而產生壓應力, 從而使得表層殘余應力場向著更大的壓應力方向變化 ,因而提高了齒輪的疲勞強度 。
齒輪噴丸處理后, 表層的塑性變形量和由此導致的殘余應力與受噴材料的強度 、硬度有關 。汽車變速箱齒輪由于滲碳淬火后硬度、強度較高 ,表層較大殘余壓應力相應就大 ,所以齒輪經噴丸處理后殘余壓應力達 880Mpa。
從表 2 中的數據可得出, 噴丸處理能有效地提高齒輪的彎曲疲勞強度 ,特別是加強噴丸 ,與未噴丸相比較,彎曲疲勞壽命提高了 2 倍多 ;噴丸處理也提高了接觸疲勞強度,但噴丸處理對接觸疲勞強度的影響相對較小 ,特別是在*般噴丸處理時,甚至反而縮短了齒輪的使用壽命 ,所以 , 噴丸處理時, 噴丸處理時間不能太短,噴丸處理的工藝選擇非常重要 。不能太長 ,否則會增大齒輪表面的粗糙度, 影響表面質量, 降低使用壽命。
從表 3 可知 ,在相同的噴丸條件下,大直徑的彈丸噴丸后的壓應力較小 ,壓應力層較深;小直徑彈丸噴丸處理后表面壓應力較高, 壓應力層較淺 ,且壓應力隨著深度下降較快。
5 結論
(1)齒輪滲碳淬火回火處理后 , 再經噴丸處理, 比未噴丸處理的齒輪齒根彎曲疲勞強度大大提高 ,彎曲疲勞壽命提高了 2 倍多;加強噴丸后 ,接觸疲勞強度也提高了,加強噴丸處理后的齒輪的接觸疲勞壽命比未噴丸處理的齒輪接觸疲勞壽命提高了 35 %左右。(2)噴丸處理的齒輪齒形與未噴丸處理的齒輪相比, 在磨損嚴重時 , 由于齒面硬度提高了 1HRC ～1 .5HRC ,磨損量要小 ,而且磨損均勻, 說明耐磨性方面噴丸處理的齒輪要比未噴丸處理的齒輪好 , 從顯微組織來看,噴丸處理后的馬氏體針明顯較未噴丸處理的齒輪要細小致密 ,這也進*步說明了噴丸處理起到了細化 M 亞結構的作用 。
(3)噴丸處理使齒輪滲碳表面產生加工硬化,減輕了非馬氏體組織的不良影響 ,顯著提高齒輪表面的殘余應力,從而提高齒輪的疲勞強度 。但噴丸強化時并不是噴丸強度 f 越高越好 ,在生產中要注意避免防止過度噴丸 ,否則會產生齒輪表面缺陷;也要注意噴丸處理時間不能太短 ,否則對接觸疲勞強度會產生影響 ,甚至會產生接觸疲勞壽命不如不噴丸的情況。所以選擇合適的噴丸處理工藝參數很重要。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
參 考 文 獻
1 錢苗根, 姚壽山, 張少宗.現代表面技術.北京:機械工業出版社, 1999
2 許強齡.現代表面處理新技術.上海:上海科技文獻出版社, 1994