5 噴丸齒輪彎曲疲勞性能研究

　　齒輪疲勞斷裂機(jī)理： 滲碳齒輪噴丸強(qiáng)化前后的疲勞斷裂機(jī)理可能不同，主要表現(xiàn)在裂紋源位置的改變。有研究表明，滲碳齒輪彎曲疲勞裂紋源位于表面，而多數(shù)情況下齒輪(特別是高強(qiáng)度齒輪)噴丸后，高周疲勞裂紋源位于次表面。圖 12為某差速器滲碳錐齒輪噴丸前后的齒根疲勞斷口圖，圖中箭頭指向裂紋源位置，該圖直觀地反映了上述結(jié)論。為進(jìn)一步揭示裂紋源位置，Xi對(duì) MnCr 鋼變速器齒輪進(jìn)行疲勞斷口分析，發(fā)現(xiàn)噴丸使裂紋源從齒根表面移動(dòng)至次表層 0.25~0.45 mm 深度處。經(jīng)文獻(xiàn)分析可知，滲碳齒輪彎曲疲勞裂紋源在表面，與滲碳(真空滲碳除外)時(shí)形成的內(nèi)氧化表層有關(guān)，齒輪噴丸引入的殘余壓應(yīng)力可有效抑制內(nèi)氧化物產(chǎn)生的不良影響，阻止表面裂紋萌生，但次表層裂紋容易成核。次表層裂紋成核與煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的夾雜物有關(guān)，非金屬夾雜物造成齒輪局部應(yīng)力增加。在載荷應(yīng)力狀態(tài)、非金屬夾雜物、殘余壓應(yīng)力相互作用下，齒輪噴丸后，次表層非金屬夾雜物引起裂紋萌生，并成為除表面內(nèi)氧化層外的另一薄弱處。研究人員通過(guò) SEM 表征試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滲碳齒輪噴丸后，齒根高周疲勞斷口呈現(xiàn)魚眼狀形貌，如圖 13 所示。另外，有學(xué)者通過(guò)疲勞斷口分析(主要為高周疲勞斷裂)發(fā)現(xiàn)，噴丸后，齒輪或者齒輪鋼裂紋源處斷裂模式多表現(xiàn)為穿晶斷裂、沿晶斷裂或者沿晶-穿晶混合型斷裂，這取決于工件表層殘余壓應(yīng)力水平、材質(zhì)以及所受載荷等。

圖 12 疲勞斷口

圖 13 次表層裂紋擴(kuò)展示意圖

　　齒根次表層非金屬夾雜物附近裂紋擴(kuò)展過(guò)程如圖 13所示。其擴(kuò)展過(guò)程分為三個(gè)階段：1)夾雜物周圍形成顆粒狀亮區(qū)(GBF)或稱細(xì)晶粒區(qū)(FGA)，夾雜物附近微細(xì)碳化物顆粒離散剝離，萌生出許多微裂紋，這些微裂紋在循環(huán)載荷作用下擴(kuò)散并愈合;2)裂紋擴(kuò)展形成魚眼，次表層裂紋擴(kuò)展到齒輪表面;3)齒輪表面疲勞裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

　　彎曲疲勞性能影響因素研究：

　　殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響 根據(jù)文獻(xiàn)分析，齒輪噴丸后，齒根殘余壓應(yīng)力、硬度、表面粗糙度以及滲碳異常層與齒輪彎曲疲勞壽命之間存在一定關(guān)系，如圖 14 所示。殘余應(yīng)力對(duì)彎曲疲勞強(qiáng)度有重要影響，硬度的增加是疲勞性能提升的次要原因，粗糙度對(duì)彎曲疲勞強(qiáng)度影響不大。目前齒輪噴丸后，齒根微觀組織表征參量(例如晶粒尺寸、位錯(cuò)密度、奧氏體含量等)與彎曲疲勞性能的相互關(guān)系模型未見報(bào)道。另外，雖有研究指出，SAE 4340 齒輪鋼噴丸后，彎曲疲勞強(qiáng)度與硬度成線性正比關(guān)系，但兩者之間的關(guān)系只是表象，是一種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，所以有待針對(duì)不同齒輪鋼材料，深入研究硬度對(duì)彎曲疲勞性能的影響機(jī)制?；诖?，本節(jié)主要探討了殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)彎曲疲勞性能的影響。

圖 14 表面完整性參數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系

　　噴丸引入殘余壓應(yīng)力，通過(guò)降低裂紋擴(kuò)展率，提高裂紋擴(kuò)展門檻值，降低了裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，因而可有效阻止裂紋擴(kuò)展，提高齒輪彎曲疲勞壽命。Mitsubayashi 等針對(duì) SCr420 滲碳齒輪鋼的研究表明：噴丸引入的殘余壓應(yīng)力峰值越大，疲勞強(qiáng)度越高;殘余壓應(yīng)力峰值位置靠近短裂紋擴(kuò)展區(qū)域，可有效提升疲勞強(qiáng)度;殘余壓應(yīng)力層深越厚，疲勞性能越好。為進(jìn)一步揭示殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參量與齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的關(guān)系，Sakurada 等認(rèn)為殘余壓應(yīng)力峰值或 0~0.1 mm 層深的平均殘余壓應(yīng)力值與彎曲疲勞強(qiáng)度相關(guān)性最好。Ogawa 等指出，齒根深度方向 0.05 mm 處(通常為殘余壓應(yīng)力峰值位置)，殘余壓應(yīng)力分布對(duì)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度影響非常關(guān)鍵。Okada 等研究表明，齒根處殘余壓應(yīng)力峰值、殘余應(yīng)力從外表面到 0.4 mm 層深的積分值與 105 循環(huán)次下彎曲疲勞強(qiáng)度的相關(guān)性最好。綜上可知，增加殘余壓應(yīng)力峰值，是提升齒輪彎曲疲勞性能的關(guān)鍵，殘余壓應(yīng)力峰值所在深度并不是越深越好。另外，殘余壓應(yīng)力峰值與齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系。如圖 15 所示，齒輪齒根殘余壓應(yīng)力峰值越大，疲勞強(qiáng)度越高。

圖 15 殘余壓應(yīng)力峰值與疲勞強(qiáng)度關(guān)系

　　噴丸工藝參數(shù)的影響 噴丸強(qiáng)度與覆蓋率在噴丸工藝參數(shù)中最為關(guān)鍵。研究表明，噴丸強(qiáng)度是沖擊動(dòng)能的函數(shù)，增加噴丸強(qiáng)度，是提升齒根彎曲疲勞強(qiáng)度最有效的辦法。如圖 16 所示，低周疲勞下 SAE 4023 齒輪彎曲疲勞壽命隨噴丸強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)達(dá)到最優(yōu)的噴丸強(qiáng)度后，疲勞壽命逐漸減少;另外，隨著噴丸強(qiáng)度的增加，齒輪疲勞失效逐漸由彎曲疲勞轉(zhuǎn)化為接觸疲勞。針對(duì) SAE 4340 齒輪鋼，文獻(xiàn)也得出了相同結(jié)論，而且噴丸強(qiáng)度為 15 A 時(shí)，彎曲疲勞強(qiáng)度最高。覆蓋率對(duì)彎曲疲勞性能提升作用不大，如圖 17 所示，覆蓋率從 200%增加到 600%，107 循環(huán)次下，SCM 415 齒輪鋼疲勞強(qiáng)度僅增加9%。因此，若 200%覆蓋率噴丸后齒輪疲勞壽命不能滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明噴丸已難以解決該種齒輪疲勞問(wèn)題，應(yīng)考慮更換齒輪材料或重新設(shè)計(jì)齒輪。為揭示覆蓋率與噴丸強(qiáng)度對(duì)彎曲疲勞性能的影響，其他科研工作者也做了類似研究。Vielma 等采用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)(載荷取拉伸強(qiáng)度的 50%)，設(shè)計(jì) 2 種試驗(yàn)方案，研究了覆蓋率與噴丸強(qiáng)度對(duì) SAE 4340 齒輪鋼疲勞性能的影響。方案 1 為在 100%覆蓋率下，不同噴丸強(qiáng)度(8 A、10 A、16 A、21 A)對(duì)疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，隨著噴丸強(qiáng)度的遞增，疲勞壽命呈上升趨勢(shì)，當(dāng)噴丸強(qiáng)度為 10 A 時(shí)，疲勞壽命最長(zhǎng)，隨后疲勞壽命開始下降。方案 2 為在 10 A 噴丸強(qiáng)度下，不同覆蓋率(0%、80%、100%、 200%)對(duì)疲勞壽命的影響，研究規(guī)律與前者類似。綜上所述，增加噴丸強(qiáng)度與覆蓋率可提升齒輪彎曲疲勞性能，噴丸強(qiáng)度與覆蓋率皆存在最優(yōu)值，當(dāng)超過(guò)最優(yōu)值，由于齒輪表面損傷，疲勞性能下降。

圖 16 噴丸強(qiáng)度對(duì)齒輪彎曲疲勞壽命的影響

圖 17 不同覆蓋率條件下齒輪鋼 S-N 曲線

　　合金元素的影響 噴丸對(duì)提升齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度有顯著效果，為進(jìn)一步提升彎曲疲勞強(qiáng)度，可通過(guò)調(diào)整某一種齒輪鋼合金元素含量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。DSG1 與 SCM420 均為齒輪用鋼，其化學(xué)成分如表 2 所示。由于 DSG1 中磷(晶界脆化元素)含量較少，鉬含量較多(晶間氧化減少)，這使得 DSGl 滲碳后，殘余奧氏體含量大于 SCM420，晶間氧化深度比 SCM420 要淺，而且具有較高的基體韌性。研究表明，噴丸后，DSG1 比 SCM420 殘余壓應(yīng)力大、硬度高、疲勞強(qiáng)度高。Nakamura 等針對(duì) SCr420 鋼的研究表明：降低硅含量，可使晶界氧化層變淺;提升鉬含量，可阻止非馬氏體層形成，提升材料硬度。當(dāng)鉬含量為 0.8%時(shí)，非馬氏體層消失。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出高鉬低硅含量齒輪鋼，經(jīng)噴丸處理后，其殘余壓應(yīng)力大大提升，與 SCr420 鋼相比，107 循環(huán)次下，所設(shè)計(jì)的齒輪鋼彎曲疲勞強(qiáng)度可提升 100%以上。滲碳齒輪鋼中合金元素對(duì)殘余奧氏體的影響如圖 18 所示，可見，在滲碳鋼中添加合金元素(如鉻、錳、鉬)，可增加殘余奧氏體含量，噴丸處理后，可提高其殘余壓應(yīng)力和抗疲勞性能?？紤]到普通滲碳齒輪用鋼已經(jīng)含有約 1%的鉻和錳，增加鉻和錳含量可能會(huì)導(dǎo)致晶間氧化和碳化物的增加。Okada 等通過(guò)加大 SCr420H 齒輪鋼中的鉬含量，有效增加了殘余奧氏體含量，而且晶間氧化層薄，噴丸處理后提高了齒輪殘余壓應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度。

表 2 DSG1 鋼與 SCM420 鋼化學(xué)成分

圖 18 合金元素對(duì)表層殘余奧氏體的影響

　　綜上，滲碳齒輪鋼中增加鉬含量并降低硅含量，可提高鋼中奧氏體含量，降低內(nèi)氧化，阻止非馬氏體層的形成，進(jìn)而提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度。但應(yīng)注意，不經(jīng)過(guò)噴丸處理而只改變鋼中合金元素，滲碳齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度僅得到輕微提高，而最有效的辦法是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。

　　齒輪幾何形狀的影響 關(guān)于噴丸后齒輪幾何形狀對(duì)疲勞性能的影響機(jī)制的研究，主要涉及齒輪模數(shù)與齒根圓角半徑。相同齒數(shù)(齒數(shù)為 22)、不同模數(shù)的 16MnCr5 滲碳齒輪，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)噴丸處理(工藝參數(shù)相同)，5×106 循環(huán)次下，8 mm 模數(shù)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度比 5 mm 與 3 mm 模數(shù)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度小，如圖 19 所示。表面完整性表征參量測(cè)試結(jié)果表明，未噴丸齒輪中，8 mm 模數(shù)齒輪硬度、殘余壓應(yīng)力比 5 mm 與 3 mm 模數(shù)齒輪的值小;而噴丸處理后，8 mm 模數(shù)齒輪的殘余壓應(yīng)力、半高寬值比 5 mm 與 3 mm 模數(shù)齒輪的值大。究其原因是由于材料疲勞強(qiáng)度隨工件尺寸增大而降低，即材料尺寸效應(yīng)。8 mm 模數(shù)滲碳齒輪殘余壓應(yīng)力與硬度小，說(shuō)明其表面缺陷(冶金缺陷)較多，鋼中組織致密性和均勻性等較差，加大了疲勞裂紋萌生機(jī)率，由此齒輪疲勞強(qiáng)度下降。

圖 19 不同模數(shù)齒輪的 S-N 曲線

　　關(guān)于齒根圓角半徑對(duì)滲碳齒輪噴丸后彎曲疲勞性能的影響機(jī)制，Hirsch 等提出，齒根圓角半徑越大，彎曲疲勞強(qiáng)度越大，而且噴丸后，齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度增加越明顯，如圖 20 所示。其中，齒輪材質(zhì)為 16MnCr5 鋼，硬度為 600HV，模數(shù)為 5 mm，彈丸型號(hào)為 S230。因此，噴丸前合理增加齒根圓角半徑，噴丸后可較大幅度提升疲勞強(qiáng)度。

圖 20 不同齒根圓角半徑齒輪的 S-N 曲線

　　材料缺陷的影響 圍繞齒輪噴丸強(qiáng)化工藝，常見的齒輪材料缺陷包括熱處理缺陷(脫碳、非馬氏體層)與冶金缺陷(非金屬夾雜物)。脫碳是鋼在熱處理過(guò)程中，表面碳含量降低的現(xiàn)象。研究表明，由于脫碳，高強(qiáng)度鋼(240 ksi 及以上)疲勞強(qiáng)度降低 70%~80%，低強(qiáng)度鋼(140~150 ksi)降低 45%~55%?？梢?，高強(qiáng)度鋼由于脫碳造成的疲勞強(qiáng)度下降問(wèn)題比較突出。圖 21 表明了噴丸處理可恢復(fù)大部分由于脫碳而損失的疲勞強(qiáng)度。因此，當(dāng)脫碳問(wèn)題在齒輪加工中無(wú)法避免時(shí)，為改善齒輪表面完整性，技術(shù)人員應(yīng)考慮將噴丸納入齒輪設(shè)計(jì)當(dāng)中。

圖 21 噴丸對(duì)脫碳的影響

　　齒輪在熱處理過(guò)程中，由脫碳引起的非馬氏體層經(jīng)常出現(xiàn)，并且在滲碳鋼中不可避免。非馬氏體層硬度低，造成彎曲疲勞強(qiáng)度下降，因此去除非馬氏體層，對(duì)提升彎曲疲勞性能至關(guān)重要。Lyu 等通過(guò) SEM 發(fā)現(xiàn)，SCM415 滲碳齒輪齒根處非馬氏體層厚度為 16 μm，經(jīng)噴丸處理(弧高值為 0.52 A)后，非馬氏體層去除效果不明顯，如圖 22 所示，但經(jīng)化學(xué)拋光 20 μm 后，非馬氏體層被完全去除。同時(shí)，采用化學(xué)拋光工藝對(duì)噴丸后齒輪表面拋光 20~30 μm 后，3×106循環(huán)次下齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度提升了約 580 MPa，為滲碳齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的 1.77 倍。Tsuji 等研究發(fā)現(xiàn)，采用鋼絲切丸和鑄鋼丸對(duì) SCM420H 滲碳齒輪鋼進(jìn)行二次噴丸，可去除工件非馬氏體層。由此可見，為節(jié)約齒輪加工成本，采用合適的噴丸工藝，即使不采用真空滲碳，也可以達(dá)到去除非馬氏體組織的效果。

圖 22 化學(xué)拋光去除非馬氏體層

　　研究非金屬夾雜物幾何特征，對(duì)了解齒輪噴丸后疲勞裂紋形成機(jī)制，以及提高齒輪彎曲疲勞性能至關(guān)重要。研究表明，經(jīng)噴丸處理后，MnCr 合金鋼(例如 20MnCr5、16MnCr5、SCM420H)疲勞裂紋主要萌生于硫化錳夾雜物，CrNiMo 合金鋼(例如 18CrNiMo7-6、SAE 52100)疲勞裂紋主要萌生于氧化鋁夾雜物，如圖 23 所示。Bretl 等通過(guò) SEM 揭示了 16MnCr5 齒輪噴丸處理后，齒根斷口夾雜物的化學(xué)成分、位置與尺寸，夾雜物主要以硫化錳為主，并包含了 Al、Ca、Mg 元素，尺寸為 0.03 mm，位于齒根表面下 0.16 mm 深度處。Winkler 等研究了 20MnCr5 與 18CrNiMo7-6 滲碳齒輪噴丸處理后的疲勞斷裂特性，研究表明，夾雜物尺寸與齒輪模數(shù)成正比，夾雜物所在斷裂面層深與齒輪模數(shù)成正比，但無(wú)論齒輪模數(shù)大小，夾雜物均位于滲碳層內(nèi)。Fuchs 等指出，高強(qiáng)度齒輪噴丸處理后，非金屬夾雜物面積與非金屬夾雜物所在層深之間無(wú)明顯的正比關(guān)系;此外，外部載荷和殘余壓應(yīng)力狀態(tài)不同，使得非金屬夾雜物外形各異，其附近表現(xiàn)出不同程度的 應(yīng)力集中。根據(jù)文獻(xiàn)分析，大多數(shù)齒輪噴丸后，齒根裂紋源位于非金屬夾雜物處，夾雜物數(shù)量越少，夾雜物越小，非金屬夾雜物處萌生裂紋的概率就越低，齒輪抗疲勞性能越好。因此，提高齒輪鋼清潔度極其重要。

圖 23 齒輪鋼中典型非金屬夾雜物

　　綜上，噴丸處理齒輪彎曲疲勞性能影響因素眾多，若要提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度，需采取的措施包括：1)合理選取噴丸工藝參數(shù)，以提高殘余壓應(yīng)力、硬度，減小粗糙度;2)調(diào)整合金元素含量(增加鉬含 量、降低硅含量)，設(shè)計(jì)新型齒輪用鋼;3)齒輪在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮幾何形狀對(duì)疲勞的影響，盡可能減少應(yīng)力集中;4)控制熱處理帶來(lái)的缺陷(內(nèi)氧化、非馬氏體層、脫碳等);5)通過(guò)降低鋼中氧含量來(lái)減少非金屬夾雜物，提高齒輪鋼潔凈度。此外，還要避免齒輪機(jī)加工(磨齒、剃齒)在齒根圓角處產(chǎn)生缺口，造成疲勞強(qiáng)度下降。

　　彎曲疲勞性能提升：一直以來(lái)，噴丸處理齒輪彎曲疲勞性能提升的幅度問(wèn)題備受關(guān)注。為評(píng)估噴丸對(duì)齒輪彎曲疲勞性能的提升作用，通常采用單齒彎曲疲勞測(cè)試試驗(yàn)，由于該方法可有效避免點(diǎn)蝕、膠合、磨損等其他失效形式對(duì)彎曲疲勞性能測(cè)試的干擾，典型單齒彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)如圖 24 所示。由前述可知，齒輪彎曲疲勞影響因素眾多，因而噴丸后齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的提升不是一個(gè)恒定值。但通常情況下，在 106 循環(huán)次下，噴丸強(qiáng)化工藝可使齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度提高 30%以上。另外，已有一些組織機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噴丸處理齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度提升幅度做出明確要求，例如 20% (勞氏船級(jí)社、挪威船級(jí)社)和 15%(ANSI/AGMA 6032-A94 船用齒輪裝置標(biāo)準(zhǔn))。AGMA 指出，彎曲疲勞性能增加幅度不僅受噴丸工藝條件、材質(zhì)、表面狀態(tài)等影響，而且與最大載荷下齒輪的設(shè)計(jì)壽命有關(guān)。圖 25 為某汽車滲碳齒輪噴丸前后的 S-N 曲線對(duì)比圖，設(shè)計(jì)壽命分別為 105、106、107 時(shí)，噴丸后彎曲疲勞強(qiáng)度增加約 10%、25%、50%。同時(shí)，圖 25 表明，相同疲勞壽命下，噴丸齒輪可以承受更大的載荷;高周疲勞條件下，齒輪噴丸效果比較明顯。另外，S-N 曲線向左延伸逐漸相交于一點(diǎn)，由此說(shuō)明，噴丸并不能有效提升材料靜強(qiáng)度。

圖 24 疲勞試驗(yàn)臺(tái)

圖 25 噴丸前后 S-N 彎曲疲勞壽命曲線對(duì)比

　　滲碳齒輪噴丸強(qiáng)化后，抗彎曲疲勞性能取決于殘余壓應(yīng)力分布與齒輪表面損傷之間的平衡。此外，噴丸會(huì)改變齒輪失效模式，受彎曲疲勞約束的齒輪，噴丸后抗彎曲疲勞性能增加，而接觸疲勞將成為潛在失效模式。

　　噴丸齒輪彎曲疲勞建模： 為節(jié)約設(shè)計(jì)成本，建立齒輪噴丸后彎曲疲勞強(qiáng)度或壽命模型，一直備受科研人員青睞。Lee 等基于有限元法，利用 MSC. Fatigue 疲勞分析軟件對(duì)實(shí)際載荷條件(21 574.63 N)下的 SCM 920 汽車錐齒輪疲勞壽命進(jìn)行了建模。研究表明，未噴丸齒輪疲勞壽命為 4.46×106 循環(huán)次，噴丸后，齒輪疲勞壽命為 1.0×1020 循環(huán)次，實(shí)驗(yàn)值與仿真值的誤差范圍為 20%~30%。Mitsubayashi 等將齒輪齒根簡(jiǎn)化為缺口板件，用線性斷裂力學(xué)方法對(duì)滲碳齒輪噴丸強(qiáng)化后的疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，但并未考慮裂紋閉合的影響。Benedetti 等針對(duì) 16MnCr5 滲碳齒輪，采用多軸疲勞準(zhǔn)則，結(jié)合有限元分析，建立了滲碳齒輪與噴丸齒輪疲勞極限預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)，滲碳齒輪彎曲疲勞極限預(yù)測(cè)值準(zhǔn)確性高，而滲碳齒輪噴丸后，疲勞極限預(yù)測(cè)值比實(shí)驗(yàn)值低。Tobe 等基于試驗(yàn)，建立了關(guān)于殘余應(yīng)力與硬度的彎曲疲勞強(qiáng)度模型，如式(1)所示。

　　式中，σ_u 為彎曲疲勞強(qiáng)度，H_c 為心部硬度，H_s 為齒根附近表面硬度，σ_R 為齒根圓角表面殘余壓應(yīng)力。該模型適用于滲碳齒輪(5%誤差)和“滲碳+噴丸”齒輪(10%誤差)，只考慮了殘余應(yīng)力、硬度與彎曲疲勞強(qiáng)度的定量關(guān)系，并未從微觀方面基于斷裂力學(xué)考慮裂紋萌生與擴(kuò)展。

　　Inoue 等在 Tobe 等人研究的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了修正，如式(2)所示，誤差約為 5%，但適用于滲碳齒輪和“滲碳+噴丸”齒輪。Y. Okada 等針對(duì) SCr420H 變速器噴丸處理齒輪，建立了滲碳層深度 H、殘余應(yīng)力峰值 RSmax 與疲勞強(qiáng)度 σw(105 循環(huán)次)的關(guān)系模型，如式(3)所示。Matsumoto 等建立了滲碳齒輪噴丸后弧高值 H 與彎曲疲勞強(qiáng)度 σ_w(105 循環(huán)次)的關(guān)系，見式(4)。上述 Okada 與 Matsumoto 通過(guò)擬合試驗(yàn)點(diǎn)、回歸分析，得到彎曲疲勞模型，但只適用于特定試驗(yàn)條件下的齒輪疲勞建模。Comandini 等基于相對(duì)應(yīng)力梯度方法(RSG)與 Eichlseder 模型，預(yù)測(cè)了 Ni-Cr 高強(qiáng)度鋼齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，該方法通用型較強(qiáng)，適用于其他噴丸工件彎曲疲勞性能預(yù)測(cè)。

　　從微觀方面，F(xiàn)uchs 等基于 Murakami 方程，在考慮齒根次表層非金屬夾雜物的條件下，建立了高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度模型，如式(5)所示。

　　式中，σ_W 為局部彎曲疲勞強(qiáng)度，σ_W=1.56(HV+120)/ ；HV 為裂紋萌生處硬度值；S 為非金屬夾雜物主應(yīng)力方向投影面積；σ_A 為等效局部疲勞強(qiáng)度；σ_m 為局部平均應(yīng)力；M 為平均應(yīng)力敏感系數(shù)；σ_RS 為殘余應(yīng)力；ME 為殘余應(yīng)力敏感系數(shù)。該模型僅對(duì) 107 循環(huán)次以下(包括 107 循環(huán)次)的彎曲疲勞強(qiáng)度建模有效，并且所建模型并沒(méi)有考慮 ODA(光學(xué)暗區(qū))，因此模型精度有待提高。

　　根據(jù)文獻(xiàn)分析，齒輪噴丸后，彎曲疲勞建模主要包括兩種方法：一種是設(shè)計(jì)噴丸試驗(yàn)并進(jìn)行殘余應(yīng)力、硬度等參量表征試驗(yàn)，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用回歸分析，建立彎曲疲勞強(qiáng)度(或壽命)與殘余應(yīng)力、硬度等參量的關(guān)系模型;第二種方法是基于理論模型(例如斷裂力學(xué)、多軸疲勞準(zhǔn)則、有限元模型等)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，推導(dǎo)或仿真建立疲勞強(qiáng)度(或壽命)預(yù)測(cè)模型。齒輪噴丸后，彎曲疲勞建模需要考慮殘余應(yīng)力的影響、微觀組織演變以及齒輪服役中殘余應(yīng)力松弛等，難度較大，目前所建立的彎曲疲勞模型并不具有普適性。

　　6 總結(jié)與展望

　　噴丸強(qiáng)化工藝可提高齒輪殘余壓應(yīng)力與硬度，降低殘余奧氏體含量，進(jìn)而提升齒輪彎曲疲勞性能，已被廣泛應(yīng)用于齒輪制造領(lǐng)域。齒輪常用噴丸方法包括氣動(dòng)式噴丸與離心式噴丸。高周疲勞條件下，齒輪噴丸強(qiáng)化效果顯著。噴丸工藝仿真與工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究取得了一定的進(jìn)展，但仍然不盡人意，主要表現(xiàn)在仿真模型過(guò)于簡(jiǎn)化，噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化模型尚未建立。滲碳齒輪噴丸后，齒輪斷裂機(jī)制可能發(fā)生改變，尤其是高強(qiáng)度齒輪噴丸后，高周疲勞下齒根斷裂機(jī)制與滲碳齒輪相比明顯不同。滲碳齒輪噴丸后，抗彎曲疲勞性能受諸多因素影響。齒輪表層殘余應(yīng)力場(chǎng)與彎曲疲勞強(qiáng)度相關(guān)性較大，而微觀組織與疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系模型有待建立。噴丸后，齒輪彎曲疲勞建模主要是基于斷裂力學(xué)、多軸疲勞準(zhǔn)則等理論，結(jié)合線性回歸、數(shù)據(jù)擬合、有限元等方法，通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的，模型精確度有待提高，而且普適性有待完善。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，面向長(zhǎng)壽命、低噪聲、高承載等 高性能齒輪制造需求，今后應(yīng)加強(qiáng)以下研究：

　　1)齒輪噴丸“組織場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-表面形貌-疲勞強(qiáng)度-噪聲”相互關(guān)系模型有待建立?？刹捎?SEM-EBSD、TEM、XRD 等表征手段、以及齒輪嚙合性能試驗(yàn)、模擬仿真技術(shù)和數(shù)學(xué)算法，研究建立“組織場(chǎng) -應(yīng)力場(chǎng)-表面形貌-疲勞強(qiáng)度-噪聲”數(shù)學(xué)模型。通過(guò)調(diào)控組織場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、表面形貌，對(duì)齒輪疲勞壽命、傳動(dòng)性能進(jìn)行主動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、低噪聲、高承載等高性能制造要求。

　　2)開發(fā)面向噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化與性能預(yù)測(cè)的工業(yè)軟件。通過(guò)試驗(yàn)，建立齒輪噴丸數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)面向殘余應(yīng)力、粗糙度、晶粒尺寸、硬度、疲勞強(qiáng)度(彎曲疲勞與接觸疲勞強(qiáng)度)等預(yù)測(cè)和工藝參數(shù)(主要指噴丸強(qiáng)度)優(yōu)化的多功能集成軟件，對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本具有重要意義。

　　3)復(fù)合加工是未來(lái)高性能齒輪制造的發(fā)展方向。為滿足高性能齒輪制造要求，研究噴丸與其他工藝(化學(xué)/電解拋光、真空滲碳)復(fù)合加工，不同噴丸方法之間的復(fù)合加工(例如超聲-微粒噴丸、應(yīng)力-二次噴丸)，不同彈丸類型的復(fù)合噴丸(例如鋼絲切丸- 玻璃彈丸、鑄鋼丸-陶瓷彈丸)，將會(huì)在高性能齒輪制造中發(fā)揮巨大作用。

　　4)新型噴丸系統(tǒng)開發(fā)及噴丸強(qiáng)化工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將會(huì)滿足高性能齒輪制造需求。面向日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，人們對(duì)齒輪殘余壓應(yīng)力穩(wěn)定性、微觀組織穩(wěn)定性、傳動(dòng)性能以及疲勞強(qiáng)度等方面提出了更高的要求。在不改變齒輪材料和熱處理工藝的情況下，普通噴丸工藝往往難以滿足高性能齒輪制造要求，因此有望從噴丸設(shè)備方面進(jìn)行突破。如在普通噴丸工藝的基礎(chǔ)上引入其他能場(chǎng)(例如熱場(chǎng))，開發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的新型齒輪噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)。另外，面向工業(yè) 4.0，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器等技術(shù)，開發(fā)基于“數(shù)字孿晶”的新型齒輪噴丸系統(tǒng)，在物理世界與數(shù)字世界之間建立準(zhǔn)實(shí)時(shí)聯(lián)系，最終實(shí)現(xiàn)高性能齒輪智能制造。