3 噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化

　　目前關(guān)于噴丸工藝參數(shù)的優(yōu)化主要以提高齒輪殘余壓應(yīng)力和彎曲疲勞強(qiáng)度為目標(biāo)，相關(guān)文獻(xiàn)較少。噴丸工藝參數(shù)眾多，針對關(guān)鍵噴丸工藝參數(shù)的優(yōu)化更切合工程實(shí)際。Lee 等通過優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)，提高了滲碳錐齒輪疲勞壽命，優(yōu)化后的彈丸速度為 65 m/s，噴丸時(shí)間為 8 min，如圖 5 所示。但工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果是通過試錯(cuò)法得到的，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。Peenstress 軟件是 MIC 公司基于試驗(yàn)開發(fā)的殘余應(yīng)力預(yù)測軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)對殘余應(yīng)力場優(yōu)化設(shè)計(jì)，并未考慮粗糙度和其他表面性能參數(shù)，但該軟件不能實(shí)現(xiàn)任何材料齒輪的噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化，只能針對100%及以上覆蓋率進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。Masahiko 等通過優(yōu)化彈丸直徑與彈丸入射角度，增加了變速器齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度，但并沒有考慮齒面性能。Peyrac 等為使 17NiCrMo6-4 齒輪彎曲疲勞性能與接觸疲勞性能達(dá)到最優(yōu)，針對齒輪與齒輪鋼試樣設(shè)計(jì)了優(yōu)化試驗(yàn)，將噴丸工藝參數(shù)(三組)與滲碳工藝參數(shù)(兩組)進(jìn)行自由配對，通過殘余應(yīng)力、粗糙度、奧氏體表征試驗(yàn)以及彎曲疲勞、接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果，對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，達(dá)到了優(yōu)化目的，但該方法適用于試驗(yàn)組較少的情況。

圖 5 不同噴丸工藝參數(shù)下的 S-N 曲線

　　優(yōu)化齒輪噴丸工藝參數(shù)需在設(shè)計(jì)圖紙所要求的噴丸強(qiáng)度范圍內(nèi)進(jìn)行，通常設(shè)計(jì)圖紙所要求的噴丸強(qiáng)度范圍只針對齒根，并未考慮齒面。齒輪的關(guān)鍵區(qū)域不止一處，優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)需考慮齒根彎曲疲勞與齒面接觸疲勞，但存在矛盾的是，一組噴丸工藝參數(shù)很難同時(shí)滿足齒根彎曲疲勞與齒面接觸疲勞性能。因此，優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)首先判斷齒輪失效形式，若齒輪失效形式主要為接觸疲勞，則齒面粗糙度比彎曲疲勞失效更關(guān)鍵;若齒輪失效形式為彎曲疲勞，則在齒輪中引入更深的殘余壓應(yīng)力比降低齒面粗糙度更重要。此外，為滿足高性能齒輪制造要求，優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)時(shí)需考慮齒輪材質(zhì)、熱處理等。

　　4 噴丸對齒根表面完整性的影響

　　1964 年，F(xiàn)ield 等首次提出表面完整性概念，并將其分為 6 組不同的影響因素，包括視覺方面、尺寸方面、殘余應(yīng)力方面、摩擦學(xué)方面、冶金學(xué)方面以及其他方面(例如導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能等)，如圖 6 所示。彎曲疲勞強(qiáng)度對齒根圓角處表面完整性參量非常敏感，本文主要關(guān)注噴丸對齒根表層殘余應(yīng)力、硬度、表面粗糙度以及微觀組織的影響。

圖 6 表面完整性影響因素

　　殘余應(yīng)力：齒輪噴丸后引入殘余壓應(yīng)力，表現(xiàn)出應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)制，這是齒輪彎曲疲勞性能提升的原因之一。噴丸引入殘余壓應(yīng)力的主要原因是，材料表面局部塑性變形與馬氏體相變。噴丸誘導(dǎo)殘余應(yīng)力由兩種機(jī)制組成：在不存在其他變形機(jī)制的情況下，一種是工件表面切向塑性延展變形產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力，這部分應(yīng)力在表面最大，隨著深度的增加而減小，如圖 7a 所示;另一種是法向塑性變形產(chǎn)生的赫茲壓應(yīng)力，這一應(yīng)力在次表層達(dá)到峰值，如圖 7b 所示。噴丸過程中，上述兩種機(jī)制同時(shí)存在，因而誘導(dǎo)齒根表面形成殘余壓應(yīng)力，沿深度方向快速增大，在次表層達(dá)到峰值，然后壓應(yīng)力緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定。由于噴丸前滲碳熱處理會(huì)引入殘余壓應(yīng)力，所以齒輪噴丸后，殘余應(yīng)力分布曲線不會(huì)與中性軸相交。圖 8 為滲碳齒輪噴丸后，齒根沿齒廓方向的殘余應(yīng)力場曲線圖，其中齒根殘余應(yīng)力測試位置為齒根圓角 30° 切線點(diǎn)沿齒寬方向中點(diǎn)處，其包括兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力，分別為齒廓方向與齒輪軸向，通常工程技術(shù)人員主要關(guān)注齒廓方向的殘余壓應(yīng)力值。

圖 7 殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制

圖 8 噴丸處理后典型殘余應(yīng)力場曲線圖

　　殘余應(yīng)力場受噴丸工藝參數(shù)影響，其中噴丸強(qiáng)度和覆蓋率為主要噴丸工藝參數(shù)。由于殘余壓應(yīng)力受塑性變形區(qū)深度與彈性應(yīng)變量控制，噴丸強(qiáng)度越大，殘余壓應(yīng)力沿深度方向積分值越大，而覆蓋率對殘余應(yīng)力場影響不大，噴丸強(qiáng)度主要影響殘余壓應(yīng)力層厚度，而材料屬性(主要指硬度)對殘余壓應(yīng)力值影響很大。一般來講，滲碳齒輪噴丸后，齒根殘余壓應(yīng)力峰值所在層深為 50~60 μm，殘余壓應(yīng)力層厚度為 0.2~0.4 mm，殘余壓應(yīng)力峰值可達(dá) 1170~ 1600 MPa。

　　硬度：噴丸是一種循環(huán)冷加工工藝，噴丸后有些材料會(huì)出現(xiàn)加工硬化，有些材料會(huì)出現(xiàn)加工軟化。例如奧氏體不銹鋼噴丸后，硬度會(huì)大幅提高，航空鋁材噴丸后會(huì)變軟，而循環(huán)冷加工對于彈簧鋼無影響。通常情況下，由于冷作硬化作用，滲碳齒輪噴丸后，硬度會(huì)提升，而且噴丸強(qiáng)度和覆蓋率越大，表面硬度值越高。噴丸誘導(dǎo)齒輪材料馬氏體相變與奧氏體晶粒細(xì)化，是硬度提升的重要原因。有數(shù)據(jù)表明，在 0.25~0.85 A 弧高值、150%~600%覆蓋率下，SCM415 滲碳齒輪噴丸后，齒根表面硬度提升30~80HV。如圖 9 所示，滲碳齒輪噴丸后，硬度沿層深方向變化趨勢與未噴丸齒輪大致相同。

圖 9 齒根處沿深度方向硬度分布

　　表面粗糙度： 一般來講，工件噴丸后，表面粗糙度增大，這一現(xiàn)象被視為噴丸弱化效應(yīng)。噴丸強(qiáng)度越大，齒輪表面粗糙度越大，適當(dāng)增加覆蓋率，會(huì)降低齒輪表面粗糙度。由于粗糙度對齒面接觸疲勞性能、嚙合性能有較大影響，通常研究人員更關(guān)注齒面粗糙度，噴丸對齒面粗糙度影響機(jī)制可參見文獻(xiàn)。噴丸后，齒根粗糙度值取決于噴丸前機(jī)加工方法(例如磨齒、滾齒、銑齒)、噴丸前齒輪表面粗糙度以及噴丸工藝參數(shù)。表面粗糙度參數(shù)有多種，例如輪廓算術(shù)平均偏差 Ra、輪廓最大高度 Rz、輪廓峰谷總高度 Rt、偏度 Rsk 與峰度 Rku 等。目前，工程技術(shù)人員主要關(guān)注噴丸工藝對 Ra 的影響，但由于其他表面粗糙度參數(shù)對受噴齒輪表面彈坑也比較敏感，因而有必要深入研究噴丸對其他表面粗糙度參數(shù)的影響機(jī)制。通過調(diào)整噴丸工藝參數(shù)，得到最優(yōu)齒輪表面形貌，減少齒輪表面應(yīng)力集中，進(jìn)而提高齒輪抗疲勞性能。

　　微觀組織： 齒輪噴丸后，微觀組織發(fā)生改變，表現(xiàn)出組織強(qiáng)化機(jī)制，這是齒輪彎曲疲勞性能提升的另一原因。通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外研究工作主要集中于殘余奧氏體的量化分析，而噴丸后，齒輪齒根表層梯度晶粒尺寸、位錯(cuò)密度、晶粒取向、形變織構(gòu)等研究并不深入。AGMA 指出，噴丸會(huì)誘導(dǎo)亞顯微位錯(cuò)，應(yīng)變會(huì)誘導(dǎo)相變發(fā)生。Ho 等研究表明，晶粒細(xì)化與馬氏體相變是齒輪噴丸后發(fā)生的主要微觀組織演變形式。因此，本節(jié)主要從殘余奧氏體與晶粒尺寸兩方面闡述噴丸對微觀組織的作用機(jī)制。

　　齒輪表層微觀組織對噴丸的響應(yīng)主要取決于殘余奧氏體含量。有研究表明，盡管噴丸可提升殘余壓應(yīng)力，但彎曲疲勞壽命的提高取決于噴丸降低殘余奧氏體的能力。為了產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，噴丸使齒輪表面發(fā)生永久塑性變形，將不穩(wěn)定的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。噴丸強(qiáng)度與覆蓋率越大，奧氏體轉(zhuǎn)變量越多。有數(shù)據(jù)表明，16MnCr5 滲碳齒輪齒根殘余奧氏體峰值為 30%，噴丸后，殘余奧氏體峰值接近 20%，其中噴丸強(qiáng)度為 0.3 A，彈丸型號(hào)為 S330，如圖 10 所示。Hirsch 等研究了噴丸工藝參數(shù)對 16MnCr5 滲碳齒輪齒根殘余奧氏體的影響。研究發(fā)現(xiàn)，未噴丸齒輪齒根表面殘余奧氏體含量為 2%，0.05~0.07 mm 層深處殘余奧氏體含量為 36%，隨后沿層深逐漸降低，在 0.5 mm 層深處，殘余奧氏體含量為 13%。100%覆蓋率下，采用 S230 彈丸(硬度為 54~58HRC)對齒輪進(jìn)行噴丸處理，噴丸后，齒根殘 余奧氏體峰值為 26%，所在層深為 0.08 mm;采用 S330 彈丸(硬度為 48~52HRC)進(jìn)行噴丸處理，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變量變大，其中，齒根殘余奧氏體峰值為 20%，所在層深為 0.08~0.09 mm。

圖 10 殘余奧氏體含量

　　關(guān)于噴丸誘導(dǎo)晶粒細(xì)化方面的研究，Cunha 等指出，20MnCr5 滲碳齒輪鋼噴丸(噴丸時(shí)間 2 h、回火溫度 160 ℃)后，滲碳表層 ASTM 晶粒度為 9~11 級(jí)，但并沒有指出噴丸對晶粒細(xì)化層深度的影響。Spice 等對 SAE 8620 滲碳錐齒輪進(jìn)行噴丸處理(彈丸型號(hào) MI-330-H，覆蓋率 150%，噴丸強(qiáng)度 0.19~ 0.23 C)，結(jié)果表明，噴丸前后，心部奧氏體晶粒尺寸不變，ASTM 晶粒度均為 9.25 級(jí)，而表層晶粒尺寸未見報(bào)道。大多數(shù)疲勞裂紋萌生于工件表面，由于噴丸處理齒輪表層為細(xì)晶，可提高疲勞裂紋萌生門檻值，所以細(xì)晶對提高齒輪抗疲勞性能具有重要意義。

　　表面完整性參量相互關(guān)系研究： 齒根表面完整性參量之間相互關(guān)聯(lián)，在某種程度上決定了疲勞性能的提升。表面完整性參量之間的關(guān)聯(lián)性實(shí)際上反映了組織強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化機(jī)制之間的關(guān)系，齒輪表面粗糙度與硬度也受到這兩種機(jī)制的影響。因此，本節(jié)主要從應(yīng)力完整性與組織完整性方面，闡述“滲碳+噴丸”齒輪表面完整性參量之間的相互關(guān)系。

　　首先是應(yīng)力完整性方面。滲碳齒輪噴丸誘導(dǎo)齒輪表層發(fā)生循環(huán)塑性變形，在齒輪表層引入殘余壓應(yīng)力。滲碳齒輪噴丸后，表面殘余奧氏體通過冷作硬化作用，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，噴丸后殘余壓應(yīng)力的引入與馬氏體相變有關(guān)。調(diào)整噴丸前殘余奧氏體含量，可提高殘余壓應(yīng)力;增加殘余奧氏體含量，可誘導(dǎo)馬氏體含量增加。馬氏體相變體現(xiàn)了冷作硬化水平，在一定程度上與殘余應(yīng)力成正比。因此，噴丸前齒輪殘余奧氏體含量對噴丸后齒輪殘余壓應(yīng)力提升水平有重要影響。另外，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變量很大程度上由噴丸強(qiáng)度、覆蓋率、彈丸直徑等噴丸工藝參數(shù)決定。馬氏體轉(zhuǎn)變越充分，殘余壓應(yīng)力越大。齒輪噴丸后，殘余應(yīng)力分布受冷加工的影響，即：當(dāng)齒輪硬度增加時(shí)，殘余壓應(yīng)力值增大;當(dāng)齒輪硬度降低時(shí)，殘余壓應(yīng)力值減小，但殘余壓應(yīng)力層深增大;齒輪硬度越大，噴丸對齒輪表面粗糙度的影響越弱。

　　其次是組織完整性方面。噴丸誘導(dǎo)齒輪表層發(fā)生循環(huán)塑性變形，其塑變過程實(shí)際上是齒輪表層位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。齒輪變形抗力越大，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力越強(qiáng)。噴丸引入的殘余壓應(yīng)力抵消了外加拉應(yīng)力，實(shí)際是減少了齒輪表層位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，阻礙了晶體滑移。噴丸后，齒輪表層位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)的纏結(jié)與堆垛演變成亞晶界，晶粒發(fā)生細(xì)化，因而對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為齒輪表面硬度增加。相變誘導(dǎo)馬氏體含量增加，宏觀上也表現(xiàn)為齒輪表面硬度提高。表面粗糙度、微觀形貌也反映了硬度與塑性變形水平。

　　表面完整性參量相關(guān)性如圖 11 所示，其中“+” 代表正相關(guān)，“?”代表負(fù)相關(guān)。殘余壓應(yīng)力、顯微組織、硬度、表面粗糙度皆與塑性變形相關(guān)。齒輪表層硬度對微觀組織變化比較敏感，微觀組織對殘余應(yīng)力有直接影響。表面完整性參量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律是動(dòng)態(tài)的。例如，通常情況下，噴丸在齒輪表面引入彈坑，會(huì)增加齒輪表面粗糙度，隨著塑性應(yīng)變的增加，齒輪表面形貌發(fā)生變化，表面粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢，但隨著塑性變形的持續(xù)增加，齒輪表面損傷加大，粗糙度會(huì)變大。齒輪噴丸后，表面完整性參量之間存在相互制約的情況。例如，齒輪表層塑性應(yīng)變誘導(dǎo)硬度提高，提升了齒輪表層殘余壓應(yīng)力值，但制約了殘余壓應(yīng)力層深的增加。根據(jù)文獻(xiàn)分析，目前研究人員只是從機(jī)理層面對噴丸處理齒輪表面完整性參量之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了揭示，而表面完整性參量之間的數(shù)學(xué)模型尚未建立。另外，圖 11 所示的表面完整性參量關(guān)聯(lián)規(guī)律可能并不完整，還需進(jìn)一步完善。

圖 11 表面完整性參數(shù)相關(guān)性