有效提高齿轮的使用寿命
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有效提高齿轮的使用寿命
喷丸强化工艺可以有效提高齿轮的使用寿命。该工艺采用钢丸高速击打齿
轮齿根弯曲部位,从而在表面产生压应力,破坏工件内部本身存在的拉应力,
改善齿轮齿根的抗弯曲疲劳性能,提高其使用寿命。
喷丸强化的原理和效果
喷丸强化工艺即采用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。因为金属介质(钢丸或金丝丸)
在高速撞击零件表面时,会使表面产生塑性变形,这一变形将延伸到材料表层,
在表层下产生一个压应力,从而抵消零件制造时产生的不良拉应力。该残余压
应力延缓了零件疲劳断裂的形成,从而延长了零件的安全使用寿命。对于汽车
传动部件中最关键的齿轮部件,在热处理工序之后,采用喷丸强化工艺使其表
面接受连续丸粒撞击,还可将其齿面材料晶相组织中的残余奥氏体转化为马氏
体,从而增加齿面硬度。
单就齿轮而言,其最大的剪切应力出现在齿根部和齿轮过渡区的圆角半径
处,而齿轮的两个齿面------主动面和从动面,在工作时都受着不断增加的负
载,因此,齿轮强化的重点就在于这些部位的强化:主动面、从动面、齿根部
位。从强化要求来看,主要包括强度和覆盖率两大参数,当然,不同的齿轮有
不同的要求,必须根据其最终应用环境来确定。
三种喷丸强化工艺
喷丸强化工艺有以下3种方式:离心力抛丸强化、压缩空气喷丸强化、混
合式(喷嘴和抛头)。
从产量方面考虑,大批量生产中,离心力抛丸强化优于另外两种方式。离
心力抛丸强化工艺中,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,但抛丸强化的应用受限于待处理齿轮根部面积狭小,就需要多个抛
头固定在不同角度,以达到所需的强化效果。压缩空气式喷丸强化必须利用多
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。混合式喷丸强化尽管应用比较少,但它的优势在于在一台设备
上集合了抛丸强化的高产量和喷丸强化的高精确度和可控性等优势。
工艺参数对强化效果的影响
无论那种强化技术,目的都是要获得一个持续恒定、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。对于离心
力式抛丸强化,抛头、抛头转速、抛射速度、抛射角度(涉及抛头位置、定向
套移动等)等工艺变量会影响到最终强化效果。对于直接压力式喷丸强化,喷
嘴、喷嘴尺寸、喷射压力、喷射角度(涉及喷嘴移动、多个喷嘴)等变量会影
响最终强化效果。
1、在离心力抛丸强化中,抛头工艺变量对强化效果的影响:
①抛头直径决定了钢丸介质从一定角度被抛射出去时的速度。在同样的抛
头转速下,直径大的抛头产生的强化强度更高。
②抛头的功率决定了单位时间内被打出去的钢丸数量。
③抛头采用变频电视直接驱动,通过改变电视的频率可以改变抛头的转速,
从而改变钢丸抛出的初速度。
④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
的位置最终决定了钢丸被抛头抛射出去的角度。
2、直接压力式喷丸强化中工艺变量对强化效果的影响;
①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内,通过一个比例调节器监
控喷嘴压力,如果出现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。
②喷嘴尺寸的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,钢丸无误差地打
到零件表面指定点,达到所需的强度。
③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
和动态控制器的协助下操纵喷嘴的移动,让喷嘴沿零件的外缘和内部路线运动,
比如沿行星齿轮和齿圈的轮廓进行喷射,可达到均匀一致、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时,必须特别注意它们的齿根角度
是不同的,因此,对于喷丸强化各个喷嘴位置的设定十分关键,合理的设置才
能达到理想的齿轮、齿圈强化效果。
影响喷丸强化结果的其他工艺参数还包括:钢丸的流量、钢丸的尺寸、尺
寸的一致性等。
丸料的流量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
被安装在抛头进料区,通过调节流量控制阀的开口大小来调节经过该阀进入抛
头的钢丸流量,而在喷丸强化设备中,丸料控制阀安装在压力罐出口区。
钢丸的尺寸需具备较高的一致性。强化设备中采用一个振动筛对丸料进行
过滤,确保钢丸尺寸一致,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:钢丸
直径小,工件表面产生的残余应力较高,但强化层较浅;钢丸直径大,工件表
面产生的残余应力较低,但强化层较深;当然,钢丸的直径必须小于齿轮过渡
区的圆角半径。
喷丸强化工艺发展迅速,应用范围将越来越广。现在,通过采用精密的自
动化控制系统对工艺参数实施同步监控,喷丸强化系统的柔性程度已经得到了
极大的增强,从而可以获得更加理想的零件强化效果。