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齒輪表面的噴丸強化技術

文章出處:原創 編輯:拋丸機發表時間:2015-4-6 11:31:31 瀏覽人數:619,1,0
簡介:噴丸強化是一種受控噴丸技術,不同于噴丸清理。噴丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、銹蝕和機械加工毛刺為目的。齒輪表面的噴丸強化主要是借助于高速運動的彈丸沖擊零件的表面,使其發生彈性、塑性變形,從而產生殘留壓應力、加工硬化和組織細化等有利的變化,以提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度,是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪使用壽命的重要途徑。
一、噴丸強化機理及其作用:
1. 噴丸強化處理能改善零件表層的應力分布:
  噴丸后的殘留應力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬組織相變,其中以不均勻的塑性變形為主。噴丸后,金屬表面產生大量凹坑形式的塑性變形,表層位錯密度大大增加,而且還出現亞晶界和晶粒細化現象,如附圖所示。
零件表面對比圖
  經噴丸處理后的齒輪表層殘留奧氏體有一部分將變成馬氏體,因相變時體積膨脹而產生壓應力,從而使得表層殘留奧氏體向著更大的壓應力方向變化,因而提高了齒輪的疲勞強度。通過噴丸強化,還能消除熱處理應力,去除表面氧化皮,改善零件的缺口敏感性,并把容易引起零件失效的殘留應力轉變為壓應力,有效地限制了裂紋源的產生和擴展,較大幅度提高零件的疲勞壽命。
2. 噴丸強化可改善工件的疲勞性能:
    由于噴丸強化提高了表而壓應力而顯著改善其疲勞性能,對于承受高周波疲勞載荷的工件尤為有效。噴丸強化形成的殘留壓應力可抵消部分外加載荷。噴丸時,小尺寸球形鋼丸擊打工件表面而形成壓應力,每一彈丸的沖擊都會使金屬產生一定的塑性變形,最終表面不能完全回復而形成了永久的壓應力狀態。作為一種表面強化工藝,噴丸能在表面形成殘留壓應力相當于材料抗拉強度極限的55%~60%,而工件表面恰是容易萌生裂紋的地方。對于滲碳淬火齒輪,所形成的壓應力可達1177~1725MPa,可大大改善疲勞性能。壓應力層深度是噴丸強度(或噴丸能量)的函數,隨著彈丸尺寸或彈丸速度的增加而增加。
二、噴丸強化工藝參數:
  噴丸強化工藝對彈丸的形狀、尺寸和硬度等要求較高,用噴丸強度和表面覆蓋率來控制噴丸工藝,用殘留應力和疲勞試驗來檢測表面強化效果。
  噴丸強化工藝參數包括彈丸材料、彈丸直徑、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度、噴射距離、噴丸時間和覆蓋率等,其中任何一個參數的變化都會不同程度影響噴丸強度,即影響強化效果。
(1)弧高度試片  標準Almen弧高度試片是綜合評價噴丸強化工藝參數的一種專用量規。它是用70號彈簧鋼制成,共有三種規格,代號分別為N、C、A,分別使用于3種不同噴丸強度要求的場合。
(2)弧高曲線  弧高曲線是在其他工藝參數固定情況下,同一種試片的噴丸弧高值隨噴丸時間(或噴丸次數)變化而變化的,標志著弧高值——時間相對關系的曲線。
(3)噴丸強度  噴丸強度通常采用弧高值測定法,其要點是用一定的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強度后的形狀變化來反映噴丸效果,具體操作是用Almen試片(一般硬度為44~50HRC)固定在夾具上,經投射噴丸后再取下試片,然后用檢具(如Almen測量儀)測量彎曲弧的高度。
  噴丸強度的另一種檢驗方法為殘留應力檢測,即對強化噴丸后的工件進行殘留應力的檢測,具體的檢驗方法為X射線衍射法。
(4)表面覆蓋率  覆蓋率是指被處理工件表面經噴丸處理后,彈丸壓痕面積與被噴工件表面積的比值。通常用百分數表示。測量要點是把Almen試片經噴丸后放大約50倍,測量其彈丸壓痕面積。因很難保證覆蓋率為100%,故實際上把98%的覆蓋率定義為全覆蓋率。對于產品圖樣要求300%的覆蓋率,通常用達到98%的有效覆蓋率所需噴丸時間的3倍來實現。
(5)彈丸質量  彈丸質量對強化效果影響很大,一般規律是:彈丸直徑小,工件表面殘留應力較高,但強化層較淺;彈丸直徑大,工件表面殘留應力較低,但強化層較深;彈丸硬度高,噴丸強度也高;彈丸直徑增加,噴丸強度也增加;彈丸速度增加,噴丸強度、表面壓應力和強化層深度三者增加。
(6)噴丸時間  在其他噴丸工藝參數不變的情況下,噴丸只有達到“飽和”時間或兩倍于“飽和”時間時可獲得最佳強化效果,通常強化時間不足比強化時間過度更為不利。因此,當發現強化時間低于規定時間時,可以對該工件再進行一次補充強化。
三、噴丸強化技術的應用:
1. 提高滲碳齒輪表面硬度:
  例1:一汽熱處理分廠噴丸設備采用德國產TR5SVR—1型應力噴丸設備。噴丸工藝為:采用直徑為0.8mm鋼丸,噴丸時間為9min,噴丸速度為2800r/min。齒輪材料為22CrMoH鋼,經滲碳淬火及回火處理。噴丸強化處理后齒輪表層組織得到了細化,表層的殘留奧氏體含量比未經噴丸處理工件的殘留奧氏體含量要低10%左右,在距離表面0.15mm范圍內,變化量比較明顯;經強化噴丸處理后的齒輪表面硬度提高了0.5~2HRC。
2. 提高齒輪表面殘留壓應力并改善表層組織:
  例2:桑塔納轎車變速器二擋從動齒輪,經滲碳淬火、回火處理。噴丸采用葉輪式噴丸機,噴丸到了細化馬氏體亞結構的作用。有利于殘留應力的提高,從而提高了齒輪的疲勞性能。
3. 提高齒輪的疲勞壽命:
  例3:一汽采用強化噴丸工藝對“解放”牌汽車變速器一擋齒輪進行疲勞壽命試驗,顯著提高了齒輪的疲勞壽命,如表1所示。為了提高“解放”牌主動螺旋齒輪的疲勞壽命采用大圓弧滾刀切齒,增大齒輪圓角可以使主動螺旋齒輪的壽命由20.83萬次提高到69.54萬次,如果再采用強化噴丸,可以使其疲勞壽命提高到210.9萬次。
表1  噴丸強化對“解放”牌變速器一擋齒輪疲勞壽命的影響
表1  噴丸強化對“解放”牌變速器一擋齒輪疲勞壽命的影響
  例4:齒輪采用碳氮共滲后噴丸強化,提高了接觸疲勞強度。如SCM420H鋼齒輪,經通氨氣等進行碳氮共滲,隨著含氮量的增加,ΔHV(硬度降)提高,即抗回火性能提高,回火溫度可達300℃。解決了汽車用自動變速器AIT常規滲碳齒輪齒面接觸疲勞破壞問題。
四、噴丸強化新技術:
1. 齒輪的硬噴丸技術:
  (1)硬噴丸技術  硬噴丸不同于常規噴丸,而是采用700HV高硬度鋼丸進行高強度噴丸,并使A型試片產生0.6mm以上的弧高,形成較大的殘留壓應力,得到高的疲勞強度。適合于優質滲碳鋼(如DSG1鋼,wSi降至0.15%以下,而使內氧化現象及非馬氏體大為減少;降低晶界脆性元素wP<0.015%,提高wM o至0.4%,使滲層韌性大為改善),它在消除內氧化等滲碳缺陷及保證滲層韌性方面效果較好。
  (2)兩次噴丸(雙噴丸)技術  對于滲碳淬火硬度在600HV以上的齒輪,較難通過正常噴丸達到較高壓應力。為此,采用二次噴丸硬化提高疲勞強度,即首先采用700HV高硬彈丸進行高強度噴丸(如0.6mm鋼丸),并使A型試片產生0.6mm以上的弧高,獲得一定深度的表面強化層,然后再用細小的低強度小彈丸(如0.08mm鋼丸)進行一次低強度噴丸,可在工件表面和次表面形成殘留壓應力。第二次噴丸的目的就是減輕表面加工硬化,改善表面粗糙度,提高表面壓應力,即進一步提高齒輪的疲勞性能。此項技術屬于冷作處理。
五、彈丸:
1. 鋼絲切丸:
  采用預鈍化鋼絲切丸技術生產的新一代表面清理和強化的優質丸料,不僅鋼丸硬度及尺寸均勻、壽命長,而且生產中粉塵產生率低,可稱之為綠色、環保鋼丸,可應用于齒輪噴丸強化處理等。
2. 強韌性彈丸及其化學配方:
表4 表5
(1)用于噴丸的彈丸一般采用鑄鋼型或切線型,鑄鋼彈丸一般用水霧化方法生產,并調質到392~513HV,對于硬噴丸處理,要求彈丸硬度達700HV左右。
(2)新型鋼丸要求wC≥0.5%,其Mn、S、P含量也均有降低,其化學成分如表4所示,采用快冷離心霧化方法改善中碳鑄鋼枝晶組織。噴丸處理時,彈丸流率為0.75kg/s,噴射速度為106m/s,噴丸強度為1.0mmA。作為高強韌性彈丸的第二選擇是高碳預處理過的高強度切線彈丸,尺寸為φ0.8mm,為了得到700HV左右的高硬度,其wC應增至0.8%,其化學成分如表5所示。
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