齒輪作為機(jī)械傳動中不可或缺的部件，承載能力直接決定其使用壽命。因此，如何有效提升齒輪的承載能力是當(dāng)前齒輪制造過程中亟需解決的問題。為提升齒輪的承載能力，可從齒輪鋼冶煉開始強(qiáng)化其性能。實踐表明，齒輪失效的形式主要包括點蝕、剝落、斷裂等，導(dǎo)致上述問題的主要原因為齒輪鋼表面材料的應(yīng)力集中和強(qiáng)度不足。為在齒輪鋼冶煉階段提升其表面質(zhì)量，可采取噴丸強(qiáng)化、光整加工及表面熱處理等工藝。本文重點對噴丸強(qiáng)化的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗研究，最終達(dá)到提升齒輪鋼表面質(zhì)量的目的。
一、基礎(chǔ)研究
齒輪作為傳動部件，具有傳動比穩(wěn)定、效率高以及承載能力高的特點，被廣泛應(yīng)用于船舶、風(fēng)電、航空等領(lǐng)域。噴丸工藝主要用于對齒輪重點零部件的強(qiáng)化處理，最終達(dá)到提升齒輪表面強(qiáng)度的目的。齒輪鋼在噴丸沖擊的作用下，其材料表面會出現(xiàn)彈塑性變形;當(dāng)噴丸的沖擊力卸載后，齒輪鋼的彈性變形小，并在其表面形成了彈性殘余壓應(yīng)力層。
從本質(zhì)上講，噴丸強(qiáng)化的工作原理為：彈丸在壓縮空氣下的作用下進(jìn)行加速，并以高速的狀態(tài)對齒輪鋼表面造成沖擊，從而對齒輪鋼起到強(qiáng)化的效果。本文將基于數(shù)值模擬仿真手段研究噴丸強(qiáng)化對齒輪鋼表面完整性的影響，進(jìn)而得出在齒輪鋼冶煉過程中噴丸強(qiáng)化其表面完整性的最佳工藝參數(shù)。
噴丸強(qiáng)化的基礎(chǔ)是具有足夠速度的彈丸，本文采用如圖 1 所示的氣動系統(tǒng)來形成高速的彈丸。
如圖 1 所示，在空氣壓縮機(jī)的作用下將一定壓力的空氣送入儲氣罐中，通過壓力控制閥對輸出的空氣壓力進(jìn)行控制，將空氣的壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能，從而實現(xiàn)對彈丸的加速。圖 1 中的噴管為文丘里噴管，包括入口段、收縮段、喉部段及擴(kuò)張段?；?CFD-FEM 數(shù)值模擬軟件對噴丸的工藝過程進(jìn)行建模，所構(gòu)建的數(shù)值模擬仿真模型如圖 2 所示。
基于圖 2 的數(shù)值模擬仿真模型重點對噴丸工藝參數(shù)對齒輪鋼冶煉后表面完整性的影響進(jìn)行研究。
二、噴丸工藝參數(shù)對齒輪鋼表面完整性的數(shù)值模擬研究
重點開展彈丸速度、彈丸直徑、噴射角度以及二次噴丸對齒輪鋼表面質(zhì)量的影響研究。
彈丸速度對齒輪鋼表面質(zhì)量的影響
基礎(chǔ)條件：彈丸噴射距離為 200 mm，彈丸直徑為 0.6 mm，彈丸流量為 5 kg/min;在上述條件下通過改變噴丸氣壓實現(xiàn)對彈丸速度的控制，重點對彈丸速度為 51 m/s、71 m/s、86 m/s 和 95 m/s 對應(yīng)齒輪鋼表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖 3 所示。
從圖 3 中可以看出，在距離齒輪鋼表面深度小于 0.05 mm 時，隨著彈丸速度的增加，對應(yīng)的齒輪鋼表面的殘余應(yīng)力幾乎不變。當(dāng)彈丸速度從 51 m/s 增加至 95 m/s 時，齒輪鋼表面的最大殘余應(yīng)力從 1 178 MPa增加至 1 265 MPa，而且對應(yīng)距齒輪鋼表面的深度從 0.06 mm 增加至 0.08 mm，對應(yīng)的殘余應(yīng)力深度從 0.17 mm 增加至 0.23 mm。
綜合分析可得，隨著彈丸速度的增加，齒輪鋼最大殘余應(yīng)力的深度位置和殘余壓應(yīng)力層的深度增加。當(dāng)彈丸速度從 86 m/s 增加至 95 m/s 時，對應(yīng)殘余應(yīng)力增加幅度減小。因此，綜合效果確定最佳彈丸速度為 86 m/s，對應(yīng)的氣壓為 0.4 MPa。
彈丸直徑對齒輪鋼表面質(zhì)量的影響
仿真條件：彈丸噴射距離為 200 mm，氣壓為 0.5 MPa，流量為 5 kg/min，分別對彈丸直徑為 0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm 和 1.0 mm 四種情況下對應(yīng)齒輪鋼表面殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖 4 所示。
從圖 4 中可以看出，隨著彈丸直徑從 0.4 mm 增大至 1.0 mm，對應(yīng)所冶煉形成齒輪鋼的表面殘余應(yīng)力從 756 MPa 下降至 378 MPa，降幅達(dá) 50%;次表面的最大殘余應(yīng)力從 1 263 MPa(距表面深度 0.06 mm)降低至 1 171 MPa(距表面深度 0.14 mm)，降幅為 7%;殘余壓應(yīng)力層和最大殘余應(yīng)力的深度分別由 0.17 mm 和 0.06 mm 增加至 0.35 mm 和 0.14 mm。
綜合分析可得，隨著彈丸直徑的增加，齒輪鋼表面的殘余應(yīng)力和次表面最大殘余應(yīng)力均下降，其中齒輪鋼表面殘余應(yīng)力下降幅度非常大;但對應(yīng)的殘余正應(yīng)力層和最大殘余應(yīng)力深度均減小。因此，綜合齒輪鋼表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力的強(qiáng)度要求，將彈丸直徑確定為 0.6 mm。
三、齒輪鋼工業(yè)冶煉試驗分析
在上述仿真分析的基礎(chǔ)上，對基本確定的齒輪鋼工業(yè)冶煉過程中的最佳噴丸工藝進(jìn)行驗證。在試驗中采用型號為 MT25-G80Ⅱ/1/R 的氣動式數(shù)控噴丸機(jī)對齒輪鋼進(jìn)行強(qiáng)化。在實際試驗中，為了避免噴丸與齒輪鋼接觸出現(xiàn)微小的裂紋，而且還要保證強(qiáng)化后齒輪鋼的殘余應(yīng)力保持一定水平，所采用的彈丸硬度低于待冶煉的齒輪鋼的表面硬度。在實際強(qiáng)化中采用的噴丸工藝參數(shù)如表 1 所示。
基于上述冶煉過程中的齒輪鋼進(jìn)行強(qiáng)化處理，并采用便攜式 X 射線衍射儀對強(qiáng)化后齒輪鋼的殘余應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行測量，以驗證上述噴丸工藝有效性?；诒銛y式 X 射線衍射儀對未噴丸、100%噴丸覆蓋率以及 200%噴丸覆蓋率對應(yīng)的軸向殘余應(yīng)力和切向殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計后得出如圖 5 所示的結(jié)論。
由圖 5 可知，噴丸前后齒輪鋼的軸向殘余應(yīng)力和切向殘余應(yīng)力的分布趨勢一致。從整體來看，100%噴丸覆蓋率和 200%噴丸覆蓋率對應(yīng)的齒輪鋼殘余應(yīng)力差異不明顯。采用未噴丸的工藝時，在深度達(dá)到 0.035 mm 以后對應(yīng)殘余應(yīng)力在 200 MPa 左右，而且相對穩(wěn)定;采取噴丸工藝后，在深度為 0.06 mm 時的殘余應(yīng)力最大達(dá)到 1 150 MPa，隨著表面深度的增加對應(yīng)殘余應(yīng)力減小，并在表面深度為 0.2 mm 時達(dá)到 200 MPa 左右。
四、結(jié)論
1)在對噴丸工藝基礎(chǔ)原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬手段對彈丸直徑和彈丸速度對齒輪鋼表面質(zhì)量的影響進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)齒輪鋼冶煉工藝的試驗奠定基礎(chǔ)，得出了最佳彈丸速度為 86 m/s，對應(yīng)的氣壓為 0.4 MPa，彈丸直徑確定為 0.6 mm。
2)通過試驗研究可知，齒輪鋼在冶煉過程中采用噴丸工藝可改善其表面質(zhì)量，對應(yīng)齒輪鋼殘余應(yīng)力增大，最大可達(dá) 1 150 MPa，遠(yuǎn)大于未噴丸的 200 MPa。
參考文獻(xiàn)略.