大型礦車使用齒輪的噴丸強化工藝研究

1 齒輪噴丸強化的基本概念及原理

?1.1 齒輪噴丸強化的基本概念

噴丸強化 工藝是利用高 速噴射 的彈丸流連續 不斷地撞擊齒面的過程 ，如 同無數小錘對齒 面進行 錘擊 ，使齒 面產 生非均勻性 的塑性變形 ，使 齒面產 生一定厚度的冷作硬化層 ，這一硬化層即齒 面的強 化層 ，由此導致工件表層 (含次表層 )材料的顯微組 織發生有利 的變化 ，并引入殘余 壓應力場 ，達到提 高齒輪疲勞強 度和提高使用壽命 的一 項表面冷處理強化技術。 噴丸強化也稱之為強化噴丸或受控噴丸 。

1.2 齒輪噴丸強化的重點部位

因傳遞扭 矩而使齒 根部位受 到很 大 的交變 彎曲應力 ，特別是 齒根處要有 足夠的強度 。因此 ，齒 輪噴丸強化的重點部位 :

1 ) 在 滲 碳 淬 火 后 需 磨 齒 的 齒 輪 ，不 論 采 用 哪 一 種磨齒工藝 ，齒輪噴丸強化的重點是對齒根部 位的 強 化 ;

2)經表面淬火或輝光離子氮化后不需磨齒的 齒輪，齒輪噴丸強化的重點仍是對齒根部位 的 強化。

1.3 齒輪噴丸強化的原理

齒輪噴丸強化是一種受控 的噴丸技術 ，是將高 速 的彈丸流連續不斷撞擊齒 面、齒根部位 ，使齒 輪 在彈丸流的撞擊作用下發生塑性變形(塑性變形層 的厚度通常處于 0.1~0.5mm之間)。這一影響延 伸到齒輪材料的表層 ，在表層下產 生較高 的殘余壓 應力 、加工硬化 和形變 組織細化等有 利的變化 ，抵 消不 良的拉應力 ，該殘余壓應力延緩了疲勞斷裂 的 形成 ，有效地提 高了齒輪的抗 彎曲疲 勞強度 ，延長 了齒 輪 的使 用 壽命 。

材料表面層 內的形變具 有塑性循環變形 的特 性。循環應變的結果使材料的表面形成“循環硬 化”層或 “循環 軟化”層 ，統稱循 環應變層 ，簡 稱應 變層 。

應 變 層 內 發 生 兩 種 變 化 :組 織 結 構 (位 錯 密 度 及形態 、亞晶粒尺寸、相轉變等)的變化和殘余應力 的變化 。合理地控制應變層 內的這些變化 ，可 以改 善零件的表面完整性 ，從 而可 以提高零件在 室溫下 和某些零件在 高溫條件下 的疲勞斷裂抗 力和應力腐蝕開裂抗力。

2.齒輪噴丸強化的工藝參數

影響噴丸強化效果的工藝參數 : 彈丸種類、彈丸直徑、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度 、噴射距離 、噴射 時間、噴丸強度等 。其 中任 何一個參 數 的變化都會不 同程度地影 響噴丸強度 和覆蓋率 ，從而影響噴丸強化 的效果 。測評 噴丸強 化質量有兩個基本參數 :即噴丸強度 和覆蓋率。覆 蓋率是通過 目測 ，而 噴丸強度需利用阿爾門試 片進?行測量 。

2.1 噴 丸 強 度 的 測 量 和 ALM EN 試 片 及 圖 紙 上 標 注方法

2.1.1 噴丸強度的基本概念和測量方法

1 ) 阿 爾 門 (A L M E N ) 弧 高 值 測 定 法 。 目 前 國 內 外 應 用 最 廣 的 方 法 是 采 用 美 國 SAE442A 和 SA E 443 標 準 中 規 定 的 阿 爾 門 (A LM E N )弧 高 值 測 定法 ，即使用 一定規格 的彈 簧鋼試片 ，通過 檢測噴 丸強化后 的形狀變化來反映噴丸效果 ，具體測量方?法 見 圖 1所 示 ;

2)殘余壓應力檢測法。采用美國 SAEJ784A 標準中規定的檢測方法，經噴丸強化后的齒輪進 行 殘 余 應 力 的 檢 測 ，常 用 的 檢 測 方 法 為 X 射 線 衍 射法。

2.1.2 ALMEN試片

1)材 料 :70號 (或 65M n)冷 軋 彈 簧 鋼 帶 ; 2)采用弧高度試片測定受噴齒輪的強度，其試片規格與技術要求詳見表 1。

試片的應用范圍見表2所示

在 弧 高 為 0.10~ 0.60 ITlrn 的 噴 丸 強 度 范 圍 內 ，使用 試 片 A ;強 度 低 時 使 用 試 片 N ;強 度 高 時 使 用 試 片 C 。

2.1.3 齒輪噴丸強化在圖紙上的標注方法

包括測量儀讀數和使用 的試片類 型，例如: 0.45 A

0.45 表 示 測 量 儀 讀 數 :0.45 m m

試 片 型 號 為 :A 型 2.2 覆蓋率

受噴零件表面上 彈痕 占據面積 與受噴表 面總 面積之 比為表面覆蓋 率簡稱覆蓋率 。以百分數 表 示，完全覆蓋是覆蓋率大于或等于100 。由于覆 蓋率是根據彈坑所 占面積數據計算而得 ，當覆蓋率 很高時 ，彈坑不易分辨 ，準確測量面積甚為困難 ，而 98 的測量試驗較易進行 ，因此以 98 的數字定義 為i00 的覆蓋率，而2倍于1009/6覆蓋率時間所達到的覆蓋率定義為200 的覆蓋率，以此類推。 2.2.1 覆蓋率常用的檢驗方法

1)目視檢驗法。用 10~40倍放大鏡 目測檢查覆 蓋 率 ; 2)熒 光 追 蹤 器 檢 驗 法 。 對 于 目 標 覆 蓋 率 的 檢 驗 非常有效，同時可確保其再現性。用熒光追蹤器在掃 描表面時的顏色來 判斷 ，如果 在 紫外光 下沒有 任何 顏 色 顯 示 ，則 表 明 工 件 表 面 已 達 到 100 覆 蓋 率 。

檢查覆蓋率時，應 以檢查工件為準，而不是 ALMEN試片，應該檢查實際工件所有要求噴丸的區域是否全部被覆蓋。

2.2.2 覆蓋率與噴丸強度的關系

在其它參數 固定 的條件下 ，覆蓋率取決 于噴丸 時間。因此 ，覆蓋率和噴丸強度之間存在有 內在聯 系 ，覆蓋率和噴丸強度共 同影響噴丸作用效果 。

實驗證實，噴丸達到3O 的覆蓋率時，疲勞強 度就有明顯變化 ，隨覆蓋率增 大，疲 勞強度增加 ，當 覆蓋率超過80 之后，疲勞強度增加變緩。

2.3 彈丸的質量和種類及彈丸硬度的選擇

2.3.1 彈丸的質量

彈丸質量和彈丸速度 ，決定 了噴丸強化效果的穩定性。對一定噴丸設備 和工件而言，彈丸質量對 噴 丸 強 化 效 果 影 響 很 大 ，一 般 規 律 是 :1)彈 丸 直 徑 小 ，工 件 表 面 殘 余 應 力 較 高 ，但 強 化 層 較 淺 ; 2 ) 彈 丸 直徑大，工件表面殘余應力較低，但強化層較深; 3)彈 丸 直 徑 增 加 ，噴 丸 強 度 也 增 加 ;4)彈 丸 速 度 增 加 ，噴丸強度 、表面壓力和強化層深三者均增加。

2.3.2 彈丸的種類

在齒輪的噴丸強化中，常用的彈丸有 以下幾 種 :鑄鐵彈丸、鑄鋼 彈丸、不銹鋼 彈丸、鋼絲切 割彈 丸、玻璃彈丸 、陶瓷 彈丸 ，其 中最有發展前途 的彈丸 為鋼絲切割丸。

2.3.3 彈丸硬度的選擇

選擇彈丸時 ，應使彈丸 的硬度大于或等于齒輪 噴丸表面的硬度，TEREX礦用汽車傳動齒輪原版 圖紙中，齒面的硬度要求在 58~62HRC，因此最好 選用硬度為 55~65HRC的彈丸，同時要求彈丸硬 度的一致性要好 ，以便噴丸強化后得到滿意的壓應力效果和表面強化層深度 。

3 齒輪噴丸強化的注意事項

?(1)對齒輪的無損檢測 (磁粉探傷和著色探傷)應在齒輪噴丸強化前進行 ，因為噴丸強化時表面的 塑性流變會將細微裂紋掩蓋起來 。

(2)較高的溫度 (232°C以上)會使 殘余 壓應力 釋放 ，削弱噴丸效果 。據有關資料表 明:西安交 大 何家文教授對這種壓應力進行 了專 門研究 ，該壓力 隨溫度 的上升而逐漸衰減 ，一般在 400°C左右就衰 減完畢。因此 ，所有的熱處理工藝必須在噴丸之前 完成 。

(3)一般來說 ，所有 的機 械加工也應在 噴丸強 化前完成 。齒輪噴丸強化前應 檢查所有 的加 工項 目，是否符合 圖紙的要求 ，包括尺寸 、形位公差 、表面 粗 糙 度 等 要 求 (含 內 、外 圓 角 及 拋 光 要 求 等 )。 (4)齒輪噴丸強化前應清除零件表面 的灰塵、 油污、腐蝕物等 ，除另有規定者外 ，也應去除零件 的防護層 。

(5)如果在齒根部位存 在明顯 的加工 刀痕 ，就應施 以足夠 的噴丸強度 以產生足夠 的壓 應力深度 來抵消刀痕 的不利作用 。噴丸時所用 的彈丸丸粒 直徑，應小于齒根過渡圓角 曲率半徑的一半 。

（6）目前國外對齒輪的殘余應力要求為-?800MPa —— -1200MPa，單純靠滲碳淬火很難達 到 ，通過二次噴丸強化 (也有稱之為復合噴丸)就可 以滿足這一要求。噴丸強化所形成的殘余壓應力 值 ，通過 X射線衍射應力測定儀進行測定 。

(7)在 圖紙 中規定 禁止噴丸 的部位 ，應加 以保 護 ，采 取 遮 蓋 措 施 。

(8)在噴丸過程中，彈丸尺寸和形狀必須嚴格 控制 ，盡量減少破裂的碎粒 。因為這些帶尖棱角狀 的碎粒會損傷齒輪 的表面;應該定期對 彈丸進行檢 查 ，以控制彈丸 的尺 寸和形狀在規定 的范 圍內;彈 丸質量應符合以下兩點的要求:1)彈丸必須具備一 定的沖擊韌性，其幾何形狀應接近于球形，切忌帶尖棱角狀 ;2)在噴丸和 內循 環使用的彈丸總量 中， 符合名義尺寸的彈丸，按重量計算不得少于 80 。

(9)測 量 時 所 用 的 標 準 弧 高 度 ALM EN 試 片 應符 合 表 1的 規 定 。
弧高度測量裝 置包括 固定試 片夾具及 弧高度的測量應符合噴丸強化測量及試片弧高圖中的 規定。

4 齒輪噴丸強化的質量控制

(1)根據齒輪 的工作 狀態及對性 能的要求 ，噴丸強度值根據產品圖樣 的技術要求而定，一般為 0.35 A 以 上 。

(2)表面覆蓋率應符 合圖紙 的技術 要求 ，一般 應 不 低 于 200 ，美 國 TEREX 礦 用 汽 車 重 載 齒 輪 齒 面 覆 蓋 率 要 求 為 30 09/6。

(3)對不同的齒輪應選用合適的噴丸強度，對于 極薄的或小斷面的零件 ，不得選用較高的噴丸強度 ，以防在零件的中心部位產生殘余應力而引起變形 。

(4)對 齒面覆蓋率不夠 的齒 輪 (簡稱 為欠 噴)，可以補噴至要求 ;齒面過渡 噴丸強化 的齒輪 (簡稱 為過噴)應加 以避免 ，過噴容易在齒 面產生微 細裂紋而產生疲勞源 ，成為齒 輪抗疲勞長 壽命 的隱患。 因此 ，對過噴應引起足夠的重視 。

(5)噴丸強化后的齒輪除用噴丸方法外，不得 采用其他任何機械方法校形 。

(6)強 化 噴 丸 后 ，如 需 對 齒 輪 進 行 加 熱 ，加 熱 溫 度 應 控 制 在 200 °C 范 圍 以 內 。

(7)已噴丸強化的齒輪表面如需進行磨削或拋 光時，去除的表面深度不超過噴丸強度試片 A弧高 值 的 1O 。

(8)不應在齒輪噴丸強化后的部位做硬度試驗。

(9)齒 輪 噴 丸 強 化 后 應 防 止 腐 蝕 ，直 到 下 一 工序 。

5 齒輪噴丸強化后在磨齒中的注意事項

?5.1 磨齒工藝的簡介

1)先噴丸強化再磨齒 的工藝 (在國內應用這一 工藝的廠家比較多見);2)先磨齒再噴丸強化 的工 藝(這一工藝國外 比較多見，在國內應用的廠家 較少)。

5.2 兩種工藝在磨齒中均不允許磨削齒根部位

不允許磨削齒根部位具有以下好處 : 1)避免熱處理后齒根硬度 的降低 ，保持滲碳淬火及噴丸強化后 在齒根形成 負的壓應力層 。一旦 齒根部位被磨削，不但在齒根部位會喪失有利 的殘 余壓應力 ，還會在齒 根部位產生有 害的拉應力 ，將 會對齒輪的疲勞強度和使用壽命帶來嚴重的威脅 ; 2)齒根溝槽槽底狹 小，散熱 能力 差，以及 過度 曲線處余量大小變化大 ，砂輪工作條 件差 ，在磨齒中容易產生磨削燒傷和磨削裂紋 ; 3)齒根槽底磨削條件差 ，砂輪外 圓磨粒容易脫落和磨損 ，從而影響磨齒質量 ; 4)從抗斷齒能力來看 ，齒根處要有一定量的根切 ，齒根沒有一定 的根 切量 ，磨齒 時不可避免地在 齒根產生凸臺，這將造 成嚴重 的應力集 中 ，對抗 斷 齒能力影響很大，發生凸臺是絕對不允許的。

總之 ，齒輪噴丸強化后不磨齒根可 以顯著地提 高齒輪的疲 勞強度和承 載能力，避免磨 齒損傷 ，提 高磨齒質量 ，降低磨齒負荷 ，提高生產率 。

5.3 兩種 工藝在磨 齒 中只允許 磨 削漸開 線齒 形?部分

現代重載硬齒 面齒輪在磨齒 中的磨削部位 只 磨漸開線起始圓以上 ，漸開線 終止圓以下的漸開線 齒形部分。

5.4 為實現不磨齒根必須采用磨前滾刀進行齒形 的 預加工

對 磨 前 滾 刀 簡 介 :
用普通的齒輪滾刀已經無法滿足以上的工藝要求，因此在滾齒中，必須使用有觸角的磨前滾 刀。磨前滾刀與普通滾刀 的不 同之處在于磨前 滾刀 的刀齒 的頂部采用 帶觸角 的刀頭 ，見 圖 2(a)?所 示 。

在齒輪齒根處有一定量的根切 ，目的是使被加 工齒輪的齒根部位預先成型 ，同時將齒 面大部分余 量切除 ，在齒形齒厚 處均勻 留出磨 齒時 的余量 ，見 圖 2(b)所 示 。 以 便 滲 碳 淬 火 及 噴 丸 強 化 后 ，在 磨 齒 中實 現不 磨齒 根 的要 求 。

6 部分齒輪生產廠家在齒輪噴丸強化上存在的誤 區?

(1)部分齒輪生產廠家的有關人員錯誤認為:長期 以來 出廠 的齒輪也沒有做噴丸強化不是也賣 出去了嗎?”;“生產 的齒輪 只要 能用就行 了”，認為 齒輪強化 噴丸是 多此一舉 。需 方提供 的圖紙上注 明要求噴丸強化 ，也 因此取 消了。需方 的有關人員 不專業 ，圖紙上雖有 噴丸強化 的要 求 ，但在 入廠驗 收時 ，僅僅 只對加工 尺寸、公法線 或跨棒距 進行復 檢作為驗 收時的依 據。而對 噴丸強化方 面往往被 忽略不作要求，供需雙方在噴丸強化方面沒有制 約，圖紙上對噴丸強化 的要求形 同虛設 ，也 是噴丸強化得不到落實的一個原因所在。

總之 ，對齒 輪噴丸強化 的作用認識 不足 ，對這一?重要 的工藝措施 尚未引起足夠 的重視 。所 謂 國 產齒輪比不上進 口齒輪 ，這也許是其中原因之一?。

(2)部分的齒輪廠家誤認為 :“拋丸清理機 一噴 丸強化機”;“齒輪只要經過拋丸清理，就已經噴丸 強化 了。”

“拋丸清理機”的主要功能:
1)對 鑄 件 毛 坯 的 清 砂 清 理 ;
2)對鍛件 毛坯及熱處理 以后 的工件表 面氧化皮進行清理。
拋丸清理機 是利用旋轉 的葉輪產生 的離 心力將彈丸加速拋 向工件 ，拋 出的是扇形彈丸流。彈丸 的出口速度與葉輪 的轉速和回轉直徑成正 比，一般 轉速在2000~3000n/min，拋丸的投射速度(VJ速 度)為 50~60m/s，最高時可達到 75m/s。

噴丸強化機利用壓縮 空氣直接噴射 ，彈丸 由噴 嘴噴出 ，可 以通過控制 噴丸壓力 、噴丸流量等工 藝 參數來調節彈丸的噴射速 度，彈丸的出 口速度一般控制在 80~200m/s，最大時可達到 220m/s。另外 噴嘴噴出的噴丸噴射面積小，可根據噴 嘴直徑集中 噴 射 在 +15~ 30 m m 的 范 圍 內 ，從 而 實 現 局 部 噴 丸 ， 例如只對齒輪齒根部位的強化噴丸。

齒輪噴丸強化的設備銘牌上標記的是 “齒輪噴 丸強化機”，以清理 為 目的的設備 銘牌上標記 就是 “拋丸清理機”，不是同一檔次，根本無法替代。因 此“拋丸清理機”的作用以清理為主，對齒輪強化的 作用非常有 限。

“拋丸清理機≠噴丸強化機”。

(3)什么才是真正的齒輪噴丸強化 。噴丸強化 最大的特點是一種受控的噴丸技術，實現齒輪真 正的噴丸強化就必須采 用受控 的噴丸設 備——齒 輪數控噴丸強化機 。數控機械手 噴丸強化機是實 現 高 精 度 數 控 噴 丸 強 化 的 專 用 機 械 ，主 要 由 噴 丸 室 、數控機械手 噴槍運行 機 構、工 件運行 機構 、丸 料回收機構 、丸 料分離 機構 、彈丸 發生 機構 、除塵 機構、電器控制系統等部件組成。國內噴丸強化 機的制造廠家已生產出 5軸 4聯動、7軸 5聯動、 轉盤 回轉式等多款 數控機械手噴丸強化設 備。他 們 的性能具 有共 同的特點 :噴槍運行 機構 可根據 工件的具體形狀進行預設定，能執行直線、擺動、 旋轉等多軸運動，運行誤差小，重復精度高;噴丸 壓力 、彈丸流量 、噴射 角度等影響噴丸強化效果 的 核心參數全 由數字 控制 ，精度高 ;丸料 回收采用先進的蜂窩地板氣力回收技術，無需人工，數控系統，界面人性化。從而能保證實現真正的噴丸強 化效果。

在噴丸強化設備方面 ，江蘇世紀銘豐科技有限公司率先自主研發 的數控噴丸強化機 ，一舉填補 了 國內市場 的空 白，已經取代進 口機床，成為市場首選。

7 齒輪噴丸 強化 的實際效果

7.1 噴丸強化能顯著提高齒輪的疲勞強度

1)齒輪經噴丸強 化后 ，顯微 硬度可 明顯 提高 ， 這是由于受到高的殘余壓應力 、表面加工硬化和組 織細化綜合作用 的結果 ;

2)齒輪在熱處理后 ，齒面接受高速噴射 的彈丸 流連續不斷地撞擊，可將殘余奧氏體轉化為馬氏 體 ，馬氏體針 明顯較 未噴丸 的齒 輪細小致密 ，起到 了細化馬氏體亞結構 的作用 ，有利于殘余壓應力 的提高; 3)當齒根存在微細裂紋時，殘余壓應力可抑制裂紋的擴展;當殘余壓應力層深約為裂紋深度 5倍 時，即可消除裂紋 的影響。殘余壓應力對齒輪彎 曲 疲勞強度影響很大 ，齒 面的殘余壓應力可 降低彎 曲 拉應力 的峰值 。齒輪經噴丸強化后 ，最大 的殘余壓 應 力 值 是 位 于 齒 面 下 約 0.05 m m ~ O.1 m m 處 ，其殘 余 壓應 力可 高達 一8O0~ 一120MPa; 4)通過噴丸強化能把齒 面在熱處理過 程 中形 成的不 良組織 (如滲碳齒輪表面 的黑色組織——非馬氏體 、內氧化 、脫碳層及過 多的殘余奧氏體組織) 對 性 能 的 影 響 ，降 低 到 最 小 程 度 。

7.2 噴丸強化能顯著提高齒輪的使用壽命

根據國內、外有關 資料表 明，對 承受循 環彎 曲 交變載荷的齒輪進行噴丸強化，可有效地提 高其疲 勞極限，噴丸強化特別能有效地提高應力集 中部位 的疲勞強度 ;可消 除機械加工過程 中(如對齒 輪齒 面的磨削及軸類齒輪 校形處理)所產生 的拉應力 ; 同時改善齒輪因連續刀痕或凹槽 、孔和過 渡圓角等 結構因素所導致 的應 力集 中現 象。噴 丸強化后能 顯著減小齒輪使用壽命的分 散性 ，可延長齒輪 的使 用壽命幾倍 、幾十倍 、甚至幾百倍 。

8 我單位齒輪噴丸強化 的現狀?

8.1 對齒輪噴丸強化的要求

我單位按美 國原版圖紙生產 的齒輪種類較多 ， 現 僅 以 TEREX 3 31IE 礦 用 汽 車 傳 動 齒 輪 件 號 (9195847)的 齒 輪 為 例 ，該 齒 輪 在 原 版 圖 紙 上 對 齒 輪噴丸強化的要求是:1)對齒根部位采用鋼絲切割丸進行強 化 ;2)噴丸 強度要求:阿爾門弧高0.55mmA;3)覆蓋率30 。?

8.2使用的設備

兩 臺吊鉤式拋丸清理機。

8.3 對強化后的齒輪送檢

將我單位在拋丸清理機上強化 的三個件號為 (9274893)齒 輪 ，送 上 海 交 通 大 學 材 料 科 學 與 工 程 學院做 x射線殘余壓應力檢測。檢測報告見表 3。

現就檢測報告的內容說明如下 :
1)齒 輪 No1— — 系 我 單 位 強 化 的 齒 輪 ; 2)齒輪 No2、齒輪 No3——系上江蘇世紀銘豐科技限公司在齒輪噴丸強化機上所做的齒輪 。 結 論 :齒 輪 Nol不 合 格 。

齒 輪 No2和 齒 輪 No3合 格 。 8.4 送檢的Nol齒輪不合格的主要原因

1)拋丸清理機對齒輪的強化 的作用非常有 限， 也即“拋丸清理機≠齒輪噴丸強化機”;

2)對齒 輪噴丸強化認識 不足、重 視不夠 ，缺乏 全 面 的 了解 。

8.5 從根本上解決問題的措施

1)選 購 真 正 的 齒 輪 噴 丸 強 化 機 ;
2)執行正確 的齒輪噴丸強化工藝 ;

3)加大提高操 作工人和質檢人 員 的專業技術水平的力度，強調對每批噴丸的齒輪均有代表批次 的弧高值試片 ;出廠的齒輪應有弧高值的報告 。

9 結束語

隨著國際競爭 的不斷加劇 和對 齒輪壽命要求的不斷提 高，噴丸強化是提 高齒輪 的抗 疲勞性 能， 實現長壽命的重要工藝措施之一 ，為 了適應市場的 需要 ，提高企業 的市場競爭 能力，對 礦用汽車重 載 齒輪進行真正的噴丸強化勢在必行 。

10 鳴謝
本文前后經 上海交通 大學材料科 學與工程學院姜傳海教授和江蘇世紀銘豐科技有限公司對本文在撰寫 中所 給予 的幫 助和指導表 示衷心的感謝 !

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