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磨齒后噴丸對齒面粗糙度的影響

發布時間:2020.03.09    點擊數: 13873

        新能源減速器項目中多個零件要求磨齒后噴丸,而噴丸會惡化齒面質量,甚至影響系統的NVH性能。本文研究了不同噴丸工藝條件及不同零件噴丸前后的齒面粗糙度情況,結果顯示,噴丸會使齒面粗糙度增大,增大程度受零件特性、噴丸工藝參數等多種因素的綜合影響;現有批產工藝條件下,噴丸后齒面粗糙度最大放大至噴丸前的3.1倍。討論了齒面粗糙度增大對NVH性能的影響,提出了改善噴丸后粗糙度的措施。

        作為一種表面強化工藝,噴丸已經廣泛應用在汽車、航空航天、石油化工、鐵路船用等機械領域。噴丸工藝通過高硬度、高速運動的彈丸沖擊零件表面,在表層產生殘余壓應力,從而達到提高齒輪齒面接觸疲勞強度和(或)齒根彎曲疲勞強度的目的。對于熱后磨齒加工(非全齒廓磨削)的零件,可根據不同的設計目的,在工藝流程中合理安排噴丸工序的位置。若只需要提高齒根彎曲疲勞強度,可在熱處理后噴丸;若需要提高齒面接觸疲勞強度,必須在磨齒后噴丸,以避免磨齒工序去除殘余壓應力層,但需要注意的是磨齒后噴丸會造成齒面粗糙度增大。近年來,新能源減速器項目迅速增多,其中很多零件均要求磨齒后噴丸。而新能源減速器轉速高、扭矩大,磨齒后噴丸帶來的粗糙度增大對NVH性能的影響更加明顯。

 

在上述背景下,本文從如下3個方面展開討論:

噴丸工藝參數對齒面粗糙度的影響;

現有批產工藝條件下,噴丸對齒面粗糙度的放大程度;

齒面粗糙度增大對NVH性能的影響及改善噴丸后粗糙度的措施。

 

噴丸工藝概述

       噴丸即無數高硬度、高速運動的小彈丸撞擊零件表面的過程。彈丸高速撞擊下零件表面產生凹坑,發生塑性變形,凹坑周圍組織抵抗這種變形,產生殘余壓應力,無數凹坑重疊使零件表面形成了均勻的殘余壓應力層,從而提高零件的疲勞強度。根據彈丸獲得高速度的方式,通常將噴丸分為壓縮空氣式噴丸和離心式拋丸兩種,如圖1所示。

       壓縮空氣式噴丸以壓縮空氣作為動力,將彈丸從噴槍噴出;離心式拋丸用電機帶動葉輪高速旋轉,將彈丸拋擲出去。噴丸的關鍵工藝參數包括飽和強度、覆蓋率和噴丸介質屬性(材質、尺寸、形狀、硬度)。飽和強度是表征噴丸強度的參數,用弧高值(即Almen 試片噴丸后的彎曲程度)表示;覆蓋率指噴丸后被凹坑覆蓋面積與噴丸區域總面積的比值;常用噴丸介質有鋼絲切丸、鑄鋼丸、陶瓷丸、玻璃丸等,其尺寸、形狀、硬度均有不同的等級。變速器齒軸零件通常的工藝要求如表1所示。

   

噴丸工藝參數對齒面粗糙度的影響

 

試驗零件

試驗零件為某混動項目中間軸1/6檔齒輪,齒輪結構見圖2,磨齒后齒面組織殘奧2級,表面硬度710HV30、有效硬化層深0.65mm,均在技術要求范圍內。噴丸前齒面粗糙度見表3,齒形精度見表4,可見噴丸前齒面粗糙度良好,齒形曲線平順。 

 

試驗方案與試驗參數

試驗使用壓縮空氣式噴丸機,由于試驗條件限制,無法驗證噴丸介質屬性(材質、大小、硬度)的影響,故試驗中噴丸介質屬性為常量,只驗證飽和強度和覆蓋率對噴丸后齒面粗糙度的影響,試驗方案見表2。具體試驗參數的確定過程如下:通過Almen試片試驗繪制飽和曲線(圖3),確定飽和 點,從而鎖定壓縮空氣壓力、鋼丸流量、噴嘴移動速度、噴嘴距零件距離等設備參數。

 

 

試驗結果

噴丸后齒面粗糙度數據見表3,齒形精度見表4??梢?, 4種噴丸工藝條件下,噴丸后齒面粗糙度均增大,齒形曲線均變得凹凸。用噴后粗糙度與噴前粗糙度的比值表征粗糙度放大程度(表3),可見4種工藝條件下粗糙度放大程度不同。

 

噴丸對齒面粗糙度放大程度的批量跟蹤

 

      第3節中試驗結果顯示,采用不同工藝噴丸后,齒面粗糙度均有不同程度的增大。為了更充分的了解噴丸對齒面粗糙度的放大程度,增大樣本數,選取5個項目共5種44個零件,在批產噴丸工藝條件下跟蹤噴丸前、后的粗糙度情況。跟蹤零件磨齒后理化信息及噴丸工藝信息見表5。噴丸前、后齒面粗糙度及其放大程度數據如圖4所示。圖4數據顯示,噴丸前齒面粗糙度范圍為Rz1.6μm-Rz4.3μm;噴丸后,粗糙度均增大,分布范圍為Rz2.3μm-Rz6.7μm;粗糙度最大可放大至噴丸前的3.1倍。 

分析討論

 

噴丸后齒面粗糙度的影響因素

       由噴丸的原理可知,高硬度、高速運動的彈丸在零件表面留下無數凹坑,這是殘余壓應力的來源,同時這些凹坑勢必會使表面粗糙度增大。噴丸前零件的特性以及噴丸工藝參數都會影響噴丸后的粗糙度,如表6所列。本文第3節中,4種工藝條件下,噴丸后齒面粗糙度均增大,增大程度不同。該試驗中存在噴前粗糙度和工藝參數(飽和強度或覆蓋率)兩個變量,無法準確得出噴丸后粗糙度與各單一影響因素之間的關系。目前,很多學者對此做過研究,并且在有限元模擬基礎上提出了噴丸后表面粗糙度的理論預測模型,用于預測不同噴丸工藝對應的粗糙度值。

   結合實際經驗和其他學者的研究,對各因素的影響方式可作出的推測如表6所示??梢?,噴丸后粗糙度受到多種因素的綜合影響,同時這些因素也是影響殘余壓應力大小的關鍵因素。為了在保證殘余壓應力的前提下降低噴丸后的粗糙度,需要大量的工藝試驗,不斷優化參數組合。

 

 

齒面粗糙度增大對系統NVH性能的影響

 

       齒輪零件處于動態傳動系統中,齒面粗糙程度會影響其NVH性能。文獻試驗結果顯示,在相同載荷和轉速下,表面粗糙度越大,系統的振動和噪聲越大;當載荷和轉速增大時,振動和噪聲增大更加明顯。

       近年來,新能源減速器項目迅速增多,且表現出高轉速、大扭矩的發展趨勢。目前我司新能源減速器中最大扭矩354N·m,最大轉速16000r/min,未來會提高到20000r/min以上。在這樣的使用工況下,必須考慮齒面粗糙度增大對系統NVH性能的影響。

 

噴丸后齒面粗糙度的改善措施

 

       磨齒后噴丸工藝可以提高齒輪齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度,在齒輪設計過程中,若因強度原因而必須采用此工藝,為了兼顧系統的NVH性能,可考慮從如下幾個方面改善噴丸后的齒面粗糙度: 

   a.優化噴丸工藝參數,在保證殘余壓應力的前 提下,控制噴丸后齒面粗糙度放大程度。這需要大量的工藝試驗,且工藝通用性不強。 

   b.采用復合噴丸工藝,即在正常強度噴丸完成后,再增加一道噴丸,增加的噴丸過程強度通常較小,丸料種類、尺寸可做調整,如采用陶瓷丸、玻璃丸或尺寸較小的鋼絲切丸。 

    c.噴丸后增加齒面拋光、自由珩等工序。

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