疲勞與磨損是齒輪嚙合過程中齒面的主要失效形式，嚴重影響齒輪的綜合使用性能。噴丸強化工藝能夠有效提高齒面抗疲勞和耐磨損性能，是一種重要的齒輪齒面強化方法。

　　通過國內外文獻分析可知：噴丸強化主要存在應力強化和組織強化兩種強化機制。噴丸工藝參數(shù)對齒輪表面完整性影響的主要規(guī)律包括：殘余壓應力大小與工件硬度、強度成正比，而工件材料硬度越高冷作硬化效果越弱;齒面粗糙度隨覆蓋率適當?shù)卦黾佣鴾p小，隨噴丸強度的提高而增大;噴丸強度、覆蓋率、彈丸直徑等噴丸工藝參數(shù)決定了殘余奧氏體的轉化量等。同時，國內外在噴丸強化工藝對齒輪接觸疲勞性能、傳動性能、磨削燒傷作用機理方面開展了大量研究，主要結論如下：殘余壓應力、硬度、晶粒細化程度的增加是齒輪接觸疲勞性能提升和磨削燒傷修復的主要原因，噴丸引起的齒面粗糙度升高制約了齒輪使用性能的提升，可通過齒面拋光等精加工工藝來改善。此外，介紹了微粒噴丸、二次噴丸、振動噴丸等新型噴丸強化方法，從表面性能、環(huán)保、工程應用、疲勞性能等方面，客觀評價了新型噴丸強化方法的優(yōu)點與不足。最后，對齒輪齒面噴丸強化工藝進行總結，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。

　　齒輪是基礎傳動零件，目前中國齒輪行業(yè)年銷售額已突破2200億元，產業(yè)規(guī)模已連續(xù)數(shù)年位居全球第一，但高端齒輪與國際先進水平還存在距離。如汽車齒輪的比重占整個齒輪市場約40%，但高端汽車齒輪仍需依靠進口，對外貿易逆差巨大。國產重卡螺傘齒輪的使用壽命不及國外先進水平的20%;汽車弧齒錐齒輪國際高端產品140 km時速下噪聲小于70 dB，國內只有少數(shù)輕型汽車企業(yè)達到相同水平，大多數(shù)企業(yè)齒輪產品噪聲為70~90 dB;對于汽車變速器齒輪，日本產品的壽命可達到1.2×106 km，而國內這一指標只有8×105 km，并且國外變速器噪音比國內同類產品至少要低3~5 dB。齒輪制造質量制約了我國高端裝備的發(fā)展，我國齒輪制造技術應從高精度“成形”制造向以表面完整性為目標的成形成性協(xié)同的“抗疲勞制造”轉變。噴丸強化技術是提高汽車齒輪抗疲勞強度并滿足齒輪輕量化設計要求的一種常用工藝，是實現(xiàn)高性能齒輪制造的關鍵技術之一。通過對汽車齒輪進行噴丸強化，可減少齒輪的設計環(huán)節(jié)，工程技術人員不需要選擇新型、輕質材料就可以滿足高速、長壽命、輕質汽車的制造需求。從經濟與生態(tài)角度講，噴丸既可以提升汽車性能，降低制造成本，又可以提高燃油效率，更加符合齒輪綠色制造的理念。

　　噴丸強化工藝由傳統(tǒng)噴丸與新型噴丸工藝組成。傳統(tǒng)噴丸包括氣動式噴丸與離心式噴丸(又稱拋丸)，新型噴丸工藝包括微粒噴丸、二次噴丸、振動噴丸等傳統(tǒng)噴丸以外的其他噴丸方法。彎曲疲勞是齒輪嚙合過程中常見的疲勞失效形式，國內外研究人員普遍關注噴丸對齒根的強化效果，圍繞齒根彎曲疲勞強度的研究較多，并且多以實驗為主。研究內容主要包括：齒輪疲勞斷面的表征分析、表面完整性參數(shù)與齒輪彎曲疲勞強度的相關性研究、齒輪裂紋擴展與彎曲疲勞壽命的分析預測、非金屬夾雜物對齒輪彎曲疲勞性能的影響、噴丸工藝參數(shù)(覆蓋率、噴丸強度等)對彎曲疲勞性能的影響、熱處理方式對齒輪彎曲疲勞性能的影響等。而且大部分研究工作集中在變速器齒輪、差速器齒輪以及車橋齒輪。研究表明：齒輪彎曲疲勞壽命的提升很大程度上受表面完整性參數(shù)以及噴丸工藝參數(shù)的影響。一般情況下，傳統(tǒng)噴丸強化可以使齒輪在106循環(huán)次下的彎曲疲勞強度提高30%以上。重載齒輪通常為大模數(shù)齒輪，其輪齒厚度大，基本滿足彎曲疲勞強度要求。因此齒面疲勞與磨損為其主要損傷形式，特別是近年來加裝緩速器的重載車橋主減速器螺旋錐齒輪副齒面磨損與疲勞失效問題日趨突出，開展噴丸對齒面性能的影響研究顯得尤為重要。

　　本文在闡述噴丸強化機制的基礎上，綜述了噴丸對齒輪表面完整性(殘余應力、顯微硬度、表面粗糙度、微觀組織)的改善機制，探討了噴丸工藝參數(shù)與齒輪表面完整性之間的相互關聯(lián)規(guī)律，并且重點總結了噴丸在齒輪接觸疲勞、傳動性能、磨削燒傷修復等使用性能方面的研究狀況，闡明了噴丸齒輪表面完整性對齒輪使用性能提高的作用機理。介紹了一些典型的新型噴丸方法，客觀評價了新型齒輪噴丸技術的優(yōu)點與不足，指出應根據(jù)齒輪應用場合、產能及制造成本合理地選擇噴丸方法。最后，對齒輪齒面噴丸進行總結并對進一步提高噴丸效果的關鍵技術進行了展望，以期對我國齒輪噴丸強化工藝的理論研究和實踐應用提供一些參考。

　　1 噴丸強化機制研究

　　噴丸強化工藝是一種金屬表面冷加工工藝，高速運動的介質(彈丸、激光束、水流等)沖擊工件，在工件表層形成塑性變形層，并且在工件表面留下凹坑;這種沖擊導致工件表面發(fā)生拉伸變形，在凹坑下方被壓縮的晶粒試圖將工件表面恢復到初始的狀態(tài)，被拉伸的表面因不能完全復原，因而產生殘余壓應力場。噴丸強化工藝的物理意義實際上是工件吸收介質的部分能量后，產生塑性變形。噴丸強化工藝改變了工件表面性能。如圖1a所示，噴丸在工件表層引入殘余壓應力場，稱之為應力強化機制；如圖1b所示，噴丸引起了工件顯微組織的改變(如亞晶粒尺寸變小、位錯密度增大、塑變誘導馬氏體相變等)，稱之為組織強化機制;噴丸后工件表面粗糙度增大，稱之為弱化效應。噴丸強化機制主要包括應力強化機制與組織強化機制。圖1a也表示了典型的噴丸殘余應力分布，殘余壓應力沿變形層深先逐漸增大，達到最大值后再逐漸降低，最大殘余壓應力位于噴丸表面以下某一深度，隨著變形層深的增加，在塑性變形層中性軸處，殘余壓應力為零，最后逐漸變?yōu)槔瓚?，工件次表層中拉應力場與表層殘余壓應力場相平衡。表面粗糙度的增大可能導致微裂紋的出現(xiàn)或者應力集中效應增高，使工件疲勞強度降低。當工件受到外載荷(如彎曲)時，工件噴丸后，表面引入殘余壓應力會抵消外部載荷所產生的破壞性平均拉應力(金屬疲勞失效的元兇)對工件的作用，并且阻止工件微觀組織結構上位于最大剪切力方向附近的晶體滑移，起到了提高工件疲勞強度的作用。另外，噴丸引起的應力強化還表現(xiàn)在能降低疲勞載荷作用下的應力比，進而提高工件裂紋擴展疲勞壽命。工件噴丸后微觀組織的變化不但阻礙了塑性變形層內的晶體滑移，而且能把內部金屬所發(fā)生的滑移阻止在塑性變形層與內部的界面上，有效阻止了工件表面疲勞裂紋的萌生。所以一般認為，應力強化可有效延緩與阻止工件材料疲勞裂紋擴展，組織強化可有效延緩與阻止工件材料疲勞裂紋萌生。

圖1 噴丸強化機制示意圖

　　噴丸是一個極其復雜的工件表面強化工藝，這些強化機制與弱化效應依賴于噴丸工藝參數(shù)的選取以及工件材料的動態(tài)力學性能。噴丸強度過高會造成工件過噴，噴丸層深過大，工件表面以下會產生很高的拉應力，導致裂紋萌生。噴丸強度過低會造成工件欠噴，無法得到較大殘余壓應力和組織強化層，不能提高工件疲勞應力。因此將噴丸工藝參數(shù)納入齒輪疲勞定量化設計當中，可獲得良好的噴丸效果，有效地提高齒輪壽命。圖2為傳統(tǒng)噴丸主要的工藝參數(shù)，其中包括噴丸設備、噴丸介質以及工件的相關參數(shù)。噴丸工藝參數(shù)間不同的組合形式引起了不同深度的殘余應力分布，從而產生了不同的噴丸效果。

圖2 噴丸工藝參數(shù)

　　2 噴丸對齒輪表面完整性改善機制研究

　　材料的表面完整性決定其疲勞強度，相同條件下的表面完整性等級越高，材料的疲勞強度越高。同濟大學高玉魁教授系統(tǒng)地研究了材料表面完整性的內涵，將表面完整性劃分為表面狀態(tài)與表面性能，其表征參量可歸納為：表面幾何形狀(表面形貌、加工紋理度、波度、表面粗糙度等)、表面力學特性(屈服強度、拉伸強度、顯微硬度、殘余應力等)、表面組織結構(組織、相結構、相含量等)以及針對電磁材料的導電、導磁性能和針對生物材料的生物相容性等方面。工件噴丸后，表層殘余應力、顯微硬度、表面粗糙度以及微觀組織結構對齒面使用性能的影響最為突出。

　　殘余應力：MIC公司Breuer D研究了噴丸強化工藝對“淬火+回火”、“感應淬火”、“滲碳+淬火”三種不同熱處理下的齒輪殘余應力的影響。研究表明殘余應力大小與被噴材料的硬度與強度成正比，材料越硬，噴丸效果越好，齒輪抗疲勞性能越好;最大殘余應力值正比于材料抗拉強度(UTS)。在齒輪噴丸之前進行“滲碳+淬火”處理，其抗疲勞性能最好。研究表明工件噴丸強化后最大殘余壓應力為材料UTS的50%~60%，這反映出齒輪噴丸后，殘余壓應力不可能無限增大這一事實。噴丸層深與噴丸工藝參數(shù)以及材料性能有關(主要指材料表面硬度)。在相同噴丸強度下，材料越軟，殘余應力層深越大。彈丸直徑與速度越大，所產生的沖擊能越大，工件的殘余應力層深越大。殘余應力層深是傳遞給受噴表面動能的函數(shù)，也是彈丸質量、噴丸時間、噴射速度的函數(shù)，噴丸殘余應力層深存在臨界值，即每一被噴表面的層深不超過被噴工件厚度的10%。所以噴丸效果的好壞與材料本身的物理性能與熱處理方式密切相關。噴丸工藝參數(shù)、彈丸材料、工件材料的改變一方面導致表面殘余應力的變化，另一方面很大程度上影響了最大殘余應力層深。圖3概括了噴丸工藝參數(shù)對受噴試樣殘余應力分布的影響，當噴丸工藝參數(shù)增加時，箭頭顯示了殘余應力分布的移動方向。工件硬度的增加導致了殘余應力層深的降低和表面下最大殘余壓應力值的形成，并且最大殘余應力值隨著工件硬度的增加而變大;彈丸硬度增加導致最大殘余壓應力增加，這一規(guī)律適用于硬度大的工件材料;噴丸壓力與彈丸直徑越大，殘余壓應力層深越大，最大殘余壓應力所在深度越深。

圖3 噴丸工藝參數(shù)對殘余應力分布的影響

　　同濟大學高玉魁教授以40Cr齒輪鋼為例，揭示出噴丸工藝參數(shù)與受噴試樣殘余應力場分布特征參量的定量關系，見式(1)—(4)。其中，σ_mcrs表示最大殘余壓應力；σ_srs表示表面殘余壓應力；Z₀表示殘余壓應力場深度；Z_m表示最大殘余壓應力所在層深；σ0.2表示屈服強度；R表示修正系數(shù)；D_d表示彈坑直徑；S表示彈丸直徑；C表示覆蓋率。由于齒輪噴丸強化工藝參數(shù)多樣化，齒輪種類繁多，齒輪熱處理方式不同以及各齒輪生產廠家所使用的噴丸標準不一等因素，因此目前很難建立具有普適性的齒輪噴丸工藝參數(shù)與殘余應力場分布特征參量之間的解析模型。

　　一般來講，高功率密度齒輪制造從齒坯鍛造開始，通過銑削或滾齒等工藝完成對齒坯的切削加工，再經熱處理使齒輪表面硬化，最后根據(jù)幾何公差和表面完整性的要求，對齒輪進行精加工與噴丸等工藝。Heyn E提出利用彈簧模型來描述工藝鏈中每種工藝殘余應力的演化過程，Rego R等基于Heyn模型提出等效層模型，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)：切削加工與熱處理之間、噴丸與磨削之間為殘余應力不穩(wěn)定階段。齒輪制造每種工藝之間殘余應力的相互作用直接影響齒輪疲勞壽命與失效形式，整個制造工藝鏈中的殘余應力分布是高性能齒輪制造不容忽視的表面完整性參數(shù)之一。

圖4 殘余應力系統(tǒng)彈簧模型

　　顯微硬度：一般情況下，常用噴丸后材料的顯微硬度值來表征材料冷作硬化特性。當彈丸硬度足夠大時，工件材料硬度越大，殘余壓應力值越大，硬化層較淺。噴丸對較軟材料的冷作硬化效果較明顯，而且硬化層較厚;但對于高硬度工件材料(如淬硬鋼、冷成型鋼)，會出現(xiàn)加工軟化效應。圖5概括了噴丸工藝參數(shù)對材料硬度與半高寬的影響，因此彈丸硬度應與工件材料硬度相當?；诖耍醒芯勘砻鳎簭椡栌捕葢哂诨蛘叩扔邶X輪材料硬度，當彈丸較軟時，彈丸的塑性變形會消耗一部分動能，工件的塑性變形會因此減少。由圖5可得，覆蓋率過大或者噴丸時間過長也會引起加工軟化效應，因此應避免工件過噴。噴丸過程中，材料發(fā)生持續(xù)塑性應變，應變的增加引起位錯增殖，但同時也伴隨位錯的湮滅;在某一應變下，當位錯增殖速度與湮滅速度相等時，系統(tǒng)的位錯密度達到動態(tài)平衡，此時材料硬度達到最大。此后，應變的進一步加大會誘導加工軟化。噴丸加工軟化不止針對高硬度工件材料，研究表明對銅、鋼、鋁鋰合金、奧氏體不銹鋼、純鋁等FCC或者BCC金屬有噴丸軟化的影響。噴丸過程中，在塑性變形與沖擊熱的共同作用下，工件織構發(fā)生演變以及表層組織發(fā)生動態(tài)回復、再結晶，使材料的位錯密度與變形抗力降低，導致加工軟化。

圖5 噴丸工藝參數(shù)對硬度與半高寬的影響

　　滲碳齒輪由于從表面到心部碳含量逐漸下降，因此最大顯微硬度值位于表面，之后沿層深下降至一穩(wěn)定值。由于冷作硬化作用，噴丸后齒輪表面的硬度增加。但是，從齒輪表面到心部由于材料晶粒細化程度降低，馬氏體相變變弱，位錯密度變小，噴丸誘導塑性變形減小，呈現(xiàn)出圖6所示的硬度梯度。在次表層-52 μm處硬度最大，而最大殘余應力也出現(xiàn)在次表層，說明硬度的提高與殘余壓應力有關;在130 μm處顯微硬度下降最快，這說明噴丸對顯微硬度的影響消失，而熱處理工藝(滲碳、淬火)對顯微硬度的影響起主導作用。顯微硬度從455 μm處到心部趨于穩(wěn)定。硬度梯度的平穩(wěn)過渡對疲勞強度的提高非常重要，硬度梯度變化過快容易產生應力集中點。齒面下硬度越高，齒輪抗疲勞性能、耐摩擦磨損性能越好。但是，滲碳齒輪噴丸強化后滲碳層深度基本保持不變，始終位于齒輪心部硬度值高10%的位置。從微觀角度，噴丸強化齒輪表層顯微硬度的提高是由于噴丸誘導齒輪表面微觀組織結構發(fā)生變化，即奧氏體晶粒細化和馬氏體相變引起的殘余奧氏體含量的減少。噴丸后齒輪表面形成以致密馬氏體為主的微觀組織，但有時滲碳齒輪噴丸后次表層最大硬度僅略微增長，漲幅不大，這是因為材料塑性變形已經達到極限，噴丸前滲碳齒輪高位錯密度和碳含量使硬化后的次表層不能進一步累積局部塑性應變的結果。

　　表面粗糙度：在汽車領域，表面粗糙度通常被認為是影響齒輪潤滑、接觸疲勞性能和傳動效率的關鍵因素。噴丸改變了齒輪表面粗糙度與表面形貌。Santa-aho S等通過SEM表征實驗，研究噴丸強化工藝對17NiCrMo6-4滲碳齒輪齒面粗糙度的影響，如圖7所示。圖7a—圖7d分別表示磨削后原始齒面、“磨削+噴丸”(噴丸強度0.4 A，覆蓋密度0.05 kg/cm²)、“磨削+噴丸”(噴丸強度0.61A，覆蓋密度0.065 kg/cm²)、“磨削+噴丸”(噴丸強度0.65 A，覆蓋密度0.15 kg/cm²)齒面。研究發(fā)現(xiàn)：噴丸能夠去除機加工帶來的齒面刀痕，當原始齒面非常粗糙，增大噴丸強度與覆蓋密度可減小粗糙度，但可能會誘發(fā)齒面損傷;噴丸后彈坑的出現(xiàn)使齒面粗糙度增大。覆蓋密度與粗糙度Ra線性相關，在減少粗糙度的諸多噴丸工藝參數(shù)中起到了關鍵作用，如圖8所示。Santa-aho S等人的研究并不是基于單因素實驗，而且研究中彈丸硬度較工件軟，因而噴丸強度對粗糙度的影響較小，覆蓋密度對粗糙度的影響較大，因此得出“同時增加噴丸強度與覆蓋密度會減少齒面粗糙度”的結論。因覆蓋密度與覆蓋率皆與噴丸時間、噴嘴個數(shù)、彈丸流量成正比，而與受噴工件面積成反比，因此從某種意義上可認為兩種參數(shù)是等效的。一般而言，增大噴丸強度會增大齒面粗糙度，而在已噴丸工件基礎上適當提高覆蓋率(高覆蓋率下的高能噴丸除外)有利于減小齒面粗糙度。可見，覆蓋率與噴丸強度對表面粗糙度的影響并不一致。相同噴丸強度下，彈丸直徑越大，齒面粗糙度越小。噴丸后的齒輪表面粗糙度值取決于機加工方法、噴丸前工件表面粗糙度、工件硬度、彈丸尺寸、噴丸強度等。彈丸直徑對齒面粗糙度的影響程度大于彈丸速度。當工件初始表面粗糙度在125RMS以上，噴丸后表面粗糙度會減小；而當工件初始表面粗糙度在125RMS以下，噴丸后表面粗糙度會增加。

圖7 不同噴丸工藝參數(shù)下的齒面SEM微觀形貌　　

圖8 覆蓋密度對粗糙度Ra的影響

　　噴丸后齒面粗糙度增加會造成齒輪副嚙合溫度升高，可能引起齒面殘余應力釋放，降低齒輪的疲勞強度。如果嚙合輪齒表面溫度超過正火溫度，殘余壓應力會釋放，噴丸作用將喪失。AGMA指出：噴丸后齒輪主動面粗糙度過大，容易增加微觀點蝕的風險，提出可以通過降低彈丸硬度或者噴丸后進行齒面精加工等方法有效控制表面粗糙度對接觸疲勞性能的影響。為進一步量化齒面粗糙度與微觀點蝕的關系，優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)，最終減少齒輪微觀點蝕的發(fā)生，Peyrac C等提出：當齒面偏度Rsk<0，峰度Rku<3時，油膜厚度最高，齒輪抗微觀點蝕效果最好。但由于技術保密，所選噴丸工藝參數(shù)并沒有在此文獻中顯示。油膜厚度可用來預測微觀點蝕，油膜厚度越小，越容易發(fā)生微觀點蝕。粗糙度與油膜厚度λ的關系可用式(5)—式(6)表示。其中，h_min表示最小油膜厚度;σ表示表面粗糙度RMS；σi分別表示表面粗糙度參數(shù)Ra、Rpm或Rq。

　　微觀組織：在淬火過程中不轉變?yōu)轳R氏體的奧氏體稱為殘余奧氏體。滲碳齒輪鋼通常含有約20%~30%的殘余奧氏體，若噴丸前齒輪鋼試樣奧氏體含量較高，并不意味著噴丸后奧氏體轉化量高，噴丸后并不一定能得到較高殘余壓應力，殘余應力很大程度上是由噴丸強度、覆蓋率、彈丸直徑等噴丸工藝參數(shù)決定的。圖9為某一齒面噴丸后金相組織結構圖，材料為17NiCrMo6-4表面硬化鋼，噴丸強度為20 A。利用光學顯微鏡對齒輪截面表征，可發(fā)現(xiàn)齒面表層出現(xiàn)細小致密馬氏體，并且含有少量殘余奧氏體、塊狀上貝氏體和針狀下貝氏體，齒輪心部由低碳馬氏體與鐵素體組成。噴丸對齒面表層組織影響很大，起到了細化馬氏體亞結構的作用，但對心部組織影響甚微。圖10為滲碳齒輪鋼噴丸強化后彈坑周圍馬氏體含量的等值線圖，圖10a表示只考慮應力協(xié)助相變情況下的馬氏體含量圖，相變發(fā)生在有拉應力存在的接觸面邊緣。圖10b表示應力應變誘導相變馬氏體含量圖。研究表明：彈丸沖擊材料時，彈坑之下平均壓力比較高，抑制了相變的發(fā)生;而彈丸回彈時，平均壓力減小，彈坑下塑性應變誘導相變發(fā)生。圖10b與Nordin E等人的實驗測試結果一致，即應變誘導相變是齒輪噴丸相變發(fā)生的主要原因。材料為18CrNiMo的高速重載齒輪試樣經滲碳處理后容易在表面形成一層非常薄的幾微米厚的白色氧化碳層，氧化碳層內部存在氣孔、碳化物顆粒以及微裂紋，噴丸強化不僅可以抑制多孔結構，消除碳化物顆粒，而且可以改善其微觀組織結構。

圖9 金相組織結構

圖10 馬氏體含量等值線圖

　　綜上，塑性變形引起的晶粒細化和應變誘導相變是噴丸強化工藝中主要發(fā)生的微觀結構變化，這是彈丸顆粒反復撞擊工件表面而產生的累積的局部塑性應變的結果。噴丸強化工藝通過冷作硬化使表層殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。因此，可在不降低疲勞強度或提高脆性和缺口敏感性的前提下，提高材料的硬度和耐磨性。

　　敬請關注下期內容：齒輪齒面噴丸強化研究現(xiàn)狀與展望(二)