CN104451079A - 一种齿轮齿面喷丸强化精整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿轮齿面喷丸强化精整方法，属于金属零件表面处理技术领域。该方法主要包括确定强化参数、测一次覆盖率、完成强化喷丸、确定精整参数、测单次覆盖率、求精整喷丸循环次数、完成精整喷丸各步骤。采用本发明，通过第一次强化喷丸，使齿轮齿面获得所要求的喷丸强度以及覆盖率，而第二次精整喷丸则可以降低强化喷丸所造成的齿面粗糙度增加，达到抑制齿轮齿面粗糙度的目的，同时精整喷丸会在齿面表层再次引入一层低应力层，该应力层可进一步提高齿轮表面耐磨性，增加齿轮寿命，并且无需转移工件以及更换弹丸，继续在统一台喷丸设备进行第二次低强度的精整喷丸即可，十分方便。

Description

一种齿轮齿面喷丸强化精整方法

技术领域

本发明涉及一种齿轮齿面处理方法，尤其是一种齿轮齿面喷丸强化精整方法，属于金属零件表面处理技术领域。

背景技术

齿轮的疲劳和磨损是齿轮零件发生失效的主要模式。为了提高齿轮强度，延长其齿轮寿命，常常采用喷丸强化工艺在齿轮表面形成一层残余压应力层。

喷丸强化的主要作用是借助高速运动的弹丸冲击零件表面，使其发生弹塑性变形，从而产生残余压应力和组织细化等有利的变化，但同时由于轮齿表面变形也增加了齿面粗糙度。而齿轮在工作时其啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的剧烈摩擦和接触疲劳应力，如果齿面粗糙度较高，则会显著降低齿轮齿面的耐磨性、疲劳强度和接触刚度，从而影响齿轮配合的稳定性，缩短齿轮寿命。

为了降低齿轮齿面粗糙度，提高齿面及齿形精度，现有的工艺均是在喷丸后对齿轮进行磨齿处理，但磨齿会去除齿面经喷丸强化处理后所形成的有利的压应力层，一般规定磨削量不得超过喷丸弧高值的10％，该磨削量很难保证磨齿后的齿轮达到规定的精度。结果，为了满足齿形精度要求，在生产中只能增加磨削量，牺牲了喷丸强化效果。

为了保证齿轮喷丸强化效果，可以在齿轮磨齿后进行喷丸，这就需要对强化喷丸后的齿轮齿面进行精整处理，以抑制齿面的粗糙度。通常喷丸精整工艺采用双弹丸进行两次喷丸处理，第一次喷丸采用粒径较大的第一弹丸对齿轮齿面进行强化喷丸，然后采用玻璃丸或陶瓷丸等小粒径的第二弹丸进行第二次精整喷丸。该工艺操作复杂，需要在第一次强化喷丸后完全更换喷丸设备中的弹丸，然后进行二次精整喷丸；或者需要至少两台喷丸设备，因此增加了喷丸设备投入成本，并且齿轮在喷丸过程中需要两次装夹，工艺时间长，增加了齿轮制造成本。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种在满足齿面强化要求的同时、又能最大限度抑制齿面粗糙度，并且工艺过程简单的齿轮齿面喷丸强化精整方法。

研究表明，对于特定材质零件的喷丸处理，其表面的强化以及粗糙度与弹丸直径、弹丸硬度、喷嘴与工件表面距离、喷嘴气压、弹丸流量、喷丸时间决定的覆盖率一系列参数有关。因此是否可以打破常规，只采用一台喷丸设备，通过合理选择控制上述参数，以达到上述发明目的，成为申请人攻关的课题。

理论和试验证明，如图1所示，高强度强化喷丸会增加工件表面粗糙度，因为当弹丸在撞击工件表面时，工件表面原始的微观几何形态被破坏，在工件表面形成凹痕，同时在凹痕的周围会形成波峰，弹丸粒径越大，喷丸强度越大，凹痕的半径越大，则形成的波峰越大；喷丸覆盖率的增加是从单个凹痕到凹痕重叠的过程，在一定条件下，随着覆盖率的增加，表面高低不平的程度增加，喷丸后的表面被大量弹丸撞击形成的凹痕所覆盖，形成波峰波谷的表面，表面粗糙度增大。

齿轮在喷丸前磨削表面存在加工纹理，如图2所示，这些纹理主要是砂轮粘着引起的表面缺陷，喷丸处理后，材料表面发生塑性变形，势必引起表面粗糙度的变化。

理想状态下，机加工后材料齿面粗糙度Rai＝a+b，式中：Rai——机加工后的齿面粗糙度，μm；a—波峰的高度，μm；b—波谷的深度，μm。

喷丸处理后，由于弹丸对于喷丸齿面的作用深度D(本文的作用深度是指弹丸撞击工件表面时所形成凹坑的深度，参见图1，μm)不同，喷丸后的表面粗糙度Ras(μm)将出现以下几种情况：

当D≤a时，有:Ras＝a-D+b＝Rai-D，如图2中D＝D1，在此范围Ras随D的增大而减小，此时弹丸撞击齿面时的能量主要被波峰材料所吸收，因而能够降低波峰的高度，改善齿面粗糙度；

当a＜D≤a+b时，有:Ras＝b，如图2中D＝D2，此时波峰被完全去除，在此范围内，喷丸后的齿面粗糙度Ras不随D改变，弹丸作用层深度D最大影响至波谷的深度，即能达到最大限度抑制粗糙度的效果；

当D＞a+b时，有:Ras＝D-(a+b)＝D-Rai，如图2中D＝D3，在此范围Ras随D的增大而增大，此时弹丸作用层深度大于波谷的深度，增加喷丸强度，则齿面粗糙度增加。

在常规设备条件下，齿轮磨齿后的齿面粗糙度约为0.6μm，也即由于齿面强化喷丸后的作用深度D大于其磨削后的因此强化喷丸后弹丸撞击齿面所形成的凹痕深度将远大于其波谷的深度(参见图2中D3)，齿面粗糙度加大在所难免；而在强化喷丸之后，控制低强度再次喷丸，使之处于a＜D≤a+b的状态，则弹丸将主要对原先的波峰起平整作用，即弹丸会撞击已经形成的波峰，降低该波峰的高度，从而达到抑制齿面粗糙度的理想效果。

在以上理论分析和反复试验验证的基础上，申请人提出了本发明的齿轮齿面喷丸强化精整方法，对于齿表硬度为58-60HRc、要求喷丸强度0.5-0.6A(A是采用阿尔门A试片测试的饱和弧高值，单位mm；饱和弧高值指在一倍于饱和点喷丸循环次数下，弧高值增量为10％时的试片弧高值)、喷丸强化覆盖率≥100％、喷丸精整覆盖率≥200％的齿轮齿面，采用直径0.8±0.1mm、硬度大于60HRc的弹丸，喷嘴与工件表面距离100-200mm，并按以下步骤进行喷丸处理：

第一阶段、强化喷丸

步骤一、确定强化参数——喷嘴气压0.3±0.05MPa，弹丸流量2.5±0.2kg/min；

步骤二、测一次覆盖率——按强化参数完成一次喷丸循环后，测得一次覆盖率C1；

步骤三、求强化喷丸循环次数——根据预定的强化覆盖率按下式圆整确定强化喷丸循环次数：n＝log_(1-C1)(1-Cn)，式中n为强化喷丸循环次数，Cn为n次循环后达到的强化覆盖率、单位百分比，C1为测得的一次覆盖率、单位百分比；

以上根据阿拉米夫平均覆盖率方程：C＝100{1-exp(-nr²·R·t)}(式中，C为覆盖率百分比，r为凹痕半径，R为形成凹痕的平均速度，t为形成凹痕所需时间)，可以看出覆盖率只能随n的不断增大越来越接近100％，强化覆盖率Cn理论上不可能完全达到100％，在实际生产中，将覆盖率98％视为等同100％覆盖率，即以98％的等同覆盖率作为强化覆盖率；

步骤四、完成强化喷丸——以强化参数控制喷嘴气压和弹丸流量，进行圆整n次循环的强化喷丸；

第二阶段、精整喷丸

步骤五、确定精整参数——取强化参数中喷嘴气压的30％±5％作为精整喷丸的喷嘴气压，或取强化参数中弹丸流量的4-5倍作为精整喷丸的弹丸流量；

步骤六、测单次覆盖率——按精整参数完成一次喷丸循环后，测得单次覆盖率C1’；

步骤七、求精整喷丸循环次数——按下式圆整确定等效喷丸循环次数：n’＝log_(1-C1‘)(1-Cn’)，式中n’为等效喷丸循环次数，Cn’为n’次循环后达到的等同覆盖率、单位百分比，C1’为测得的单次覆盖率、单位百分比；根据预定的精整覆盖率与等同覆盖率的比例关系，由等效喷丸循环次数求得精整喷丸循环次数N；

步骤八、完成精整喷丸——以精整参数控制喷嘴气压和弹丸流量，进行N次循环的精整喷丸。

由于上述步骤六的工件已经经过强化喷丸，因此难以直接测得单次覆盖率C1’，此时先在强化喷丸后的工件表面涂上荧光剂，按精整参数完成一次喷丸循环后，再借助紫外光照射测得单次覆盖率C1’。

通过第一次强化喷丸，使齿轮齿面获得所要求的喷丸强度以及覆盖率，而第二次精整喷丸通过减小喷嘴气压或加大弹丸流量，均可达到降低喷丸强度的目的，从而可以降低强化喷丸所造成的齿面粗糙度增加，达到抑制齿轮齿面粗糙度的目的，同时较低强度的精整喷丸依然会在齿面表层再次引入一层低应力层，该应力层可进一步提高齿轮表面耐磨性，增加齿轮寿命。这样，在第一次强化喷丸达到工艺要求后，无需转移工件以及更换弹丸，继续在同一台喷丸设备进行第二次低强度的精整喷丸即可，十分方便。

附图说明

图1为第一次强化喷丸增加工件表面粗糙度示意图；

图2为不同弹丸影响深度D对粗糙度影响示意图；

图3为两次喷丸所形成的应力分布曲线示意图；

图4为本发明实施例的强化喷丸饱和曲线图；

图5为本发明实施例一齿轮喷丸前齿面轮廓线示意图；

图6为本发明实施例一齿轮强化喷丸后齿面轮廓线示意图；

图7为本发明实施例一齿轮精整喷丸前齿面轮廓线示意图；

图8为本发明实施例二齿轮喷丸前齿面轮廓线示意图；

图9为本发明实施例二齿轮强化喷丸后齿面轮廓线示意图；

图10为本发明实施例二齿轮精整喷丸前齿面轮廓线示意图。

具体实施方式

本发明提出的齿轮喷丸强化精整方法，通过如下具体实施例详细说明。具体实施例所涉及设备参数见表1，设备由压缩空气驱动弹丸投射，并具备空气压力可调节装置和弹丸流量调节装置。

表1

弹丸型号/直径/硬度	CW-32/0.8mm/≥60HRC
		工作台转速(rpm)	6
Z轴上下速度(mm/min)	50
		工件与喷嘴距离(mm)	160
喷嘴数量(个)	2

实施例一

对于齿表硬度为58-60HRc、要求喷丸强度0.5-0.6A、喷丸强化覆盖率≥100％、喷丸精整覆盖率≥200％的齿轮齿面，在开信KX-2220P型气压式喷丸机上，采用直径0.8mm、硬度大于60HRc的弹丸，喷嘴与工件表面距离160mm，按以下步骤进行喷丸处理：

第一阶段、强化喷丸

步骤一、确定强化参数——喷嘴气压0.3MPa，弹丸流量2.5kg/min；该参数的确定可以借助Almen试片，测试循环1、2、4、8次喷丸后的强度、饱和曲线，如图4所示，饱和强度为0.5176A(mm)，饱和循环次数为1.526，即试片在循环2次时达到饱和点。

步骤二、测一次覆盖率——按强化参数完成一次喷丸循环后，测得一次覆盖率C1＝70％。

步骤三、求强化喷丸循环次数——根据预定的强化覆盖率≥100％按下式确定强化喷丸循环次数：n＝log_(1-C1)(1-Cn)，式中n为强化喷丸循环次数，Cn为n次循环后达到的强化覆盖率(按98％计)，C1为测得的一次覆盖率(70％)，由此计算得出n＝3.249(圆整为4)，即本实施例齿轮在强化喷丸循环4次视为达到100％覆盖率要求。

步骤四、完成强化喷丸——以强化参数控制喷嘴气压和弹丸流量，进行圆整n＝4次循环的强化喷丸。

第二阶段、精整喷丸

步骤五、确定精整参数——改变强化参数喷嘴气压，取其约30％、即0.1MPa作为精整喷嘴气压。

步骤六、测单次覆盖率——在强化喷丸后的工件表面涂上荧光剂，按精整参数完成一次喷丸循环后，借助紫外光照射测得单次覆盖率C1’＝60％。

步骤七、求精整喷丸循环次数——按下式确定精整喷丸循环次数：n’＝log_(1-C1‘)(1-Cn’)，式中n’为等效喷丸循环次数，Cn’为n’次循环后达到的等同覆盖率(按98％计)，C1’为测得的单次覆盖率(60％)，由此计算得出n‘＝4.269，即本实施例齿轮当精整喷丸循环5次时视为达到100％覆盖率；根据理论分析和试验优选确定预定的精整覆盖率≥200％，按与等同覆盖率的关系，可以得到精整喷丸循环次数N＝10，即为满足200％的精整喷丸覆盖率要求，本实施例中的精整喷丸循环次数为10次。

步骤八、完成精整喷丸——以精整参数控制喷嘴气压和弹丸流量，进行圆整N＝10次循环精整喷丸。

结果，齿轮喷丸处理前后表面轮廓线以及粗糙度对比如图5、6、7以及表2所示。

表2

图3为两次喷丸所形成的应力分布曲线示意图，第一次强化喷丸的强度高，喷丸前的表面粗糙度小，弹丸可以影响更深层次的钢材，所形成的应力层更深；第二次精整喷丸所形成的应力较小，并且应力层分布较浅，该应力层的存在可进一步提高齿轮表面耐磨性，增加齿轮寿命。因此，齿轮强化喷丸完成后，直接在该喷丸机内完成低强度的精整喷丸，精整喷丸不仅可以有效抑制粗糙度，而且在齿面表层再次引入一层低应力层，进一步提高了齿轮表面耐磨性，增加齿轮寿命。

实施例二

本实施例的基本过程与实施例一相同，除步骤五和六之外的操作与实施例一一样，不同的是强化喷丸后，使用了较大的弹丸流量投射进行精整喷丸，即步骤五、确定精整参数——改变弹丸流量取强化参数2.5kg/min的4(4-5均可)倍，本实施例中精整喷丸弹丸流量为10kg/min。研究表明，由于喷丸射流中喷出的弹丸量取决于设定的弹丸数量，对于固定的空气压力或抛轮转速，较高的弹丸流量意味着较低的喷丸强度，在撞击齿面时会获得较小的凹痕，更有利于抑制粗糙度。

此外，步骤六中测得精整喷丸单次循环覆盖率C1’＝90％，通过n’＝log_(1-C1‘)(1-Cn’)，由此计算得出n’＝1.699，即本实施例喷丸循环2次视为达到100％覆盖率要求，为满足200％精整喷丸覆盖率要求，其精整喷丸循环次数N＝4次。

齿轮喷丸前后表面轮廓线以及粗糙度对比如图8、9、10和表3所示。

表3

根据阿拉米夫平均覆盖率方程：C＝100{1-exp(-nr²·R·t)}(式中，C为覆盖率百分比，r为凹痕半径，R为形成凹痕的平均速度，t为形成凹痕所需时间)，喷丸时弹丸流量越大，则R越大，在达到相同的覆盖率时，凹痕越小、R约小，则所需的喷丸循环次数越多，为达到理想的粗糙度抑制效果，上述实施例1较实施例2精整喷丸应采取相对更多的喷丸循环次数。

总之，采用本发明后可以通过在同一台喷丸设备用同一种弹丸进行两次喷丸处理，切实满足喷丸强度和覆盖率的同时，有效抑制齿面粗糙度的工艺要求，由于无需转移齿轮以及更换弹丸，因此操作十分简单，显著降低喷丸生产成本。

Claims (2)

1.一种齿轮齿面喷丸强化精整方法，其特征在于：对于齿表硬度为58-60HRc、要求喷丸强度0.5-0.6A、喷丸强化覆盖率≥100％、喷丸精整覆盖率≥200％的齿轮齿面，采用直径0.8±0.1mm、硬度大于60HRc的弹丸，喷嘴与工件表面距离100-200mm，并按以下步骤进行喷丸处理：

第一阶段、强化喷丸

步骤一、确定强化参数——喷嘴气压0.3±0.05MPa，弹丸流量2.5±0.2kg/min；

步骤二、测一次覆盖率——按强化参数完成一次喷丸循环后，测得一次覆盖率C1；

步骤三、求强化喷丸循环次数——根据预定的强化覆盖率按下式圆整确定强化喷丸循环次数：n＝log_(1-C1)(1-Cn)，式中n为强化喷丸循环次数，Cn为n次循环后达到的强化覆盖率，以98％的等同覆盖率作为强化覆盖率，C1为测得的一次覆盖率；

步骤四、完成强化喷丸——以强化参数控制喷嘴气压和弹丸流量，进行圆整n次循环的强化喷丸；

第二阶段、精整喷丸

步骤五、确定精整参数——取强化参数中喷嘴气压的30％±5％作为精整喷丸的喷嘴气压，或取强化参数中弹丸流量的4-5倍作为精整喷丸的弹丸流量；

步骤六、测单次覆盖率——按精整参数完成一次喷丸循环后，测得单次覆盖率C1’；

步骤七、求精整喷丸循环次数——按下式圆整确定等效喷丸循环次数：n’＝log_(1-C1‘)(1-Cn’)，式中n’为等效喷丸循环次数，Cn’为n’次循环后达到的等同覆盖率，C1’为测得的单次覆盖率；根据预定的精整覆盖率与等同覆盖率的比例关系，由等效喷丸循环次数求得精整喷丸循环次数N；

步骤八、完成精整喷丸——以精整参数控制喷嘴气压和弹丸流量，进行N次循环的精整喷丸。

2.根据权利要求1所述的齿轮齿面喷丸强化精整方法，其特征在于：所述步骤六中先在强化喷丸后的工件表面涂上荧光剂，按精整参数完成一次喷丸循环后，再借助紫外光照射测得单次覆盖率C1’。