彎曲疲勞是齒輪傳動(dòng)中的主要失效形式，嚴(yán)重影響了齒輪使用性能。噴丸強(qiáng)化工藝是齒輪常用的表面強(qiáng)化方法，對(duì)提升齒根抗彎曲疲勞性能效果顯著。

　　介紹了兩種典型的噴丸強(qiáng)化方法(氣動(dòng)式噴丸和離心式噴丸)，分別從應(yīng)用范圍、加工效率、噴射原理、表面完整性等方面對(duì)其進(jìn)行了比較。為揭示噴丸強(qiáng)化機(jī)制，概述了噴丸工藝數(shù)值模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化方法，分析了噴丸對(duì)齒根表面完整性影響機(jī)制，并闡述了表面完整性參量之間的相互作用關(guān)系。同時(shí)，闡明了齒輪噴丸后的疲勞斷裂機(jī)理，包括裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了受?chē)婟X輪彎曲疲勞性能的影響因素，并提出了改善齒輪疲勞強(qiáng)度的措施。此外，簡(jiǎn)要探討了齒輪噴丸后，疲勞強(qiáng)度提升幅度問(wèn)題，并歸納了受?chē)婟X輪彎曲疲勞建模方法。最后，對(duì)齒輪齒根噴丸強(qiáng)化工藝進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

　　齒輪是機(jī)械傳動(dòng)的核心零部件，以汽車(chē)齒輪為例，根據(jù)功能不同可分為變速箱齒輪、差速器齒輪、車(chē)橋齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪等。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)汽車(chē)齒輪鋼有 20CrMnTi、22CrMoH、20CrNiMo、20CrMnMoH 等，而國(guó)外常見(jiàn)汽車(chē)齒輪鋼主要包括 SAE 4320(美國(guó))、SCr420H(日本)、EN35(英國(guó))、20MnCr5(德國(guó))等。齒輪運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)彎曲疲勞與接觸疲勞失效，嚴(yán)重影響了齒輪服役壽命。彎曲疲勞失效是交變載荷作用下齒根彎曲應(yīng)力所致。齒輪在工作時(shí)常被視為一支懸臂梁，齒根相當(dāng)于懸臂梁的支點(diǎn)，齒根圓角處為最大彎曲應(yīng)力集中區(qū)域，疲勞裂紋從此處萌生，若所受載荷較高，且拉應(yīng)力較大，齒輪會(huì)出現(xiàn)早期失效。在齒輪嚙合過(guò)程中，受載一側(cè)齒根圓角半徑處產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在另一側(cè)齒根圓角半徑處受到壓應(yīng)力。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，在齒根受拉程度最高處，易出現(xiàn)疲勞裂紋，而當(dāng)齒根承受壓應(yīng)力時(shí)，則不易出現(xiàn)疲勞裂紋。

　　在交變載荷條件下，齒輪彎曲疲勞失效分為三個(gè)階段：第一階段，微裂紋在齒根圓角處萌生;第二階段，裂紋擴(kuò)展到齒輪內(nèi)部;第三階段，裂紋迅速延伸擴(kuò)張，齒輪斷裂，齒根彎曲疲勞失效，如圖 1 所示。接觸疲勞是齒輪接觸區(qū)赫茲接觸應(yīng)力與剪切應(yīng)力共同作用引起的，其失效形式以點(diǎn)蝕與剝落為主。隨著近幾年汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展， 輕量化、高承載以及長(zhǎng)壽命等高性能齒輪的需求量日益增加，這對(duì)齒輪抗疲勞性能提出了更高的要求，因而齒輪表面強(qiáng)化技術(shù)顯得尤為重要。

圖 1 齒輪齒根彎曲疲勞失效示意圖

　　目前大多數(shù)汽車(chē)齒輪都是采用滲碳、淬火工藝進(jìn)行表面硬化，可在一定程度上提高齒輪疲勞強(qiáng)度。但齒輪表層殘余壓應(yīng)力水平較低，疲勞性能提升水平有限，因而只能滿足一般齒輪使用性能要求。噴丸強(qiáng)化技術(shù)是一種金屬表面冷加工技術(shù)，其工作原理是高硬度、高速運(yùn)動(dòng)的彈丸沖擊工件表面，在工件表層引入殘余壓應(yīng)力。如圖 2 所示，噴丸誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力抵消了工件外部載荷，從而提高工件抗疲勞性能。噴丸工藝通常與滲碳、淬火等熱處理工藝復(fù)合對(duì)齒輪進(jìn)行表面強(qiáng)化，齒輪噴丸后的承載能力可提升 20%~30%。在不需增加齒輪尺寸與重量的情況下，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)噴丸提升齒輪承載能力與疲勞強(qiáng)度，并達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。

　　此外，噴丸的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在：1)噴丸誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力層可防止齒面裂紋與點(diǎn)蝕;2)噴丸引入的彈坑有儲(chǔ)油功能，可提高齒輪潤(rùn)滑性能，防止齒輪膠合、磨損、剝落發(fā)生，以及降低齒輪工作溫度;3)噴丸可消除齒輪機(jī)械加工留下的刀痕，減少齒輪表面應(yīng)力集中;4)噴丸可減少滲碳表層異常組織等。因此，噴丸作為一種提高齒輪疲勞強(qiáng)度、承載能力，并滿足齒輪輕量化設(shè)計(jì)要求的表面強(qiáng)化工藝，被廣泛應(yīng)用于齒輪制造領(lǐng)域。

圖 2 外載荷下工件殘余應(yīng)力

　　目前，圍繞滲碳齒輪噴丸強(qiáng)化工藝，在工程實(shí)踐中，齒根疲勞性能的關(guān)注度普遍高于齒面，而且關(guān)于齒根噴丸強(qiáng)化的研究報(bào)道較多。為促進(jìn)噴丸強(qiáng)化工藝在滲碳齒輪齒根抗疲勞方面的應(yīng)用，本文介紹了兩種典型的噴丸強(qiáng)化工藝(氣動(dòng)式噴丸和離心式噴丸)，列舉了其各自特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上指出了齒輪噴丸工藝選取原則。首先，分析了噴丸工藝數(shù)值模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化方法，闡述了噴丸對(duì)齒根表面完整性(殘余應(yīng)力、硬度、粗糙度、微觀組織)的作用機(jī)制，并探討了表面完整性參量之間的相互作用關(guān)系，從而揭示了噴丸強(qiáng)化機(jī)理。其次，對(duì)噴丸處理齒輪疲勞斷裂機(jī)理進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)總結(jié)了滲碳齒輪噴丸處理后，影響彎曲疲勞性能的因素，并提出了彎曲疲勞性能改善措施。此外，探討了齒輪噴丸后，彎曲疲勞性能提升幅度問(wèn)題，并歸納了齒輪噴丸強(qiáng)化后，彎曲疲勞性能建模方法。最后，對(duì)齒輪齒根噴丸進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期對(duì)齒輪噴丸強(qiáng)化工藝的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用提供一些參考。在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下，文中的滲碳代表普通滲碳熱處理。

　　1 噴丸強(qiáng)化工藝方法

　　噴丸強(qiáng)化工藝通常包括氣動(dòng)式噴丸(Air-blast peening)與離心式噴丸(Centrifugal peening)，其中離心式噴丸又稱為拋丸。兩者均屬于機(jī)械噴丸工藝，最大差異在于噴射動(dòng)力和方式。氣動(dòng)式噴丸是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)丸粒沖擊工件表面;而離心式噴丸工藝是利用葉輪高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)離心力作用將丸粒拋向工件表面。兩者目的均是在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，起到表面強(qiáng)化作用，這與噴砂的用途(工件表面除銹、去除氧化皮)不同。氣動(dòng)式噴丸與離心式噴丸各有特點(diǎn)，表 1 從噴射方式、丸粒特性、應(yīng)用范圍、效率等方面，對(duì)兩種不同的齒輪噴丸方式進(jìn)行了對(duì)比。由表 1 可見(jiàn)，兩種齒輪噴丸方式并沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣之分。離心式噴丸方法加工效率高，對(duì)大模數(shù)齒輪加工優(yōu)勢(shì)突出，但對(duì)齒輪外形依賴性大，復(fù)雜外形齒輪難以達(dá)到均勻覆蓋率;氣動(dòng)式噴丸可精確控制噴射位置，但加工效率低。因而，選擇噴丸工藝方法時(shí)，需根據(jù)產(chǎn)能、成本、齒輪外形和尺寸綜合考慮。為集成兩者的優(yōu)勢(shì)，噴-拋丸混合噴丸系統(tǒng)將成為發(fā)展趨勢(shì)。另外，通過(guò)文獻(xiàn)分析可知，相同噴丸工藝參數(shù)(彈丸參數(shù)、材料參數(shù)、設(shè)備參數(shù))下，采用上述兩種加工方式所加工齒輪的使用性能之間的對(duì)比研究較少。表 1 顯示，相同噴丸工藝參數(shù)下，分別采用兩種不同的噴丸工藝所得到的噴丸效果差異明顯。因此，工程實(shí)踐中，采用不同噴丸方法欲達(dá)到滿意的齒輪噴丸效果，需依據(jù)拋噴丸標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)計(jì)不同的噴丸工藝參數(shù)(例如噴丸強(qiáng)度)。

表 1 噴丸強(qiáng)化方法比較

　　2 噴丸強(qiáng)化數(shù)值計(jì)算

　　數(shù)值模擬技術(shù)為深入揭示噴丸機(jī)理提供了強(qiáng)有力支持，可以降低試驗(yàn)成本，縮短研發(fā)周期。噴丸工藝仿真是關(guān)于幾何與物理非線性的初值與邊界值求解問(wèn)題。Comandini 等忽略滲碳引入的殘余壓應(yīng)力，對(duì) Ni-Cr 滲碳直齒輪噴丸后齒根分別進(jìn)行了二維與三維殘余應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，仿真模型如圖 3 所示。

　　結(jié)果表明，殘余壓應(yīng)力峰值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差小于 7%，齒根外表面試驗(yàn)值大于仿真值。針對(duì)齒輪噴丸強(qiáng)化工藝過(guò)程中，齒頂邊緣容易出現(xiàn)翻邊，進(jìn)而影響齒輪嚙合性能，Garijo 等基于 Workbench 有限元分析軟件，提出了一種滲碳直齒圓柱齒輪噴丸后翻邊預(yù)測(cè)與分析方法，研究表明，噴丸速度、噴嘴相對(duì)于齒輪的位置對(duì)翻邊的形成影響最大;彈丸流從齒頂向有效齒廓噴射產(chǎn)生的變形量最大，高速?gòu)椡铔_擊齒廓邊緣的最大變形量可達(dá) 0.024 mm?？紤]齒輪滲碳引入的殘余壓應(yīng)力及噴丸后殘余奧氏體的減少與齒輪表面應(yīng)變對(duì)殘余應(yīng)力的影響，Inoue 等基于有限元法計(jì)算了滲碳直齒輪噴丸后的殘余應(yīng)力值。Astaraee 等在考慮齒輪復(fù)雜幾何特征和梯度材料性能的影響，并忽略噴丸沖擊熱效應(yīng)的前提下，建立了單丸粒噴丸模型，如圖 4a 所示，采用改變噴丸角度的方法(噴射角變化范圍為 0°~35°)，對(duì)滲碳直齒輪齒面噴丸后殘余壓應(yīng)力與粗糙度進(jìn)行了有限元仿真，得到了 200%覆蓋率下齒面米塞斯應(yīng)力云圖，如圖 4b 所示。

圖3 齒根噴丸仿真

圖 4 齒面噴丸仿真

　　通過(guò)對(duì)噴丸強(qiáng)化進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，建立噴丸工藝參數(shù)與噴丸強(qiáng)化質(zhì)量表征指標(biāo)的量化關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)噴丸強(qiáng)化工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于改善噴丸效果。

　　但目前噴丸數(shù)值計(jì)算過(guò)程中存在一些不足之處：1)模型過(guò)于簡(jiǎn)化。齒輪齒根被簡(jiǎn)化為平面，而齒根的關(guān)鍵區(qū)域在齒根圓角處，并非齒底;仿真初始條件忽略滲碳誘導(dǎo)的初始應(yīng)力場(chǎng);仿真條件無(wú)法包含實(shí)際的噴丸工藝參數(shù)(噴槍個(gè)數(shù)、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速、噴槍移動(dòng)速度、彈丸形狀等);噴丸工藝模擬屬于熱力耦合問(wèn)題，仿真中忽略了熱交換對(duì)仿真結(jié)果的影響。2)噴丸工藝參數(shù)(例如彈丸速度)有時(shí)是預(yù)設(shè)的，因而對(duì)噴丸效果只能進(jìn)行定性分析。3)仿真內(nèi)容單一。目前研究主要集中于應(yīng)力場(chǎng)，其他物理場(chǎng)(例如組織場(chǎng))的仿真研究鮮見(jiàn)報(bào)道。4)材料本構(gòu)模型的精確創(chuàng)建及彈丸速度的確定難度較大。

　　目前噴丸仿真中比較常用的本構(gòu)模型包括Chaboche 模型(各向同性，隨動(dòng)硬化)、Cowper-Symonds 模型(各向同性硬化，考慮應(yīng)變率效應(yīng))、Johnson-Cook 模型(各向同性，考慮應(yīng)變率效應(yīng)、加工硬化效應(yīng)、溫度軟化效應(yīng))等。其中，Johnson-Cook 模型形式簡(jiǎn)單且參數(shù)較少，在齒輪(或齒輪鋼)噴丸工藝仿真中應(yīng)用最為廣泛。滲碳齒輪鋼本構(gòu)模型的選擇，不僅要考慮彈丸沖擊過(guò)程中材料受到的應(yīng)變和應(yīng)變率硬化影響、溫度軟化效應(yīng)以及材料的循環(huán)特性等，還應(yīng)考慮應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變的影響，因此受?chē)婟X輪材料本構(gòu)模型有待改進(jìn)。同時(shí)，上述材料本構(gòu)模型均屬于大應(yīng)變范圍下的本構(gòu)模型，對(duì)受?chē)婟X輪高周疲勞問(wèn)題相關(guān)研究(例如疲勞壽命估計(jì))并不適用。

　　目前，彈丸速度確定的方法包括試驗(yàn)測(cè)試法(例如高速相機(jī)拍照測(cè)量、傳感器測(cè)量、光學(xué)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等)與經(jīng)驗(yàn)公式法(例如利用 KIemenz 經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)阿爾門(mén)強(qiáng)度進(jìn)行速度建模，通過(guò)彈坑尺寸進(jìn)行速度預(yù)測(cè))。其中，經(jīng)驗(yàn)公式目前不具備普適性，有些公式只適用于特定噴丸設(shè)備、彈丸、阿爾門(mén)試片類(lèi)型等。試驗(yàn)測(cè)量得到的彈丸速度可靠性更高，但無(wú)疑會(huì)增加測(cè)試成本。另外，齒輪具有復(fù)雜空間曲面結(jié)構(gòu)，尤其是螺旋錐齒輪齒面法矢、曲率處處變化。噴丸工藝參數(shù)相同時(shí)，齒輪表面動(dòng)態(tài)沖擊力矢及升熱效應(yīng)不同，仿真過(guò)程中如果要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致誤差的增加。因此，需借助其他軟件(DEFORM、EDEM、YADE、ANSYS 等)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真，完善齒輪噴丸強(qiáng)化工藝數(shù)值模擬。

　　敬請(qǐng)關(guān)注下期內(nèi)容：滲碳齒輪齒根噴丸強(qiáng)化研究現(xiàn)狀與展望(二)