齿轮强化：强度

szapmc · 发表于 2012-3-9 15:18:44

汽车设计工程师们已经充分了解利用强化工艺能大幅度延长传动零件的安全使用寿命。通常，强化被视作一道热处理后的工序，对于一些关键部件，如环形齿轮，行星齿轮，强化是生产工艺中最后一个重要步骤。
强化的原理，就是金属表面受到高速金属颗粒束的连续捶击，即在其表面导入一个压应力。基于这个机制，好像看来找一台可以进行强化的机器并不困难。然后，事实证明过早的传动失效和产品退货，让不少齿轮厂商不得不重新审视这道看似简单的加工工艺。
喷丸强化的机理和效果
金属介质（钢珠或切丝丸）的连续撞击，造成零件表面的塑性形变。该效果延伸到形成压应力的表面层之下的区域，抵消那里原有的拉应力。残余压应力延缓疲劳裂纹的形成，从而提高零件的抗疲劳强度，延长疲劳寿命。
热处理后，齿轮表面受到的连续强化介质的捶击，将残余奥氏体转化成马氏体。这能增加材料硬度。
就齿轮而言，最大的剪切应力出现在齿根部和过渡区圆角部位。齿轮驱动面和齿面边缘承受不断增加的载荷。因此，齿轮强化重点部位是
- 驱动面
- 齿面边缘
- 齿根部位
每种齿轮，要求的强化强度和覆盖率不尽相同，要根据其实际应用而定。覆盖率是个目测的过程，而强化强度则需要通过一种特制的弹簧钢试片（称为阿尔门试片）进行测定。
强度测试
零件校正工具（PVT），设计用于将试片固定于一些特定位置。试片在这些位置时，可以模拟零件需要进行强度测定的区域。
根据不同应用，强度范围可在0.015-0.030 （”A” Scale），覆盖率可在100%至200%。
可通过几种不同方式达到以上齿轮强化效果，每种方式各有优点，
- 离心力抛头式抛丸强化
- 压缩空气喷嘴式喷丸强化
- 混合式（抛丸+喷丸）
介质抛射类型
如果以产量列为主要考量因素，离心力抛头抛射方式是最理想的。抛头抛射器产生的介质流可以单位时间内覆盖较大的面积。然后，该工艺受限于齿轮尺寸。对于较小型的齿轮，其齿根部位狭窄，那就需要用多个抛头，固定在不同的角度，才能达到要求的覆盖率。
另一种方式，即利用多个压力式喷嘴，对特定的齿根区域直接且更精确的喷射，以达到所需的覆盖率。
这两种强化方式都普遍应用于齿轮生产中，相对而言，喷丸强化应用更为广泛些，因为它在技术和精确度方面较为优势。
第三种喷丸和抛丸混合式强化系统，尽管其应用较不普遍，但它的优势在于同一台机器，既能利用抛头抛射，以保证较高的产能，又可利用一个压力喷嘴，对特定区域进行集中性地、更为精准地喷丸强化。
工艺参数
无论使用哪种强化技术，它们的最终目的都是为了以一种持续、恒定、高重复性方式达到所需的强度。因此，很重要的一点是必须充分了解哪些关键参数会影响最后的强化效果。这些参数包括
离心式抛头强化：
- 抛头
- 抛头功率
- 叶片速度
- 抛射角度
- 抛头位置
- 定向套移动
以上这些参数都会影响最终的强化效果：
- 抛头直径决定了介质丸粒被切向抛出的速度。一个17.5” 直径的抛头比一个14”直径抛头在同一抛头转速下，能产生更大的切向射速，因而达到更高的强化强度
- 抛头马力决定了被抛射出去的介质数量
- 抛头尺寸和抛头转速决定了可达到的介质射速和因而取得的强度。维尔贝莱特（集团）的抛丸强化设备装有变频器，能控制和改变抛头转速和介质射速
- 抛头通常永久且牢固地固定在抛丸室内的特定位置上。如需要改变抛射方式，可通过调节定向套的设定。定向套的位置决定了介质被抛头射出时确凿的方向和角度。
压力喷嘴式喷丸强化：
- 喷嘴
- 喷嘴尺寸
- 喷射压力
- 喷嘴角度
- 喷嘴移动
- 多个喷嘴
以上这些参数都会影响最终的强化效果：
- 在较为复杂严密的齿轮强化喷丸系统中，喷嘴的压力是由一个闭路式反馈调控器控制。发生任何偏离预设的压力值时，系统会触发警报，自动关闭机器。
- 喷嘴尺寸决定了被喷射到零件表面的丸料数量，介质射出后产生的能量都直接用于取得所需的强度。
- 将喷嘴置于多轴机械手上，实现喷嘴的可控性地摆动及转动，以满足零件任何形状，不同部位的喷射需要。根据待强化齿轮的轮廓，预设喷嘴的移动走线和距离，达到高度精确和高可重复性的工艺要求。

注意：
如要同时喷丸强化一组行星齿轮和环形齿轮，必须注意到这两种齿轮齿根角度是不同的。因此，需要依靠不同的、独立的喷嘴设定以达到两种齿轮各自所需的强化效果。维尔贝莱特（集团）的强化设备为两种齿轮提供特定的喷嘴底座。其他工艺参数如
- 丸流流速
- 介质颗粒大小
- 颗粒尺寸是否均匀、一致
- 流量控制阀（磁阀）能控制介质丸流流速，在抛丸强化设备中，该磁阀安装于抛头喂料一侧；在喷丸强化设备中，该磁阀安装于压力罐出口。
- 振动筛筛分出尺寸过大，合适或尺寸过小的丸粒。使用两个振动筛能确保每次强化过程中恒定、均匀尺寸的介质。
- 钢丸（或切丝）大小是决定强化覆盖率和生产周期时间的关键因素。较小的丸粒能在零件表层产生较高的应力；较大的丸粒能影响工件较深的区域，在那里达到所需应力水平，钢丸的直径必须小于齿轮最小过渡区圆角直径的一半
总结：
在过去几年里，齿轮强化技术和设备发展迅速，原来应用于飞机起落架强化的最复杂、精密的强化工艺已复制到对于齿轮的强化加工。其共同点，都在于对强化结果的一致恒定性，工艺的高可控性和高重复性有越来越严苛的要求。
机械工艺和精密的流程监控相结合，为强化生产提供极大的灵活度和柔性，以取得满意的零件强化效果。
当今的汽车工程师们已越来越倾向利用抛丸-喷丸结合式的系统，来同时满足工艺和产量的需要。

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