矿用汽车齿轮喷丸强化工艺的研究与应用

结合国外齿轮喷丸强化的有关标准和技术要求，对矿用汽车重载硬齿面齿轮的喷丸强化工艺进行了系统的研究，充分说明了齿轮喷丸强化是提高齿轮疲劳强度和使用寿命最为有效的手段，同时进一步阐明了：①什么是真正的喷丸强化②真正的喷丸强化又会产生怎样的实际效果③在真正的喷丸强化中应注意的事项。
 

希望国内同行通过对本文的学习和了解，可以不走我们走过的弯路，从实践中获益。文中虽以矿用汽车重载硬齿面齿轮为例，但推而广之可适用于任何重载硬齿面齿轮的喷丸强化。
 

我单位长期以来按美国TEREX:TR50、TR60、TR100矿用汽车传动齿轮的原版图纸进行生产。原版图中对齿轮提出了严格的喷丸强化要求，为了满足原版图中的技术要求，达到美国有关标准的规定，我们先后对国内、外有关喷丸强化的技术资料和有关标准进行了系统的学习、消化、吸收和深入的研究，现将这方面的心得和体会整理成文，并将此文奉献给国内的同行，以达到在借鉴我们的经验和教训的同时，不走和少走我们曾经走过的弯路的目的，以求共进。
 

一、  齿轮喷丸强化的基本概念及原理
 

1.齿轮喷丸强化的基本概念：

高速喷射的弹丸颗粒连续不断撞击齿面的过程，如同无数小锤对齿面进行锤击，使齿面产生极为强烈的塑性形变，使齿面产生一定厚度的冷作硬化层，这一硬化层即齿面的强化层，由此产生强化及表面压应力，达到提高齿轮疲劳强度和提高使用寿命的一项表面冷处理强化技术。

喷丸强化也称之为强化喷丸或受控喷丸。
 

2.齿轮喷丸强化的重点部位：

因传递扭矩而使齿根部位受到很大的交变弯曲应力，特别是齿根处要有足够的强度。因此,对于①在渗碳淬火后需磨齿的齿轮，不论采用哪一种磨齿工艺，齿轮喷丸强化的重点是对齿根部位的强化。②经表面淬火或辉光离子氮化后不需磨齿的齿轮，齿轮喷丸强化的重点仍是对齿根部位的强化。
 

3.齿轮喷丸强化的原理：

齿轮喷丸强化是一种受控的喷丸技术，是将高速的弹丸流连续不断撞击齿面，使齿面在弹丸流的撞击作用下发生塑性变形（塑性变形层的厚度通常处于0.1-0.8mm之间）。这一影响延伸到齿轮材料的表层，在表层下产生较高的残余压应力、加工硬化和组织细化等有利的变化，抵消不良的拉应力，该残余压应力延缓了的疲劳断裂的形成，有效的提高了齿轮的疲劳强度，延长了齿轮的使用寿命。

材料表面层内的变形具有循环塑性变形的特性。循环应变的结

果使材料的表面形成“应变硬化”层或“应变硬化+应变软化”层，统称循环应变层，简称应变层。

应变层内发生两种变化：组织结构（位错密度及形态、亚晶粒尺寸、相转变等）的变化和残余应力的变化。合理地控制应变层内的这些变化，可以改善零件的表面完整性，从而可以提高零件在室温下和某些零件在高温条件下的疲劳断裂抗力和应力腐蚀开裂抗力。
 

二、  齿轮喷丸强化的工艺参数

喷丸强化的工艺参数：

弹丸直径

弹丸速度

弹丸流量

喷射角度

喷射距离

喷射时间

覆盖率等

其中任何一个参数的变化都会不同程度的影响喷丸强度，影响喷丸强化的效果。测评喷丸强化质量有两个基本参数：即喷丸强度和覆盖率。覆盖率是通过目测，而喷丸强度需利用阿尔门试片进行测量。

A.喷丸强度的测量和ALMEN试片及图纸上标注方法

1．喷丸强度的测量方法

①阿尔门（ALMEN）弧高值测定法： 目前，国内、外应用最广的方法是采用美国SAE442A和SAE443标准中规定的阿尔门（ALMEN）弧高值测定法，即使用一定规格的弹簧钢试片，通过检测喷丸强化后的形状变化来反映喷丸效果，具体测量方法见图1所示。

图1 喷丸强化测量及试片弧高图

②残余压应力检测法：采用美国SAEJ784A标准中规定的检测方法，经喷丸强化后的齿轮进行残余压应力的检测，具体的检测方法为X射线衍射法。

2．ALMEN试片

①材料：70号（或65Mn）冷轧弹簧钢带。

  ②采用弧高度试片测定受喷齿轮的强度，其试片规格与技术要求详见表1。

表1 标准弧高度试片的尺寸参数及技术要求

试片的应用范围见表2所示

在弧高为0.15～0.60mm的喷丸强度范围内，使用试片A；强度低时使用试片N；强度高时使用试片C。

表2 各种试片的适用范围

3．齿轮喷丸强化在图纸上的标注方法

   包括测量仪读数和使用的试片类型，例如：0.45A

0.45表示测量仪读数：0.45mm        

试片型号为：A型  

B.覆盖率

覆盖率是指工件表面经喷丸处理后，弹丸压痕面积与被喷工作表面的比值，100%的覆盖率是指原工件表面全部布满弹丸压痕，可用10X放大镜目测，也可根据荧光示踪器在扫描表面时的颜色来判断；如果在紫外光下没有任何颜色显示，则表明工件表面已达到100%覆盖率。检查覆盖率时，应以检查工件为准，而不是ALMEN试片,应该检查实际工件所有要求喷丸的区域是否全部被覆盖。

受喷工件在喷丸过程中，从开始喷丸到受喷部位达到100%覆盖盖率时所需要的时间即喷射时间，要求将这一时间做好记录。如TEREX矿用汽车件号为：9195847的齿轮，要求300%的覆盖率，则用达到100%覆盖率所需喷丸时间乘以三倍来实现。

C.弹丸的质量和种类及弹丸硬度的选择

1.弹丸的质量

弹丸质量和弹丸速度，决定了喷丸强化效果的稳定性。对一定喷丸设备和工件而言，弹丸质量对喷丸强化效果影响很大，一般规律是：

①弹丸直径小，工件表面残余应力较高，但强化层较浅。

① 弹丸直径大，工件表面残余应力较低，但强化层较深。

② 弹丸硬度高，喷丸强度也高。

③ 弹丸直径增加，喷丸强度也增加。

⑤弹丸速度增加，喷丸强度、表面压力和强化层深三者均增加。

2.弹丸的种类

喷丸强化使用的弹丸通常有以下几种：

铸铁弹丸、铸钢弹丸、不锈钢弹丸、钢丝切割弹丸、玻璃弹丸、陶瓷弹丸。

注有 ﹏﹏标记为硬齿面齿轮常用的弹丸。在齿轮喷丸强化

中，最有发展前途的弹丸为钢丝切割丸。

3.弹丸硬度的选择

选择弹丸时，应使弹丸的硬度大于或等于齿轮喷丸表面的硬度，TEREX矿用汽车传动齿轮原版图纸中，齿面的硬度要求在58～62HRC，因此最好选用硬度为55～65HRC的弹丸，同时要求弹丸硬度的一致性要好，以便喷丸强化后得到满意的压应力效果和表面强化层深度。

三、齿轮喷丸强化的注意事项

1.对齿轮的无损检测（磁粉探伤和着色探伤）应在齿轮喷丸强化前进行，因为喷丸强化时表面的塑性流变会将细微裂纹掩盖起来。

2.较高的温度（232Cº以上）会使残余压应力释放，削弱喷丸效果。据有关资料表明：西安交大何家文教授对这种压应力进行了专门研究，该压力随温度的上升而逐渐衰减，一般在400Cº左右就衰减完毕。因此，所有的热处理工艺必须在喷丸之前完成。

3.一般来说，所有的机械加工也应在喷丸强化前完成。 齿轮喷丸强化前应检查所有的加工项目，是否符合图纸的要求，包括尺寸、形位公差、表面粗糙度等要求（含内、外圆角及抛光要求等）。

4. 齿轮喷丸强化前应清除零件表面的灰尘、油污、腐蚀物等；除另有规定者外，也应去除零件的防护层。

5.如果在齿根部位存在明显的加工刀痕，就应施以足够的喷丸强度以产生足够的压应力深度来抵消刀痕的不利作用。喷丸时所用的弹丸丸粒直径，应小于齿根过渡圆角曲率半径的一半。

6.目前国外对齿轮的表面残余压应力要求为800～1200MPa，单纯靠渗碳淬火很难达到，通过二次喷丸强化（也有称之为复合喷丸）就可以满足这一要求。喷丸强化所形成的残余压应力值，通过X射线衍射仪进行测定。

7.在图纸中已注明不要求喷丸的部位，应加以保护、采取遮盖措施。

8.在喷丸过程中，弹丸尺寸和形状必须严格控制，尽量减少破裂的碎粒。因为这些带尖棱角状的碎粒会损伤齿轮的表面；同时因密度的降低，而使达到喷丸强度所需的时间加长，应定期对弹丸进行检查，以控制弹丸的尺寸和形状在规定的范围内；弹丸质量应符合以下两点的要求：

①弹丸必须具备一定的冲击韧性，其几何形状应接近于球形，切忌带尖棱角状；

②在喷丸和内循环使用的弹丸总量中，符合名义尺寸的弹丸，按重量计算不得少于80%。

9.测量时所用的标准弧高度ALMEN试片应符合表1的规定。

弧高度测量装置包括固定试片夹具及弧高度的测量应符合图1中的规定。

四、齿轮喷丸强化的质量控制

 1.根据钢铁零件的工作状态及对性能的要求，喷丸强度值根据产品图样的技术要求而定，一般为0.35A以上。

2.表面覆盖率应符合图纸的技术要求，一般应不低于200%，美国TEREX矿用汽车重载齿轮齿面覆盖率要求为300%。

3.对不同的齿轮应选用合适的喷丸强度，对于极薄的或小断面的零件，不得选用较高的喷丸强度，以防在零件的中心部位产生残余应力而引起变形。

4.对齿面喷丸强化力度不够的齿轮（简称为欠喷），可以补喷至要求；齿面过度喷丸强化的齿轮（简称为过喷），应加以避免，过喷容易在齿面产生微细裂纹而产生疲劳源，成为齿轮抗疲劳长寿命的隐患。因此，对过喷应引起足够的重视。

5.喷丸强化后的齿轮除用喷丸方法外，不要用其他任何机械方法校形。

6.强化喷丸后，如需对齿轮进行加热，加热温度应控制在200ºC范围以内。

7.已喷丸强化的齿轮表面如需进行磨削或抛光时，去除的表面深度不超过喷丸强度试片A弧高值的10%。

8.不应在齿轮喷丸强化后的部位做硬度试验。

9.齿轮喷丸强化后应防止腐蚀，直到下一工序。

五、齿轮喷丸强化后在磨齿中的注意事项

1、磨齿工艺的简介

1先喷丸强化再磨齿的工艺（在国内应用这一工艺的厂家比较多见）。

2先磨齿再喷丸强化的工艺（这一工艺国外比较多见，在国内应用的厂家较少）。

2、两种工艺在磨齿中均不允许磨削齿根部位

不允许磨削齿根部位具有以下好处：

①避免热处理后齿根硬度的降低，保持渗碳淬火及喷丸强化后在齿根形成负的压应力层。一旦齿根部位被磨削，不但在齿根部位会丧失有利的残余压应力，还会在齿根部位产生有害的拉应力，将会对齿轮的疲劳强度和使用寿命带来严重的威胁。

②齿根沟槽槽底狭小，散热能力差，以及过度曲线处余量大小变化大，砂轮工作条件差，在磨齿中容易产生磨削烧伤和磨削裂纹。

③齿根槽底磨削条件差，砂轮外圆磨粒容易脱落和磨损，从而影响磨齿质量。

④从抗断齿能力来看，齿根处要有一定量的根切，齿根没有一定的根切量，磨齿时不可避免的在齿根产生凸台，这将造成严重的应力集中，对抗断齿能力影响很大，发生凸台是绝对不允许的。

总之，齿轮喷丸强化后不磨齿根可以显著的提高齿轮的疲劳强度和承载能力，避免磨齿损伤，提高磨齿质量，降低磨齿负荷，提高生产率。

3.两种工艺在磨齿中只允许磨削渐开线齿形部分

现代硬齿面齿轮在磨齿中的磨削部位只磨渐开线起始圆以上，渐开线终止圆以下的渐开线齿形部分。

4.为实现不磨齿根必须采用磨前滚刀进行齿形的预加工

①对磨前滚刀简介

用普通的齿轮滚刀已无法满足上述工艺的要求。因此在滚齿中，必须使用有触角的磨前滚刀。磨前滚刀与普通滚刀的不同之处在于磨前滚刀的刀齿的顶部采用带触角的刀头，见图2（a）所示。

       

 

 图2 a磨前滚刀齿形示意图 

 b用磨前滚刀滚齿后的磨齿余量示意图

在齿轮齿根处有一定量的根切，目的是使被加工齿轮的齿根部位预先成型，同时将齿面大部分余量切除，在齿形齿厚处均匀留出磨齿时的余量，见图2（b）所示。以便渗碳淬火及喷丸强化后，在磨齿中实现不磨齿根的要求。

②对磨前滚刀齿形的要求：

（1）齿轮的留磨余量要均匀；

（2）磨前齿轮在齿根处要一定根切；

（3）磨后齿轮的渐开线线要足够长。

六、部分齿轮生产厂家在齿轮喷丸强化上存在的误区

1.部分齿轮生产厂家的有关人员错误认为：“长期以来出厂的齿轮也没有做喷丸强化不是也卖出去了吗？”；“生产的齿轮只要能用就行了”，认为齿轮强化喷丸是多此一举。需方提供的图纸上注明要求喷丸强化，也因此取消了。需方的有关人员不专业，图纸上虽有喷丸强化的要求，但在入厂验收时，仅仅只对加工尺寸、公法线或跨棒距进行复检作为验收时的依据。而对喷丸强化方面往往被忽略不作要求，供需双方在喷丸强化方面没有制约，图纸上对喷丸强化的要求形同虚设，也是喷丸强化得不到落实的一个原因所在。

总之，对齿轮喷丸强化的作用认识不足，对这一重要的工艺措施尚未引起足够的重视。所谓国产齿轮比不上进口齿轮，这也许是其中原因之一。

2.部分的齿轮厂家误认为：“抛丸清理机=喷丸强化机”；“齿轮只要经过抛丸清理，就已经喷丸强化了。”

 “抛丸清理机”的主要功能：

①对铸件毛坯的清砂清理；

②对锻件毛坯及热处理以后的工件表面氧化皮进行清理。

抛丸清理机是利用旋转的叶轮产生的离心力将弹丸加速抛向工件，抛出的是扇形弹丸流。弹丸的出口速度与叶轮的转速和回转直径成正比，一般转速在2000～3000n/min,抛丸的投射速度（初速度）为50～60m/s，最高时可达到75m/s，抛丸清理机清除工件表面氧化皮时，要求弹丸末速不应小于50m/s。

喷丸强化机利用高压空气直接喷射，弹丸由喷嘴喷出，可以通过控制喷丸压力、喷丸流量等工艺参数来调节弹丸的喷射速度，弹丸的出口速度一般控制在180～200m/s，最大时可达到220m/s。另外喷嘴喷出的喷丸喷射面积小，可根据喷嘴直径集中喷射在φ15～30mm的范围内，从而实现局部喷丸，例如只对齿轮齿根部位的强化喷丸。

齿轮喷丸强化的设备铭牌上标记的是“齿轮喷丸强化机”，以清理为目的的设备铭牌上标记就是“抛丸清理机”，不是同一档次，根本无法替代。因此“抛丸清理机”的作用以清理为主，对齿轮强化的作用非常有限。

“抛丸清理机≠喷丸强化机”。

3.什么才是真正的齿轮喷丸强化

喷丸强化最大的特点是一种受控的喷丸技术，实现齿轮真正的喷丸强化就必须采用受控的喷丸设备---齿轮数控喷丸强化机。数控机械手喷丸强化机是实现高精度数控喷丸强化的专用机械，主要由喷丸室、数控机械手喷枪运行机构、工件运行机构、磨料回收机构、磨料分离机构、喷丸机构、除尘机构、电器控制系统等部件组成。国内喷丸强化机的制造厂家已生产出5轴4联动、7轴5联动、转盘回转式等多款数控机械手喷丸强化设备。他们的性能具有共同的特点：喷枪运行机构可根据工件的具体形状、进行预设定、能执行直线、摆动、旋转等多轴运动，运行误差小，重复精度高；喷丸压力、弹丸流量、喷射角度等影响喷丸强化效果的核心参数全由数字控制，精度高；磨料回收采用先进的蜂窝地板气力回收技术，无需地坑；数控系统，界面人性化。从而能保证实现真正的喷丸强化效果。

在喷丸强化设备方面，上海开信机械制造有限公司率先自主研发的数控喷丸强化机，一举填补了国内市场的空白，已经取代进口机床，成为市场首选。

七、齿轮喷丸强化的实际效果

1.喷丸强化能显著提高齿轮的疲劳强度

根据在国内、外应用的实际情况，结合我单位在生产实践中的体会，主要从以下几个方面进行论述：

①提高了齿轮表面的硬度

齿轮经喷丸强化后，由于残余奥氏体向马氏体转变，以及受到高的残余压应力、表面加工硬化和组织细化综合作用的结果，因此明显提高了齿面的硬度。

②细化了齿轮表面的组织

齿轮在热处理后，齿面接受高速喷射的弹丸流连续不断地撞击，可将残余奥氏体转化为马氏体，马氏体针明显较未喷丸的齿轮细小致密，起到了细化马氏体亚结构的作用，有利于残余压应力的提高。

③显著提高了齿面的残余压应力

齿轮经喷丸强化后，最大的残余压应力值位于齿面下约0.05（mm）处，其残余压应力可高达800～1200MPa。当齿根存在微细裂纹时，残余压应力可抑制裂纹的扩展；当残余压应力层深约为裂纹深度5倍时，即可消除裂纹的影响。残余压应力对齿轮弯曲疲劳强度影响很大，齿面的残余压应力可降低弯曲拉应力的峰值。

④减少了齿面的非马氏体组织对性能的影响

通过喷丸强化能把齿面在热处理过程中形成的不良组织（如渗碳齿轮表面的黑色组织---非马氏体、内氧化、脱碳层及过多的残余奥氏体组织）对性能的影响，降低到最小程度。

2.喷丸强化能显著提高齿轮的使用寿命

根据国内、外有关资料表明，对承受循环弯曲交变载荷的齿轮进行喷丸强化，可有效的提高其疲劳极限，喷丸强化特别能有效的提高应力集中部位的疲劳强度；可消除机械加工过程中（如对齿轮齿面的磨削及轴类齿轮校形处理）所产生的拉应力；同时改善齿轮因连续刀痕或凹槽，孔和过渡圆角等结构因素所导致的应力集中现象。喷丸强化后能显著减小齿轮使用寿命的分散性，可延长齿轮的使用寿命几倍、几十倍、甚至几百倍。

八、某单位对齿轮抛丸清理强化的实例

1.某单位按美国原版图纸生产的齿轮种类较多，现仅以TEREX 3311E矿用汽车传动齿轮件号（9195847）的齿轮为例，该齿轮在原版图纸上对齿轮喷丸强化的要求：

①对齿根部位采用钢丝切割丸进行强化。

②喷丸强度要求：阿尔门弧高0.55（mm）A。

③覆盖率300%。

2.使用的设备：两台吊钩式抛丸清理机。

3.对强化后的齿轮送检

将某单位在抛丸清理机上强化的三个件号为（9274893）齿轮，送上海交通大学材料科学与工程学院做X射线残余压应力检测。附测试报告于后：

现就测试报告的内容说明如下：

1齿轮No1—系某单位强化的齿轮。

2齿轮No2、齿轮No3—系上海开信机械制造有限公司在齿轮喷丸强化机上所做的齿轮。

结论：齿轮No1不合格。

齿轮No2和齿轮No3合格。

4.送检的No1齿轮不合格的主要原因：

①抛丸清理机对齿轮的强化的作用非常有限，也即“抛丸清理机≠齿轮喷丸强化机”。

②对齿轮喷丸强化认识不足、重视不够，缺乏全面的了解。

5.从根本上解决问题的措施:

①选购真正的齿轮喷丸强化机。

②执行正确的齿轮喷丸强化工艺。

③加大提高操作工人和质检人员的专业技术水平的力度，强调对每批喷丸的齿轮均有代表批次的弧高值试片；出厂的齿轮应有弧高值的报告。

九、结束语

随着国际竞争的不断加剧和对齿轮寿命要求的不断提高，喷丸强化是提高齿轮的抗疲劳性能，实现长寿命的重要工艺措施之一，为了适应市场的需要，提高企业的市场竞争能力，对矿用汽车重载齿轮进行真正的喷丸强化势在必行。