三、噴丸對(duì)齒輪使用性能提高的作用機(jī)理研究

　　接觸疲勞性能

　　接觸疲勞損傷：在汽車齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，齒輪副齒面接觸形式為滾滑接觸，齒輪接觸區(qū)由赫茲接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用，接觸區(qū)域出現(xiàn)了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，在交變的赫茲接觸應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下，容易導(dǎo)致齒面裂紋的萌生和擴(kuò)展，齒面出現(xiàn)接觸疲勞失效?？紤]接觸區(qū)潤(rùn)滑油，彈流潤(rùn)滑下的接觸區(qū)赫茲應(yīng)力分布如圖11所示。赫茲接觸疲勞失效形式主要以點(diǎn)蝕為主，如圖12所示。

圖11 赫茲應(yīng)力分布與彈流潤(rùn)滑分布

圖12 點(diǎn)蝕失效示意圖

　　Batista A.C等通過(guò)接觸疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車齒輪箱碳氮共滲斜齒輪齒面失效形式進(jìn)行研究。齒輪材料為AISI4130鋼，在不經(jīng)噴丸處理的情況下，齒面失效形式以宏觀點(diǎn)蝕與剝落為主，失效位置位于節(jié)圓之下，靠近有效齒廓下限位置;而氣動(dòng)噴丸處理后的齒輪，齒面的失效形式以微觀點(diǎn)蝕為主，失效位置起始于節(jié)圓之下，然后擴(kuò)展到有效齒廓靠上區(qū)域，隨后在有效齒廓下限處會(huì)出現(xiàn)宏觀點(diǎn)蝕，如圖13所示。意大利米蘭理工大學(xué)Guagliano M等發(fā)現(xiàn)：16CrNi4滲碳直齒輪經(jīng)離心式噴丸(噴丸強(qiáng)度為8 A)后，在載荷作用下裂紋萌生于外表面，隨后向次表面擴(kuò)展，最終裂紋再延伸到外表面，形成齒面宏觀點(diǎn)蝕。為進(jìn)一步研究齒輪噴丸失效形式，查明齒面失效原因。Inés Fernández Pariente等采用接觸疲勞試驗(yàn)研究了相同工藝參數(shù)下(噴丸強(qiáng)度、覆蓋率、彈丸直徑)，離心式與氣動(dòng)式噴丸對(duì)18CrMo4滲碳直齒輪疲勞損傷的作用機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)：6×10⁷循環(huán)次下離心式噴丸后齒面失效形式主要為磨損與宏觀點(diǎn)蝕，見(jiàn)圖14，其中圖14b為圖14a中的某一宏觀點(diǎn)蝕微觀形貌;而對(duì)于氣動(dòng)式噴丸，相同疲勞測(cè)試條件下齒面失效形式表現(xiàn)為宏觀點(diǎn)蝕與微觀點(diǎn)蝕，而且主要表現(xiàn)為微觀點(diǎn)蝕，圖15為不同放大倍數(shù)下的齒面微觀形貌。比較分析可得：噴丸后齒面失效形式主要與殘余壓應(yīng)力分布以及半高寬值有關(guān)。離心式噴丸后齒面殘余壓應(yīng)力較低，不能有效阻止疲勞點(diǎn)蝕萌生，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展形成宏觀點(diǎn)蝕;最大殘余壓應(yīng)力所在層深較淺，齒輪在赫茲接觸應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力更容易釋放;半高寬值低表明加工硬化不足，晶粒細(xì)化程度小，很難避免磨損發(fā)生。氣動(dòng)噴丸可避免齒面發(fā)生磨損，但要防止微觀點(diǎn)蝕的發(fā)生，微觀點(diǎn)蝕與惡劣的接觸環(huán)境有關(guān)。同時(shí)，Pariente I F等采用滾動(dòng)接觸疲勞實(shí)驗(yàn)并結(jié)合SEM與XRD技術(shù)，研究了16CrNi4齒輪離心式噴丸后不同循環(huán)次下的齒面疲勞損傷演變及殘余應(yīng)力、半高寬的變化規(guī)律，指出隨著滾動(dòng)接觸疲勞損傷的加劇，齒面殘余應(yīng)力逐漸釋放，齒面半高寬變化規(guī)律不明顯，但可通過(guò)齒面半高寬值預(yù)測(cè)滲碳、噴丸處理后的齒輪滾動(dòng)接觸疲勞損傷狀況。

　　綜上，齒輪嚙合時(shí)循環(huán)接觸應(yīng)力引起表面及表面下裂紋的形成，這是齒輪接觸疲勞失效的主要原因，接觸疲勞失效形式受噴丸方式、材料、硬度、工況、齒面摩擦、潤(rùn)滑油等影響。嚙合時(shí)齒輪接觸面摩擦力使齒面下剪應(yīng)力增加，接觸面摩擦生熱，降低了油膜承載能力，最終導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕損傷。根據(jù)赫茲接觸理論，所有的正應(yīng)力分量都是壓應(yīng)力，不會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。反之，裂紋在循環(huán)剪應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下會(huì)擴(kuò)展。所以殘余壓應(yīng)力對(duì)提高接觸疲勞強(qiáng)度方面起到了決定作用。

圖13 齒輪齒面疲勞失效形式

圖14 離心式噴丸后6×107循環(huán)次下齒面損傷顯微圖

圖15 氣動(dòng)式噴丸后6×107循環(huán)次下不同放大倍數(shù)的齒面損傷顯微圖

　　抗點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度：常規(guī)氣體滲碳齒輪齒面點(diǎn)蝕起源于由滲碳造成的晶間氧化區(qū)，噴丸殘余壓應(yīng)力抑制了赫茲接觸應(yīng)力下晶間氧化層的開(kāi)裂，從而提高了齒輪抗點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度。Kobayashi M等利用齒輪動(dòng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究噴丸對(duì)變速器滲碳直齒輪(材料為Cr-Mo鋼)點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度的影響。噴丸前齒面硬度為752HV，殘余應(yīng)力為-270 MPa;噴丸后齒面硬度達(dá)到835 HV，殘余應(yīng)力達(dá)到-330 MPa。研究發(fā)現(xiàn)：在2×10⁷循環(huán)次時(shí)，噴丸處理過(guò)的齒輪疲勞極限為未噴丸齒輪的1.35倍。采用相同材料的滾子代替齒輪進(jìn)行點(diǎn)蝕疲勞測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在相同噴丸工藝條件下得到的結(jié)果偏低，該數(shù)據(jù)為1.15倍，可見(jiàn)，滲碳齒輪噴丸后殘余應(yīng)力與表面硬度的提高是噴丸齒輪接觸疲勞性能提升的主要原因，采用滾子代替齒輪進(jìn)行疲勞點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)會(huì)低估噴丸對(duì)齒輪本身抗點(diǎn)蝕疲勞的提升作用。另外，材料性能與噴丸強(qiáng)度對(duì)齒輪抗點(diǎn)時(shí)疲勞強(qiáng)度的提升作用非常大。例如，選用AISI9310(真空熔煉鋼CVM)作為齒輪材料，齒輪經(jīng)過(guò)滲碳硬化處理，在環(huán)境溫度為350 K，轉(zhuǎn)速為10000 rpm，最大赫茲應(yīng)力1710 MPa的實(shí)驗(yàn)條件下，美國(guó)宇航局Lewis研究中心發(fā)現(xiàn)：噴丸(強(qiáng)度為0.18~0.23 mmA)后齒輪點(diǎn)蝕疲勞壽命為未噴丸齒面的1.6倍，而采用較高強(qiáng)度(0.38~0.43 mmA)噴丸，齒輪點(diǎn)蝕疲勞壽命是中等噴丸強(qiáng)度(0.18~0.23 mmA)強(qiáng)化齒面的2.15倍。Wei LI 等采用UDTM與GTM方法對(duì)20CrMnMo滲碳直齒輪噴丸后接觸疲勞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了高可靠度的S-N曲線，研究表明在恒定應(yīng)力下，考慮置信水平、可靠度的接觸疲勞壽命C-R-S-N曲線遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布;在置信水平為95%，可靠度為99%的情況下，齒輪噴丸和不噴丸處理后的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別為1810 MPa和1580 MPa，噴丸后接觸疲勞強(qiáng)度提高了14.56%，如圖16所示。

　　噴丸可提高齒面接觸疲勞性能，但由于疲勞壽命測(cè)試方法、齒輪材料、工藝參數(shù)的不同，目前滲碳齒輪噴丸后齒面接觸疲勞強(qiáng)度(或接觸疲勞壽命)增加幅度并未統(tǒng)一。

圖16 C-R-S-N接觸疲勞壽命曲線(R=0.99)

　　抗膠合性能：齒面膠合是由嚙合齒輪高壓應(yīng)力與高滑移速度引起的，常出現(xiàn)在高速重載齒輪傳動(dòng)中。Straub J C最早提出無(wú)法設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足較高的彎曲疲勞強(qiáng)度與較好的抗膠合性能的齒輪，噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)設(shè)計(jì)方法相同、工況相同的齒輪的抗膠合性能沒(méi)有直接影響。所以提出減小模數(shù)以提高齒輪抗膠合性能，但這對(duì)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度造成了一定影響。因而通過(guò)齒輪噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行提升。這樣，噴丸強(qiáng)化工藝直接提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度，并且基于齒輪設(shè)計(jì)考慮，間接提高齒輪的抗膠合性能。該學(xué)者主要從齒輪彎曲疲勞性能與膠合性能這一矛盾體出發(fā)來(lái)討論噴丸在齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程中的作用，認(rèn)為齒面膠合主要與齒面溫度相關(guān)，并沒(méi)有深入研究噴丸引入的殘余壓應(yīng)力對(duì)齒面抗膠合性能影響機(jī)制。2016年Jiwang Zhang等設(shè)計(jì)了齒輪接觸模型等效試樣(材料選用17CrNiMo6滲碳齒輪鋼)，通過(guò)膠合實(shí)驗(yàn)，從表面完整性方面揭示出：噴丸后齒面硬度與齒輪抗膠合性能成嚴(yán)格正比例關(guān)系;殘余壓應(yīng)力增加了金屬表面結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力，提高了齒輪抗膠合性能;通過(guò)降低齒面粗糙度，因而增加齒面間最小油膜厚度，可改善齒輪抗膠合性能?？梢?jiàn)，噴丸后齒面殘余應(yīng)力、表面粗糙度、硬度與齒輪抗膠合性能直接相關(guān)。

　　傳動(dòng)性能

　　齒輪噴丸后齒面產(chǎn)生微小彈坑，在彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下改善了齒輪潤(rùn)滑性能。嚙合齒輪間的空氣和潤(rùn)滑油的存儲(chǔ)量是影響齒輪噪聲輻射的重要因素，噴丸表面微觀形貌具有明顯的峰谷特征，由于齒輪所受負(fù)載不同，所以噴丸強(qiáng)化齒輪傳動(dòng)性能的好壞一直備受爭(zhēng)議，相關(guān)文獻(xiàn)較少。

　　目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于噴丸對(duì)齒輪傳動(dòng)性能的影響研究并不深入，僅僅關(guān)注齒輪表面形貌、粗糙度對(duì)齒輪傳動(dòng)性能影響，并沒(méi)有考慮表面應(yīng)力狀態(tài)與加工硬化。秦旭平等研究噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)直齒輪傳動(dòng)特性的影響，采用了分組、改變工況條件等實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，指出隨著負(fù)載的增加，噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲有不良影響。H. Mohassel等研究離心式噴丸對(duì)齒輪箱中直齒輪噪聲等級(jí)的影響時(shí)，指出噴丸后齒輪潤(rùn)滑性能提高，在靜載荷下傳動(dòng)噪聲降低，如圖17所示，并且齒面粗糙度輪廓谷深越大，噪聲水平越低。從齒輪潤(rùn)滑特性出發(fā)，周堯等采用MATLAB定性分析了直齒輪全齒面噴丸后表面微觀形貌對(duì)彈流潤(rùn)滑特性的影響。探明了齒輪噴丸后潤(rùn)滑性能改善的原因：齒輪噴丸強(qiáng)化后齒面產(chǎn)生的橘皮凹坑有利于儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，使齒面更容易建立起油膜，從而齒輪的潤(rùn)滑性能得到提高。Shuai Mo等基于彈流潤(rùn)滑理論，把螺旋錐齒輪嚙合模型簡(jiǎn)化為直齒輪嚙合等效模型，運(yùn)用有限元法建立了齒面噴丸后微觀形貌模型，揭示了螺旋錐齒輪噴丸強(qiáng)化后不同微觀形貌下的潤(rùn)滑特性即油壓分布與油膜厚度分布，如圖18與圖19所示。研究表明：噴丸后齒面上出現(xiàn)微小彈坑，增加了輪齒間的空隙，凹坑處的壓力大幅減小，能夠減小20%以上，同時(shí)油膜厚度增加，但增加幅度不大。該研究團(tuán)隊(duì)在肯定了周堯等人關(guān)于齒輪噴丸后潤(rùn)滑性能提升原因的論述后，又指出噴丸后齒面彈坑附近形成粗糙峰，阻礙了潤(rùn)滑油的流動(dòng)，有可能增加齒輪磨損;合適的噴丸工藝參數(shù)能夠改善齒面微觀形貌，有利于提高齒輪潤(rùn)滑性能，例如：適當(dāng)?shù)卦黾痈采w率與噴丸強(qiáng)度，能去除齒面刀痕，削弱粗糙度峰值，得到光滑的表面微觀形貌，改善齒面潤(rùn)滑性能;若需進(jìn)一步增加潤(rùn)滑性能，需要對(duì)齒面進(jìn)行研磨來(lái)減少表面粗糙度。以上Shuai Mo等人利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了螺旋錐齒輪噴丸后的潤(rùn)滑特性，在提高齒輪傳動(dòng)性能方面，具有一定的理論意義與工程價(jià)值，但文中所建立的齒輪噴丸有限元模型過(guò)于簡(jiǎn)化，并沒(méi)有反映真實(shí)的噴丸工況，螺旋錐齒輪具有復(fù)雜空間曲面，齒面法矢與曲率處處變化，噴丸工藝參數(shù)相同時(shí)齒面動(dòng)態(tài)沖擊力矢及生熱效應(yīng)不同，彈丸顆粒并非全部垂直于齒面，將齒面簡(jiǎn)化為平面實(shí)有不妥之處。鄭曉笛等針對(duì)新能源乘用車減速器齒輪，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步明確指出表面粗糙度、載荷是影響齒輪傳動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。研究表明：氣動(dòng)式噴丸后齒面粗糙度增加，加大了系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲;扭矩、轉(zhuǎn)速越大，振動(dòng)和噪聲的增大越明顯;提出了改善噴丸后粗糙度的措施，例如噴丸后進(jìn)行齒面拋光、自由珩等。但應(yīng)注意：齒輪噴丸后進(jìn)行二次精加工其材料去除量不能超過(guò)殘余應(yīng)力層深的10%。研究表明：噴丸對(duì)降低齒輪噪聲沒(méi)有直接益處，但彎曲疲勞強(qiáng)度的提高可以為降低噪聲提供更有效的齒輪設(shè)計(jì)方法。事實(shí)上，若噴丸后齒輪振動(dòng)、噪聲增大，從另一角度反映出噴丸工藝參數(shù)并不是最佳工藝參數(shù)。

圖17 齒輪噪聲水平　　

圖18 噴丸齒輪表面形貌　　

圖19 噴丸齒輪潤(rùn)滑特性

　　為進(jìn)一步改善噴丸后齒輪表面微觀形貌與物理性能，MIC公司提出一種化學(xué)輔助表面強(qiáng)化技術(shù)(C.A.S.E)，它是一種無(wú)向性超精拋光工藝，其工作原理如圖20所示。該工藝消除了噴丸后在齒面留下的粗糙峰，保留了較淺的微凹痕，可提高潤(rùn)滑性能。對(duì)提高齒輪抗點(diǎn)蝕性能有明顯的效果，使齒輪抗點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度提升為加工前的5倍。該工藝在保障齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度與接觸疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，可改善齒面粗糙度，使加工表面達(dá)到鏡面效果，降低了齒輪傳動(dòng)的噪聲與潤(rùn)滑油溫度等，齒面間磨損大大降低。有數(shù)據(jù)表明：滲碳齒輪噴丸后表面粗糙度Rt為2.946 μm，而再經(jīng)過(guò)C.A.S.E處理，粗糙度Rt可達(dá)到0.566 μm。

圖20 C.A.S.E工作原理

　　齒面磨削燒傷的修復(fù)

　　齒面燒傷是汽車滲碳齒輪磨削過(guò)程中面臨的突出問(wèn)題，燒傷齒輪耐磨損、抗疲勞性能大幅下降，嚴(yán)重影響了齒輪的使用性能。國(guó)內(nèi)外研究人員指出：噴丸具有磨削燒傷修復(fù)功能，使燒傷齒面抗疲勞強(qiáng)度大幅增加，按照ISO 14104標(biāo)準(zhǔn)，噴丸可使磨削燒傷修復(fù)至FB級(jí)。為進(jìn)一步研究噴丸對(duì)磨削燒傷齒面修復(fù)原因，Mitchell Roux等采用硬度測(cè)試儀沿齒廓對(duì)燒傷齒面硬度進(jìn)行表征(三條白色虛線為硬度測(cè)試區(qū))，并采用XRD對(duì)齒面燒傷區(qū)域某中心位置進(jìn)行殘余應(yīng)力表征，被測(cè)齒輪如圖21所示，其中紅色虛線所示位置為燒傷區(qū)域，圖22與圖23為磨削燒傷齒面噴丸前后齒面硬度分布圖與殘余應(yīng)力分布圖。結(jié)果表明：磨削燒傷區(qū)域噴丸前后殘余應(yīng)力與硬度變化較大，磨削燒傷表面存在拉應(yīng)力并且硬度較低，噴丸后齒面殘余壓應(yīng)力與硬度相比噴丸前大大提高。因此，噴丸通過(guò)增大燒傷齒面硬度與殘余應(yīng)力，在一定程度上起到修復(fù)磨削燒傷的作用。Koenig J等進(jìn)一步探究了齒面磨削燒傷修復(fù)方法發(fā)現(xiàn)：噴丸修復(fù)齒面磨削燒傷的方法存在齒面粗糙度較大，疲勞實(shí)驗(yàn)中齒面容易出現(xiàn)大量微觀點(diǎn)蝕;采用超精拋光(例如滾筒拋光)與噴丸復(fù)合工藝，不僅增加了燒傷齒面殘余壓應(yīng)力與硬度而且形成了較好的齒面光潔度，齒面點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度與未發(fā)生磨削燒傷試樣相當(dāng)，齒面承載能力大幅提高，但因不能完全將較深表層拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，此法只對(duì)于中、低級(jí)齒面磨削燒傷有效;因此齒面出現(xiàn)嚴(yán)重磨削燒傷后，適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)再次進(jìn)行磨削加工可修復(fù)燒傷齒面。

圖21 磨削燒傷齒輪

圖22 硬度分布　

圖23 殘余應(yīng)力分布

　　敬請(qǐng)關(guān)注下期內(nèi)容：齒輪齒面噴丸強(qiáng)化研究現(xiàn)狀與展望(三)