齒輪強化：強度

szapmc

汽車設(shè)計工程師們已經(jīng)充分了解利用強化工藝能大幅度延長傳動零件的安全使用壽命。通常，強化被視作一道熱處理后的工序，對于一些關(guān)鍵部件，如環(huán)形齒輪，行星齒輪，強化是生產(chǎn)工藝中最后一個重要步驟。
強化的原理，就是金屬表面受到高速金屬顆粒束的連續(xù)捶擊，即在其表面導(dǎo)入一個壓應(yīng)力。基于這個機制，好像看來找一臺可以進行強化的機器并不困難。然后，事實證明過早的傳動失效和產(chǎn)品退貨，讓不少齒輪廠商不得不重新審視這道看似簡單的加工工藝。
' R3 g6 G/ ]' c) p, I8 D噴丸強化的機理和效果
金屬介質(zhì)（鋼珠或切絲丸）的連續(xù)撞擊，造成零件表面的塑性形變。該效果延伸到形成壓應(yīng)力的表面層之下的區(qū)域，抵消那里原有的拉應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力延緩疲勞裂紋的形成，從而提高零件的抗疲勞強度，延長疲勞壽命。
熱處理后，齒輪表面受到的連續(xù)強化介質(zhì)的捶擊，將殘余奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體。這能增加材料硬度。
就齒輪而言，最大的剪切應(yīng)力出現(xiàn)在齒根部和過渡區(qū)圓角部位。齒輪驅(qū)動面和齒面邊緣承受不斷增加的載荷。因此，齒輪強化重點部位是
& {: g6 d( I/ l: g9 I- 驅(qū)動面
$ y9 N0 |: x( ~, U- 齒面邊緣
- E6 a9 Z- A7 W- K# o- 齒根部位
! A: M; L4 I- c5 c; i每種齒輪，要求的強化強度和覆蓋率不盡相同，要根據(jù)其實際應(yīng)用而定。覆蓋率是個目測的過程，而強化強度則需要通過一種特制的彈簧鋼試片（稱為阿爾門試片）進行測定。
3 a# u  ]0 V- R  w5 }) ^# X* Z% ~強度測試
零件校正工具（PVT），設(shè)計用于將試片固定于一些特定位置。試片在這些位置時，可以模擬零件需要進行強度測定的區(qū)域。
根據(jù)不同應(yīng)用，強度范圍可在0.015-0.030 （”A” Scale），覆蓋率可在100%至200%。
可通過幾種不同方式達到以上齒輪強化效果，每種方式各有優(yōu)點，
: `& q/ q; @% D. T% I- 離心力拋頭式拋丸強化
- 壓縮空氣噴嘴式噴丸強化
- 混合式（拋丸+噴丸）
介質(zhì)拋射類型
& e! ]/ d$ s' F& k如果以產(chǎn)量列為主要考量因素，離心力拋頭拋射方式是最理想的。拋頭拋射器產(chǎn)生的介質(zhì)流可以單位時間內(nèi)覆蓋較大的面積。然后，該工藝受限于齒輪尺寸。對于較小型的齒輪，其齒根部位狹窄，那就需要用多個拋頭，固定在不同的角度，才能達到要求的覆蓋率。
另一種方式，即利用多個壓力式噴嘴，對特定的齒根區(qū)域直接且更精確的噴射，以達到所需的覆蓋率。
! C" o7 v0 }# @這兩種強化方式都普遍應(yīng)用于齒輪生產(chǎn)中，相對而言，噴丸強化應(yīng)用更為廣泛些，因為它在技術(shù)和精確度方面較為優(yōu)勢。
1 y2 Y. O; i) U. N第三種噴丸和拋丸混合式強化系統(tǒng)，盡管其應(yīng)用較不普遍，但它的優(yōu)勢在于同一臺機器，既能利用拋頭拋射，以保證較高的產(chǎn)能，又可利用一個壓力噴嘴，對特定區(qū)域進行集中性地、更為精準(zhǔn)地噴丸強化。
4 M4 U$ ?4 P6 H: A7 w$ M工藝參數(shù)
無論使用哪種強化技術(shù)，它們的最終目的都是為了以一種持續(xù)、恒定、高重復(fù)性方式達到所需的強度。因此，很重要的一點是必須充分了解哪些關(guān)鍵參數(shù)會影響最后的強化效果。這些參數(shù)包括
離心式拋頭強化：
; M6 f" O) i5 m& h( Z( t* E, _- 拋頭
- 拋頭功率
- 葉片速度
- 拋射角度
- 拋頭位置
- 定向套移動
3 m! r, H, r4 P, H" c2 D; {, J- M以上這些參數(shù)都會影響最終的強化效果：
" E- N# S' t) P/ ]1 T" k. v8 ^4 p- 拋頭直徑?jīng)Q定了介質(zhì)丸粒被切向拋出的速度。一個17.5” 直徑的拋頭比一個14”直徑拋頭在同一拋頭轉(zhuǎn)速下，能產(chǎn)生更大的切向射速，因而達到更高的強化強度
- B. Z; M* {7 _* \; D& V( i, |- 拋頭馬力決定了被拋射出去的介質(zhì)數(shù)量
- 拋頭尺寸和拋頭轉(zhuǎn)速決定了可達到的介質(zhì)射速和因而取得的強度。維爾貝萊特（集團）的拋丸強化設(shè)備裝有變頻器，能控制和改變拋頭轉(zhuǎn)速和介質(zhì)射速
- 拋頭通常永久且牢固地固定在拋丸室內(nèi)的特定位置上。如需要改變拋射方式，可通過調(diào)節(jié)定向套的設(shè)定。定向套的位置決定了介質(zhì)被拋頭射出時確鑿的方向和角度。
壓力噴嘴式噴丸強化：
- 噴嘴
- 噴嘴尺寸
- 噴射壓力
- 噴嘴角度
- 噴嘴移動
* _3 d8 M0 V5 B$ A# _- 多個噴嘴
以上這些參數(shù)都會影響最終的強化效果：
- 在較為復(fù)雜嚴(yán)密的齒輪強化噴丸系統(tǒng)中，噴嘴的壓力是由一個閉路式反饋調(diào)控器控制。發(fā)生任何偏離預(yù)設(shè)的壓力值時，系統(tǒng)會觸發(fā)警報，自動關(guān)閉機器。
/ ?; p/ C. I) U( M( t# h- 噴嘴尺寸決定了被噴射到零件表面的丸料數(shù)量，介質(zhì)射出后產(chǎn)生的能量都直接用于取得所需的強度。
- 將噴嘴置于多軸機械手上，實現(xiàn)噴嘴的可控性地擺動及轉(zhuǎn)動，以滿足零件任何形狀，不同部位的噴射需要。根據(jù)待強化齒輪的輪廓，預(yù)設(shè)噴嘴的移動走線和距離，達到高度精確和高可重復(fù)性的工藝要求。
1 m" d6 D: J6 R% I" R7 V
7 N1 @5 q* S+ g9 Y/ l注意：
如要同時噴丸強化一組行星齒輪和環(huán)形齒輪，必須注意到這兩種齒輪齒根角度是不同的。因此，需要依靠不同的、獨立的噴嘴設(shè)定以達到兩種齒輪各自所需的強化效果。維爾貝萊特（集團）的強化設(shè)備為兩種齒輪提供特定的噴嘴底座。其他工藝參數(shù)如
- 丸流流速
- 介質(zhì)顆粒大小
- 顆粒尺寸是否均勻、一致
- 流量控制閥（磁閥）能控制介質(zhì)丸流流速，在拋丸強化設(shè)備中，該磁閥安裝于拋頭喂料一側(cè)；在噴丸強化設(shè)備中，該磁閥安裝于壓力罐出口。
5 r0 c4 U* N4 g; b5 [9 E# p3 C0 l2 J- 振動篩篩分出尺寸過大，合適或尺寸過小的丸粒。使用兩個振動篩能確保每次強化過程中恒定、均勻尺寸的介質(zhì)。
- 鋼丸（或切絲）大小是決定強化覆蓋率和生產(chǎn)周期時間的關(guān)鍵因素。較小的丸粒能在零件表層產(chǎn)生較高的應(yīng)力；較大的丸粒能影響工件較深的區(qū)域，在那里達到所需應(yīng)力水平，鋼丸的直徑必須小于齒輪最小過渡區(qū)圓角直徑的一半
總結(jié)：
在過去幾年里，齒輪強化技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，原來應(yīng)用于飛機起落架強化的最復(fù)雜、精密的強化工藝已復(fù)制到對于齒輪的強化加工。其共同點，都在于對強化結(jié)果的一致恒定性，工藝的高可控性和高重復(fù)性有越來越嚴(yán)苛的要求。
; Q; j: p% X" i8 |; @9 I機械工藝和精密的流程監(jiān)控相結(jié)合，為強化生產(chǎn)提供極大的靈活度和柔性，以取得滿意的零件強化效果。
, C1 F; V% Y& D" `' n0 Y/ D% |當(dāng)今的汽車工程師們已越來越傾向利用拋丸-噴丸結(jié)合式的系統(tǒng)，來同時滿足工藝和產(chǎn)量的需要。