齿轮喷丸

我国齿轮制造技术现状及喷丸工艺作用
青岛青特集团有限公司许威夷
齿轮制造现状
随着我国市场经济的不断完善，国民经济的快速增长，我国已成为世界制造业大国。

齿轮，作为机械工业的重要基础零部件，在改革开放30年来，其技术伴随着国民经济的快速发展也取得了长足的进步。

特别是近几年来，在汽车、风电、高铁和基础设施的快速拉动下，齿轮行业再次呈现快速发展之势，2009年齿轮行业年销售总额高达1260亿元。

据中国齿轮专业协会预测，到2010年底，我国齿轮市场总需求将超过1400亿元，相比2005年的683亿元，增加了一倍多。

中国已成为名副其实的世界齿轮制造大国，成为世界第三大齿轮制造国。

齿轮行业市场总体可以分为三大市场，即车辆齿轮市场；通用工业齿轮；专用工业齿轮。

其中车辆齿轮占齿轮市场总额的62%，汽车齿轮又占车辆齿轮的62%，即汽车齿轮占整个齿轮市场近40%的比重，成为齿轮行业最大的市场。

虽说我国已成为世界齿轮大国，然正像齿协秘书长所说，我们还不是齿轮强国，我国齿轮行业在产品质量、产品设计、工艺开发、制造装备和检测试验等综合技术水平上只相当于发达国家上世纪九十年代中后期水平，落后其十到十五年。

齿轮行业内，中低端产品产能过剩，产业链比较分散，低水平、低价位恶性竞争激烈。

以重型汽车的驱动桥驱动锥齿轮为例，台架试验寿命极低，
大部分在10-20万次左右，很难达不到50万次的合格标准要求，且实际使用寿命也只是国外同类产品的30%-50%。

在使用过程中，打齿、脱皮情况严重，约有近3%左右的汽车后桥锥齿轮不到3个月的三包期就失效了，给用户带来巨大的经济损失。

每年汽车驱动桥锥齿轮配件的需求量就高达100多个亿。

因此提高齿轮的抗疲劳性，延长齿轮的使用寿命已成为行业迫不及待需要解决的首要任务和重大课题。

2009年7月由中国工程院12位院士联名向总理建议将¡抗疲劳制造与长寿命关键基础件研究¡作为中国机械制造关键基础件赶超国际先进的共性基础技术专项研究；中国工程院又联合九个专业协会，其中包括中国齿轮专业协会，将齿轮产品这一抗疲劳制造与长寿命关键基础件作为研究项目进行论证。

喷丸强化，正是提高汽车齿轮抗疲劳性，实现长寿命的重要工艺措施之一。

强化喷丸就是利用高速喷射的细小钢丸撞击受喷工件表面，使工件表层材料产生弹塑性变形并呈现高的残余压应力，从而提高工件表面的强度及抗疲劳强度。

以前，该工艺仅应用于军事和航空领域。

近年来，随着喷丸对工件残余应力及强度提高的研究，喷丸强化工艺，在民用工业也得到广泛地应用。

重型汽车上的后桥螺旋锥齿轮，是汽车后桥上的核心零部件，由于其在服役过程承受着巨大的交变应力，加之用户超载运行等因素，导致齿轮疲劳寿命低而频繁短期失效。

齿轮厂家开始重视并采用喷丸强化工艺来作为提高抗疲劳强度的一种工艺手段。

喷丸强化的效果
喷丸强化过程对渗碳淬火齿轮产生的效果主要体现在四个方面：1.在高速弹丸的打击下在齿轮表层组织上造成马氏体微观结构细化（如下图所示），位错密度增加，晶格畸变加剧，使齿轮表面发生加工硬化，同时原组织中的残余奥氏体在高速喷射的钢丸打击下产生马氏体的转变，转变成孪晶马氏体。

这种孪晶马氏体对于齿轮的强度有显著的提高；
2.在齿面的次表层引入对齿轮强度极为有利的高的宏观残余压应力，其残余应力值往往能高达-800-1000MPa；
3.使齿轮切削加工时在齿根处产生的尖锐刀尖锐角刀痕趋于圆滑并能存油，提高齿轮的抗弯曲疲劳强度及抗胶合能力，尤其对准双曲线齿轮十分有利；
4.能在原有硬度的基础上再提高渗碳齿轮的表面硬度1-3HRC。

未喷丸齿轮的金相组织强喷后齿轮的金相组织
0.1处HV6760.1处HV727
齿轮经喷丸处理和未喷丸处理的金相组织比较
影响喷丸强化的因素
影响喷丸强化的效果主要有以下几个方面：丸的形状、丸的大小尺寸、丸的硬度、钢丸的流量、速度、喷射角度、覆盖率等。

1.丸的形状
喷丸强化用的丸料应该是圆形(G2或G3）的。

在喷射打击过程中应少破碎或不破碎。

如果使用过程中丸料破碎了，就必须被分离出去，因为破碎的丸带有锋利的边角，容易损伤齿轮表面。

因此选用预抛过的圆形的钢丝切丸较好。

在设备上，通常使用螺旋分离器来实现丸料圆度的筛选。

2.丸的大小尺寸
丸的尺寸大小与残余应力场的深浅有关。

丸的尺寸大，喷丸强化所形成的残余应力场就深，然齿轮表面的粗糙度则差。

因此有些需要较深残余应力场深度的齿轮，往往采取复合喷丸工艺，即先用大丸喷，再用小丸喷的工艺。

通常钢丸的直径一般不应大于齿轮齿根过渡区圆角直径的一半，因为过大的钢丸不能喷及齿轮圆角处。

在强化喷丸时强化用的丸料尺寸必须保持一致性，破碎或者磨小的丸必须分离出去，因为丸料尺寸减小，喷丸强度就会降低。

在设备上通常使用震动筛选器来实现丸料大小的分离。

3.丸的硬度
丸料硬度的选用对于喷丸强化有巨大的意义，通常选用的丸粒硬度要大于或等于齿轮表面的硬度。

由于强化过程是使零件表
面产生麻点变形的过程，只有丸料硬度高于零件硬度的条件下才有利于能量的传递，将动能转化成齿轮表面形变的势能，使齿面金相组织发生微结构细化，而非将能量反馈回丸料本身。

对于强化喷丸用的丸料硬度必须保持一致性，颗粒间硬度相差越小越好。

4.钢丸的流量、速度、喷射角度对喷丸效果的影响
喷丸强化必须有一个量的概念，没有定量的概念无法称其为强化喷丸。

以往的喷丸、抛丸由于没有实现对强化表面钢丸流量的精确控制，丸料大小一致性的控制，喷射速度的控制以及喷射角度的控制，虽说也能提高一点强度但不能称之真正意义上的强化喷丸，只能算是喷丸清理或抛丸清理。

所用的喷丸机和抛丸机也不能称之为强化喷丸机或强化抛丸机。

实现强力喷丸必须采用数控喷丸机。

数控机械手喷丸机是实现高精度数控喷丸强化的专用机械，主要由喷丸室、数控机械手喷枪运行机构、工件运行机构、磨料回收系统、磨料分离系统、喷丸系统、除尘系统、控制系统等部件组成。

现在行业内已经专门为齿轮生产出5轴4联动、7轴5联动、转盘回转式等多款数控机械手喷丸强化设备。

它们的性能具有共同的特点：喷枪运行机构可根据工件具体形状，进行预设定，能执行直线、摆动、旋转等多轴运动，运行误差小，重复精度高，特别适合于对螺旋锥齿轮等复杂齿轮的喷丸处理；¡喷丸压力、丸料流量；喷射角度等影响喷丸强化效果的核心参数全由数字控制，精度高；磨料回收采用先进的（蜂窝地板）气力回收技术，无需地坑；数控系统，界面人性化，便于操作。

从而
能保证实现真正的喷丸强化的效果。

5.覆盖率的影响因素
影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、喷射角度和距离、喷丸时间等。

在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率要求的时间就越短。

喷丸强化时，应选择大小合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和覆盖率同时达到要求值。

过高的覆盖率对齿轮强化没有好处，实际上已造成了过渡喷丸，不仅提不高齿轮的疲劳寿命，反而还影响其疲劳寿命。

通常覆盖率在200-300%为好。

喷丸强化后的效果
经数控喷丸机对齿轮（主要是齿轮的齿根部分）进行强化喷丸后，齿轮的残余压应力往往能达到-800-1000MPa，覆盖率达200%。

经曙光汽车集团、青特集团对强喷后的汽车后桥螺旋锥齿轮进行台架试验，实验结果表明，强化喷丸后，重型汽车后桥锥齿轮的疲劳寿命提高了20%以上，有的甚至提高了一倍多，效果非常明显。

喷丸强化是现阶段提高齿轮抗接触疲劳强度及抗弯曲疲劳强度行之有效的工艺方法，值得推广采用。