喷丸强化工艺及对齿轮的影响
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摘 要：随着航空齿轮的种类越来越多和性能要求越来越高，喷丸强化在齿轮加工中发挥着越来越重要的作用。作为一种工艺方法，喷丸强化能够使用最简单的操作，获得较好的性能要求。要满足新的要求，熟悉喷丸强化可能是比较有效的手段。
关键词：喷丸强化；性能要求；影响
1 喷丸强化工艺
1.1 目的
通过喷丸强化在零件表面形成的残余应力来降低零件工作负荷对疲劳应力和应力腐蚀的影响。
1.2 定义
喷丸强化中的定义：
（1）喷丸。“喷丸”是一种利用高速喷射的弹丸流来撞击零件表面，使零件获得较高的疲劳强度的工艺方法。（2）喷丸强度。它反映金属表层被弹丸打击的程度、产生的压缩应力大小的程度，在其它喷丸强化工艺参数不变的条件下，试片的弧高度值随喷丸时间而迅速增高，但随后逐渐变缓，当喷丸到一定时间时，弧高度值达到一个定值，此值之后，弧高度值的增加明显变缓，此值即为“饱和点”，过饱和点后，弧高度值与喷丸时间呈线性递增关系。如果在增加一倍的时间来喷丸，弧高度值增加也不会超过饱和点处弧高度值的10%，饱和点处的弧高度值称为喷丸强度。（3）表面覆盖率。喷丸表面的“表面覆盖率”是在被喷丸零件表面规定的区域内，弹痕占据的表面与要求喷丸强化的表面之间的比值。检验表面覆盖率有两种方法：目视检验；着色检验。（4）饱和时间。“饱和时间”被定义为以双倍时间进行喷丸强化，而喷丸试片的弧高度值增加量不超过10%时的时间。（5）喷嘴角。喷嘴角时喷嘴对机床台面的垂直方向形成的角度。（6）喷射角。喷射角是喷丸的方向相对于要求喷丸的零件表面形成的角度。（7）过喷区。与通过标准试片检验的强化喷丸表面相邻的不进行检验的喷丸表面。
1.3 弹丸
（1）弹丸的规格、外形及其它技术要求应符合GB6484，弹丸要尽量选择球形的，禁止使用带有尖边的、中空的或形状不规则的弹丸。（2）弹丸的选择原则。a.对表面光度及形位公差无严格要求（或非配合表面）的大型零件，可采用较大尺寸的弹丸以获得较高的喷丸强度。b.对表面光度要求较高的零件（包括配合表面），应采用较小尺寸的弹丸。c.带有内外圆角、沟槽的零件，弹丸直径应小于内外圆角半径和沟槽宽度的一半。
1.4 喷丸强化的设备，工装
（1）喷丸机。喷丸机主要有两种类型：气动式喷丸机和离心式喷丸机。（2）检验用筛。检验用筛应符合GB6003，用它来检验弹丸尺寸，将不合格的弹丸过滤出去，每次使用完后清理干净，保证筛孔不被堵塞。（3）试片。除了由特殊规定外，试片材料为70或65Mn冷扎弹簧钢。标准试片分三种类型：N型、A型、C型，其规格尺寸如表1：
弧高度测具：测量标准试片弧高度值的标准弧高度测具，其结构及尺寸应符合如图1所示。
1.5 喷丸过程要求
（1）喷丸前零件状态。需要喷丸强化的表面应清除像黄油，矿物油等污物。而且不应有阳极化膜，电镀膜，涂层等那样的表面附着层。需要喷丸强化的表面内腔应光滑过渡并且尖边应倒圆。（2）工艺参数的确定。工艺参数主要包括：弹丸直径、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷射距离、喷丸时间、风压、零件转速和移动速度、喷嘴的移动速度和移动行程等内容，确定工艺参数按下述步骤进行：a.将喷丸试片装在试片夹具上，使其处于与零件喷丸部位相同的位置。b.现估计一组参数调整喷丸机。c.对试片进行一定时间的喷丸后卸下，用弧高度测具测量试片的弧高度值，并且观察表面覆盖率。d.对一组试片，选取不同时间重复a、b、c，以便获得数个试验数据（一般取6～10片喷丸），按所获得的数据，作出如图的弧高度曲线，由曲线上的饱和点来确定喷丸强度。
e.当从曲线上得到的喷丸强度未满足要求时，则重新取一组试片，调整工艺参数后，按以上的步骤重新试验，直至得到满足要求的弧高度曲线。
（3）零件的保护。图中非喷丸的表面应进行保护，避免这些表面受到弹丸束的打击而损伤。当无法保护时，必须使这些表面留有足够的余量，以去掉受到影响的材料。
2.1 喷丸强化及其对疲劳的影响
利用以上原理，通过喷丸强化在零件表面产生一薄薄的高残余压应力层，而消除疲劳失效的（2）过程，即可抑制疲劳裂纹的扩展。零件剖面上的应力分布可用图3表示。
2.2 喷丸强化对齿轮传动的影响
喷丸强化用于传动齿轮主要是为了：（1）改善齿根圆角的疲劳
强度。（2）提高齿面疲劳寿命，减少疲劳点蚀，增加耐用性。（3）有助于齿轮或传动系统的。（4）喷丸可以消除机械加工在齿面上形成的横向连续刀痕。
2.3 提高齿轮的耐久性与抗点蚀疲劳
喷丸强化也可以改善齿表面疲劳寿命。齿轮啮合时，平行于齿面的次表面的剪切应力使齿部出现疲劳点蚀。由于两齿轮是沿着节线呈滚动啮合，在节圆上下所产生的滑差可能高达40%。这种滑动可能在啮合表面下面约0.15mm处产生细微裂纹。这些裂纹向表面扩展至该金属小楔块破裂脱落便形成点蚀疲坑。由于裂纹不能向压应力层内扩展，而喷丸强化可以得到0.18mm～0.20mm厚的压应力层，所以喷丸强化能够防止点蚀疲劳。
2.4 喷丸强化可以去除连续刀痕
齿轮加工中在齿面上出现的连续刀痕，可能会导致齿轮断齿失效。喷丸强化可以作为将齿面刀痕改善到“允许”状态的一种技术。
3 结束语
喷丸强化通常用于如下情况：（1）增加疲劳强度。（2）减少造成齿轮耐用性能降低的点蚀疲劳，提高齿轮使用寿命。（3）有助于齿轮。（4）消除了由于加工刀痕引起的齿面应力集中，由于喷丸后齿面波痕均匀，并达到“安全状态”，所以可以消除刀痕造成的应力集中。
控制技术：如果在喷丸强化过程中，应用的喷丸控制技术适当，则该工艺确是改善上述性能的一项很奏效的手段。这些控制技术如下：（1）有能够正确地确定喷丸强度的能力。（2）有能够即时消除大小和形状不合格弹丸的能力。（3）有能够保证零件喷丸表面喷丸后覆盖完全的能力。
参考文献
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[3]金属零件喷丸强化工艺规范[S].