拋丸強化是目前汽車行業(yè)改善齒輪疲勞壽命的常用手段之一,其原理是利用高速彈丸對齒輪表面進行沖擊,使輪齒表層在一定深度內(nèi)生成殘余壓應(yīng)力,用來抵消部分外加負荷導(dǎo)致的拉應(yīng)力,從而抑制或延遲裂紋的萌生和擴展。因此,它可以顯著提高輪齒的抗彎曲疲勞壽命,改善接觸疲勞特性。拋丸強化效果表達式為:
B=F(P,M,R,V,Q,H,T,α)
式中:B——拋丸效果;
P——拋打工件表面性能;
M——彈丸材料;
R——彈丸尺寸;
V——拋丸速度;
Q——單位時間內(nèi)拋丸量;
H——彈丸與工件表面距離;
T——拋丸時間;
α——拋丸角度。
在輪齒材料及熱處理指標選定的前提下,彈丸工藝選擇是得到合理殘余壓應(yīng)力層的關(guān)鍵因素之一。本文就如何選擇彈丸工藝參數(shù)從而得到合理強化效果展開論述。
1.試驗條件和方法
(1)齒輪材料和拋丸前狀態(tài)
齒輪材料為低碳合金鋼,鍛后等溫正火,經(jīng)滲碳淬回火處理后表面硬度≥650HV1。
(2)試驗用設(shè)備及檢測方法
2.彈丸的選擇
(1)彈丸硬度確定
強化零件用彈丸硬度一般等于或略高于零件本身硬度,硬度不能太高,否則容易導(dǎo)致本體損傷。本文齒輪齒面和齒根硬度檢測如圖1所示。從圖中可知,齒輪表層硬度在700HV1以上,根據(jù)市場能夠提供的彈丸,我們選定彈丸名義硬度在(700±30)HV1。
圖1 輪齒硬度梯度
(2)丸料直徑選擇
齒根過渡圓弧處是應(yīng)力集中點,裂紋萌生往往從此處開始,因此作為拋丸強化效果檢驗位置(見圖2)。本文齒輪齒根過渡圓弧半徑為0.85mm,為達到強化效果,必須有足夠的彈丸拋射到該位置,因此選擇丸料名義直徑為0.6mm、0.8mm兩種規(guī)格的鋼丸進行驗證。
圖 2
3.結(jié)果與分析
圖3、圖4分別為φ0.6mm和φ0.8mm彈丸在相同工藝條件下得到的齒根殘余應(yīng)力分布結(jié)果;圖5為兩種彈丸作用下5次檢測結(jié)果的平均值比較。從圖中可以得知,兩種彈丸作用下相同深度殘余壓應(yīng)力值差別略有區(qū)別,且zui大壓應(yīng)力值所處深度有所不同,φ0.6mm彈丸的zui大壓應(yīng)力值在距表面約40μm處;而φ0.8mm彈丸的zui大壓應(yīng)力值在距表面約50μm處。附表是兩種鋼丸的單個重量,可以看到,W0.8mm≈2W0.6mm;P=MV,在速度一定的情況下,質(zhì)量是決定動量大小的因素,因此φ0.8mm彈丸所能產(chǎn)生的變形會更大些,深度更深。
從圖5還可以看到,兩種彈丸得到的應(yīng)力趨勢基本一致,但表層φ0.8mm彈丸所得殘余壓應(yīng)力更低,意味著所能抵御外力的能力更弱,更容易被突破產(chǎn)生裂紋。
圖4 Φ0.6mm彈丸殘余應(yīng)力結(jié)果
兩種鋼丸的單個重量
規(guī)格
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100粒重量/mg
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單粒重量/mg
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φ0.6mm
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113.17
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0.113
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φ0.8mm
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288.6
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0.287
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(2)相同工藝條件下彈丸直徑對齒面粗糙度的影響
圖6是兩種彈丸作用力得到的齒面粗糙度結(jié)果,拋丸前的齒面粗糙度基本一致;拋丸后,φ0.6mm彈丸得到的結(jié)果要明顯優(yōu)于φ0.8mm彈丸。齒面粗糙度影響變速器噪聲,粗糙度越小越好。
圖6 兩種彈丸作用力得到的齒面粗糙度結(jié)果
4.結(jié)語
拋丸后的
殘余應(yīng)力主要來源于表層不均勻的塑性變形,在零件參數(shù)允許的范圍內(nèi),尺寸越大,彈丸消耗相應(yīng)會更少,成本更低,但需要綜合考慮彈丸對零件
殘余應(yīng)力和齒面粗糙度的影響,需根據(jù)試驗結(jié)果選擇合適的彈丸。
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