強(qiáng)力噴丸是提高齒輪齒部彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的重要方法,，是---齒輪抗咬合能力,、提高齒輪壽命的重要途徑。本文主要介紹齒輪加工中的強(qiáng)力噴丸工藝,。

1,、工作原理  

強(qiáng)力噴丸工藝主要是利用高速噴射的細(xì)小鋼丸在室溫下撞擊受噴工件表面，使工件表層材料產(chǎn)生彈塑性變形并呈現(xiàn)較高的殘余壓應(yīng)力,，從而提高工件表面強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度,。噴丸一方面使零件表面發(fā)生彈性變形，同時也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯,，使材料表面發(fā)生加工強(qiáng)化,。如圖1所示：

.    圖1-a   經(jīng)噴丸處理的零件表面    圖1-b 未經(jīng)噴丸處理的零件表面

噴丸對表面形貌和性能的影響主要表現(xiàn)在改變零件的表面硬度、表面粗糙度,、抗應(yīng)力腐蝕能力和零件的疲勞壽命,。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發(fā)生循環(huán)塑性變形。根據(jù)材料的性質(zhì)和狀態(tài)的不同,，噴丸后材料的表層將發(fā)生以下變化：硬度變化,、組織結(jié)構(gòu)的變化,、相轉(zhuǎn)變、表層殘余應(yīng)力場的形成,、表面粗糙度的變化等,。

2、    噴丸強(qiáng)度的測量方法

當(dāng)一塊金屬片接受鋼丸流的噴擊時會產(chǎn)生彎曲,。飽和狀態(tài)和噴丸強(qiáng)度是噴丸加工工藝中的兩個重要概念,。飽和狀態(tài)是指在同一條件下繼續(xù)噴擊而不再改變受噴區(qū)域機(jī)械特性時的狀態(tài)。所謂噴丸強(qiáng)度,，就是通過打擊預(yù)制成一定規(guī)格的金屬片即試片,，在規(guī)定的時間使之達(dá)到飽和狀態(tài)的強(qiáng)弱程度，并用試片彎曲的弧高值來度量其噴擊的強(qiáng)弱程度,。

目前,，旋風(fēng)銑刀片，應(yīng)用廣的美國機(jī)動車工程學(xué)會噴丸標(biāo)準(zhǔn)中采用阿爾曼提出的噴丸強(qiáng)化檢驗(yàn)法——弧高度法,，該方法由美國gm公司的j. o. almen阿爾門提出,，并由saej442a和sae443標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量方法，其要點(diǎn)是用一定規(guī)格的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強(qiáng)化后的形狀變化來反映噴丸效果,。對薄板試片進(jìn)行單面噴丸時,，由于表面層在彈丸作用下產(chǎn)生參與拉伸形變，所以薄板向噴丸面呈球面彎曲,。通常在一定跨度距離上測量球面的弧高度值,，用其來度量噴丸的強(qiáng)度。測定弧高度值是通過將阿爾門試片固定在夾具上,，經(jīng)噴丸后,，再取下試片，然后用阿爾門量規(guī)測量試片經(jīng)單面噴丸作用下產(chǎn)生的參與拉伸形變量即弧高度值,。如用試片測得的弧高值為0.35mm時,，記作0.35a。

噴丸強(qiáng)度的另一種檢驗(yàn)方法為殘余應(yīng)力檢測,，即對經(jīng)強(qiáng)力噴丸后的工件進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測,，具體的檢驗(yàn)方法為x射線衍射法。在美國sae j784a標(biāo)準(zhǔn)中如下方法：x射線的入射和衍射束必須平行于齒輪的齒根,，圓柱直齒輪和圓柱螺旋齒輪上的測量位置應(yīng)當(dāng)在齒根的寬度中央,，合金涂層蝸桿旋風(fēng)銑刀片，照射區(qū)域必須集中在齒根圓角的中心,，不能橫向延伸超出規(guī)定的齒根圓角表面---的測量點(diǎn),，照射區(qū)域大小的控制可以通過對直光束和適當(dāng)遮蓋齒根表面實(shí)現(xiàn)；在每個選定受檢的齒輪上,，少要任選兩個齒進(jìn)行評估,，兩齒間隔180。如果齒的有效齒廓受到保護(hù)沒有研磨,，則可以認(rèn)為齒根研磨的用于表面下殘余應(yīng)力測量的齒輪未受損壞并且可以用于生產(chǎn),。

3、    噴丸對提高零件疲勞抗力的作用

a．借助表面冷變形實(shí)現(xiàn)材料表面強(qiáng)化的本質(zhì)在于冷變形造成材料表層組織結(jié)構(gòu)的變化,、引入殘余壓應(yīng)力以及表面形貌的變化,。

b． 噴丸使材料表面性能---

c． 強(qiáng)化噴丸過程中，當(dāng)微小球形鋼丸高速撞擊受噴工件表面時,，使工件表層材料產(chǎn)生彈,、塑性變形，撞擊處因塑性形變而產(chǎn)生一壓坑,，撞擊導(dǎo)致壓坑附近的表面材料發(fā)生徑向延伸,。當(dāng)越來越多的鋼丸撞擊到受噴工件表面時，工件表面越來越多的部分因吸收高速運(yùn)動鋼丸的動能而產(chǎn)生塑性流變,，使表面材料因塑性變化而產(chǎn)生的徑向延伸區(qū)域越來越大,，發(fā)生塑性形變的表面逐步連接成片，則使工件表面逐步形成一層均勻的塑性變形層,。塑性變形層形成后,，繼續(xù)噴丸會使塑變層因繼續(xù)延伸而厚度逐步變薄，同時塑變層的徑向延伸會因受到鄰近區(qū)域的---而導(dǎo)致重疊部分發(fā)生破壞,，終塑變層因持續(xù)的噴丸而剝落,。所以必須對噴丸的時間加以嚴(yán)格的控制。

4,、噴丸對滲碳齒輪表層殘余應(yīng)力的影響

關(guān)于噴丸使工件表面形成殘余應(yīng)力的原因,，根據(jù)al-obaid等人的觀點(diǎn)：當(dāng)高速鋼丸撞擊到試樣表面，撞擊處產(chǎn)生塑性變形而殘余一壓坑,，當(dāng)越來越多的鋼丸撞擊到試樣表面時,，則會在試樣表層產(chǎn)生一層均勻的塑變層，由于塑性變形層的體積膨脹會受到來自未塑性變形近鄰區(qū)域的---,，因此整個塑變層受到一壓應(yīng)力,。

由于殘余壓應(yīng)力及其分布對齒輪疲勞壽命有較大的影響，而噴丸強(qiáng)化工藝的優(yōu)劣將直接影響殘余應(yīng)力大小及其分布,。因此準(zhǔn)確測定受噴零件的表層殘余應(yīng)力對于評價(jià)噴丸工藝的優(yōu)劣是一個行之有效的手段,。

5、噴丸對零件表面粗糙度的影響

強(qiáng)化噴丸會引起零件受噴表面的塑性變形,，使零件的表面粗糙度發(fā)生變化,。表面粗糙度是一種微觀幾何形狀誤差，又稱為微觀不平度。表面粗糙度和表面波度,、形狀誤差一樣,，旋風(fēng)銑刀片夾具，都屬于零件的幾何形狀誤差,，表面粗糙度對于機(jī)器零件的使用性能有著重要的影響,。噴丸對材料表面粗糙度的影響通常在ra0.6～20mm范圍內(nèi)。在不改變工藝參數(shù)的條件下,，材料原始表面粗糙度愈高,，噴丸后的ra值愈大。生產(chǎn)實(shí)踐證明,，一般情況下,，噴前表面粗糙度在6.3mm以下，噴丸可以提高或維持原表面粗糙度,，如果原表面粗糙度在6.3mm以上,，則噴丸后表面粗糙度有所降低。

在生產(chǎn)實(shí)踐中,，要想獲得較理想的噴丸表面,，應(yīng)從以下幾個方面著手：

提供較好的原始表面，ra值應(yīng)在6.3mm以下,；

選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力,；

在大直徑鋼丸噴丸強(qiáng)化后，采用較小鋼丸低壓力(不能改變噴丸強(qiáng)度值)覆蓋一次,，可達(dá)到較好的表面粗糙度,。

噴丸后的零件表面應(yīng)輕微打磨，打磨時要控制表面金屬去除量,。這樣,，既不損害噴丸的強(qiáng)化效果，又可---表面粗糙度,。當(dāng)然,，這是一個多因素問題，不論采用什么方法,，必須同時考慮其他因素的影響,。

6 、工藝參數(shù)對噴丸效果的影響

對噴丸有影響的主要有以下幾個方面：

鋼丸材料,、鋼丸直徑,、鋼丸速度、鋼丸流量,、噴射角度,、噴射距離、噴射時間、覆蓋率等,。其中任何一個參數(shù)的變化都會不同程度地影響噴丸強(qiáng)化的效果,。

a、鋼丸的材料,、硬度,、尺寸及粒度對噴丸效果的影響

鑄鐵丸和鑄鋼丸通常用于硬齒面齒輪的噴丸,。鑄鐵丸的缺點(diǎn)是韌性較低,，在噴丸過程中易于破碎、耗損量大,，對破碎的鋼丸要及時分離,，否則會影響受噴表面。但鑄鐵丸的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜,、硬度高,，可以使受噴表面產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力。鑄鋼丸與鑄鐵丸相比,，其優(yōu)點(diǎn)是不易破碎,，對受噴表面幾何形貌有利。但鑄鋼丸硬度較鑄鐵丸低,，在其他條件相同時,，受噴表面的殘余壓應(yīng)力低于鑄鐵丸。

在德國刀具制作商horn公司每兩年舉辦一次的“技術(shù)開放日”上,，---獲邀參觀了該公司坐落德國圖賓根市的硬質(zhì)合金刀片毛坯生產(chǎn)線,，親眼見證了用包含多種不同成分的混合粉料生產(chǎn)---可轉(zhuǎn)位刀片的全進(jìn)程。

horn公司生產(chǎn)的各種刀具產(chǎn)品如銑刀,、車刀,、拉刀、鉸刀等廣泛采用了可轉(zhuǎn)位刀片,。圖1中的旋轉(zhuǎn)展臺展示了該公司蕞新開發(fā)的一些立異產(chǎn)品,，包含圓柄和削柄25a端面切槽體系、用于s100內(nèi)冷卻車削刀片的新式刀夾等,。

圖1

horn公司在---各地的刀具生產(chǎn)廠都能夠?qū)�燒結(jié)而成的刀片進(jìn)行刃磨成形加工,，但一切的刀片毛坯都來自坐落圖賓根的horn

hartstoffe硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠。制坯工藝的地一步是將不同配比的碳化物,、結(jié)合劑資料如鈷和鉭以及后續(xù)加工所需的添加劑經(jīng)精密稱量后制成混合粉料圖2,。在冶金實(shí)驗(yàn)室對質(zhì)料進(jìn)行全面的檢驗(yàn)檢測后，對其進(jìn)行攪拌混合,，直至達(dá)到所要求的濃度,，然后送至下一道工序，40度旋風(fēng)銑刀片，用三種成型辦法軸向壓制成型,、擠出成型或---成型之一進(jìn)行毛坯成型加工,。

圖2

如果刀片的形狀比較簡單，一般可采用如圖3所示的電動軸向壓坯機(jī)壓制成型,。這種常用的刀片壓制辦法是將粉料放入模具之中,，經(jīng)過單向或雙向加壓，壓制出終究形狀,。雖然該辦法比其他成型辦法更簡潔如在燒結(jié)前無需參加添加劑,，但卻不適合壓制較雜亂的刀片形狀，因?yàn)榈镀�脫�,；蛟S比較困難或許完全無法脫模,。horn公司這臺壓坯機(jī)采用了機(jī)器人自動裝料/卸件設(shè)備見壓坯機(jī)左側(cè)。

圖3

形狀較雜亂的刀片一般是在如圖4所示的活塞式擠出成型機(jī)上成型,。該機(jī)推擠原資料經(jīng)過一個模具而取得所需的形狀,。值得注意的是，利用浮動芯軸銷,，能夠在刀片毛坯內(nèi)部構(gòu)成內(nèi)冷卻通道,。在擠出成型機(jī)下部能夠看到，構(gòu)成的生坯呈長條狀,，還需要將其切成所需長度,，經(jīng)過清潔后再送去進(jìn)行預(yù)燒結(jié)和燒結(jié)。

圖4

用于擠出成型的粉料中含有各種蠟和其他添加劑,，這些添加劑可使加工出的刀片生坯具有延展性并呈橡膠狀見圖5,，這些長條形生坯還要切成所需尺度，并在后續(xù)工序中成型,。隨后,，這些添加劑將在預(yù)燒結(jié)工序中予以去除。

圖5

horn公司還開發(fā)了一種用于大批量生產(chǎn)雜亂形狀刀片毛坯的金屬---成型工藝圖6所示為兩個裝在流道上的刀片的3d設(shè)計(jì)圖,。該工藝所用的---成型機(jī)能夠設(shè)置超過5000種不同的工藝參數(shù)和變量,。注入資料的體積范圍為0.2－20 cm3，---速度為6m/sec,，---壓力蕞大可達(dá)2,，200bar，模具重量范圍為150－200kg,。

圖6

與---成型機(jī),、壓坯機(jī)和擠出成型機(jī)相鄰的工區(qū)見圖7專門擔(dān)任為硬質(zhì)合金刀片生產(chǎn)線制作東西和夾具。為此,，horn公司裝備了電火花加工機(jī)床,、車床,、三軸和五軸銑床、平面磨床和坐標(biāo)磨床等機(jī)床,，以及微噴砂體系,、激光測量儀和三坐標(biāo)測量機(jī)等設(shè)備。

圖7

用擠出成型機(jī)或---成型機(jī)成型的刀片生坯經(jīng)過清潔后,，還必須進(jìn)行預(yù)燒結(jié),。這道工序耗時2－4天，生坯要在氫氣氛爐中逐步加熱到850℃左右,，使其中的各種添加劑受熱揮發(fā),，并使生坯預(yù)固化。刀片毛坯經(jīng)過預(yù)燒結(jié)后,，即可進(jìn)入燒結(jié)階段用軸向壓坯機(jī)成型的毛坯無需預(yù)燒結(jié),，可直接進(jìn)行燒結(jié)。經(jīng)過在1,，350℃－1，550℃的高溫文可達(dá)100bar的氣體壓力下進(jìn)行燒結(jié),，刀片資料即可取得其終究的物理性能,。在燒結(jié)進(jìn)程中，資料部分呈液相狀況,，碳化物以相同的方法重新排列,，構(gòu)成無孔隙的同質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外,，燒結(jié)后刀片的體積大-比燒結(jié)前縮小20％－22％見圖8,。整個燒結(jié)進(jìn)程大約需要持續(xù)20小時才干完結(jié)。

圖8

經(jīng)過一系列計(jì)量室測試和控制程序包含掃描電鏡檢測,、維氏硬度檢測,、密度檢測、磁飽和度檢測等之后,，各批制品刀片毛坯將從硬質(zhì)合金工廠運(yùn)送到同樣坐落horn工業(yè)園區(qū)的刀具生產(chǎn)廠,，并在那里的磨床見圖9上刃磨出刀片的終究形狀。dmg/森精機(jī)公司專門為horn公司提供的銑床渠道也能夠滿意其刀具刃磨的特定需求,。horn刀具生產(chǎn)廠的加工機(jī)床總數(shù)超過200臺,，這些機(jī)床均按所加工的刀片類型分組。

圖9

圖10所示為horn公司員工將刃磨好的刀片置于夾具上,，準(zhǔn)備對其進(jìn)行清潔和噴砂處理,。處理完畢后，再將這些夾具移至涂層爐中horn公司共有8臺涂層爐進(jìn)行pvd或cvd涂層,。完結(jié)涂層工序后,，制品刀片就能夠包裝發(fā)貨了,。

圖10

圖11所示為horn公司生產(chǎn)夾持刀片的刀體和刀夾的加工車間。

圖11

horn公司從事各種刀片生產(chǎn)任務(wù)的許多員工都曾參加過企業(yè)自己的學(xué)徒訓(xùn)練計(jì)劃,。圖12中正在操作五軸加工中心的學(xué)徒已處于訓(xùn)練的高及階段,。在參與手動和數(shù)控加工之前，學(xué)徒們先要學(xué)習(xí)一些基本技能如整理文檔,。