四、新型齒輪噴丸技術(shù)研究

　　齒輪制造通過滲碳、滲氮在表層引入一定深度的殘余壓應(yīng)力，以防止齒根處由彎曲應(yīng)力產(chǎn)生裂紋和齒面赫茲應(yīng)力造成的點(diǎn)蝕的發(fā)生，齒廓表面硬化可減少接觸區(qū)域的磨損，但表層殘余壓應(yīng)力水平較低。傳統(tǒng)噴丸增加了表層的殘余壓應(yīng)力，在高彎曲和赫茲應(yīng)力下非常有效，但齒輪表面粗糙度較高，對齒輪表面性能提升能力有限。隨著科技的發(fā)展以及對高性能齒輪制造需求，以引入殘余壓應(yīng)力，改善齒輪表面性能，進(jìn)而提升齒輪疲勞壽命為目的，傳統(tǒng)噴丸技術(shù)衍生了諸多新型噴丸強(qiáng)化技術(shù)，其中微粒噴丸(Fine particle peening)、二次噴丸(Dual peening)被廣泛應(yīng)用于汽車齒輪強(qiáng)化中，而混合噴丸(Hybrid peening)、振動(dòng)噴丸(Vibratory peening)、激光噴丸(Laser shock peening)、超聲噴丸(Ultrasonic shot peening)、空化水射流噴丸(Cavitation water jet shotless peening)目前在齒輪上的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)階段，并沒有廣泛普及到工業(yè)生產(chǎn);溫噴丸(Warm shot peening)、濕噴丸(Wet shot peening)、高能噴丸(Severe shot peening 或High energy shot peening)目前未在齒輪強(qiáng)化上得到應(yīng)用。新型齒輪噴丸工藝之間優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。每種新型噴丸強(qiáng)化工藝都無法做到十全十美，同時(shí)受殘余應(yīng)力、表面粗糙度、加工成本以及加工效率等制約，因此應(yīng)綜合每種新型噴丸工藝特點(diǎn)，根據(jù)齒輪應(yīng)用場合與成本預(yù)算，選擇合適的噴丸工藝。例如：微粒噴丸可應(yīng)用于對齒面抗疲勞、耐磨損性能要求比較苛刻的汽車變速器齒輪加工上;二次噴丸因具有表面強(qiáng)化與拋光的雙重作用，可較大程度提高齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保證了較好的齒面光潔度，適用于對齒根與齒面性能均要求較高的齒輪制造中，例如賽車傳動(dòng)齒輪、重載車橋齒輪、變速器齒輪，而且在高端齒輪產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。其他新型齒輪噴丸工藝雖可大幅提升齒面性能，但還處于技術(shù)開發(fā)的初級(jí)階段，其中有些方法對復(fù)雜幾何形狀的工件處理效果不佳，有些加工效率與成本約束大，因此目前新型噴丸方法并不能完全取代傳統(tǒng)噴丸工藝。

表1 新型齒輪噴丸強(qiáng)化技術(shù)比較

　　表面納米化是由盧柯院士等提出的概念，指通過化學(xué)或物理方法將工件材料表層晶粒細(xì)化至nm級(jí)，而基體仍然以原有粗晶組織結(jié)構(gòu)存在。這有助于改善和提高材料的耐磨損、抗疲勞、抗腐蝕以及服役性能等，因而近些年引起了科研人員的廣泛關(guān)注。表面納米化實(shí)現(xiàn)方法有多種，其中噴丸是一種最具代表性的表面機(jī)械處理方法。表面機(jī)械處理過程中，材料的晶體結(jié)構(gòu)與層錯(cuò)能決定了其晶粒細(xì)化機(jī)制，距表面不同深度處微觀組織與材料塑性變形密切相關(guān)。工件表層材料發(fā)生循環(huán)塑性變形產(chǎn)生大量位錯(cuò)、孿晶、剪切帶、層錯(cuò)等缺陷，使晶粒破碎。應(yīng)變量與應(yīng)變速率沿工件層深方向逐漸降低，其數(shù)值越大，晶粒破碎程度越明顯，因此工件材料距表面不同深度依次呈現(xiàn)出納米層、細(xì)晶層與粗晶層。如圖24為材料表層微觀組織沿表層深度分布圖，材料外表層形成納米晶，而且具有一定厚度，晶粒尺寸沿層深方向逐漸變大形成梯度結(jié)構(gòu)。工件材料粗晶層所受塑性變形最小，一般可產(chǎn)生少量層錯(cuò)、位錯(cuò)、剪切帶、孿晶等，其包括原始晶粒尺寸不發(fā)生變化的基體組織與形變粗晶組織;隨著層深的降低，應(yīng)變量與應(yīng)變速率逐步增加，位錯(cuò)或?qū)\晶數(shù)量增加，其頻繁的相互交織作用形成尺寸較小的位錯(cuò)胞或?qū)\晶，同時(shí)晶界取向差增大，形成亞晶與超細(xì)晶;材料表層中應(yīng)變量與應(yīng)變速率急劇上升，通過位錯(cuò)湮滅、重組，亞晶界的演變或形變孿晶的重復(fù)交割，工件表面形成隨機(jī)取向分布的納米晶組織。有研究表明：基于劇烈塑性變形(SPD)技術(shù)，超聲噴丸、高能噴丸可在齒輪用鋼如低碳鋼(如AISI-1018、AISI-1045、20#鋼)、中碳合金鋼(如40Cr、AISI-4340)、低碳合金鋼(如50CrMo4、39NiCrMo3)材料表面生成納米晶層;激光噴丸可在奧氏體不銹鋼、鎂合金、鈦合金等材料表面形成納米晶層，而針對齒輪用鋼未見報(bào)道。以上研究為實(shí)現(xiàn)汽車齒輪表面納米化制備提供了理論基礎(chǔ)，因此研究齒輪噴丸材料納米細(xì)晶形成機(jī)制，可形成汽車齒輪表面納米化制備方法，達(dá)到高性能齒輪制造目標(biāo)。但由于受到齒輪工件幾何尺寸、形狀、加工效率與制造成本的制約，需要與其他工藝復(fù)合才能應(yīng)用到大規(guī)模批量生產(chǎn)。

圖24 材料表層微觀組織沿表層深度分布示意圖

　　五、總結(jié)與展望

　　總結(jié)

　　1)噴丸強(qiáng)化過程中主要存在應(yīng)力強(qiáng)化與組織強(qiáng)化機(jī)制，可抑制交變載荷下齒輪表層裂紋的萌生與擴(kuò)展，但在強(qiáng)化過程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)齒面損傷。

　　2)噴丸工藝改變了表層殘余應(yīng)力分布、表面粗糙度、表層顯微硬度、表層微觀組織結(jié)構(gòu)等表面完整性參數(shù)。殘余應(yīng)力分布與噴丸工藝參數(shù)、工件材料特性及熱處理方式有關(guān)，最大殘余壓應(yīng)力為材料抗拉強(qiáng)度的50%~60%，揭示了噴丸后工件殘余壓應(yīng)力有無“天花板”的問題。噴丸工件硬度的提高是由于馬氏體相變造成的。齒面噴丸后粗糙度主要取決于機(jī)加工方法、噴丸前工件表面粗糙度、工件硬度、覆蓋率、噴丸強(qiáng)度、彈丸尺寸。塑性變形引起的晶粒細(xì)化與應(yīng)變誘導(dǎo)相變是噴丸工藝中主要發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化。

　　3)齒輪接觸疲勞性能與齒面殘余壓應(yīng)力、硬度、粗糙度、晶粒細(xì)化程度直接相關(guān)，殘余壓應(yīng)力越高，粗糙度越小，硬度越高，晶粒尺寸越小，疲勞性能越好。在相同噴丸工藝參數(shù)與疲勞測試條件下，若噴丸方式不同，其誘導(dǎo)的齒面表層性能不同，則齒面損傷形式表現(xiàn)各異。當(dāng)噴丸后齒面偏度Rsk<0，峰度Rku<3時(shí)，齒輪抗微觀點(diǎn)蝕效果最好。噴丸對齒面抗點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度的提升幅度受到疲勞測試方法、齒輪材料及噴丸工藝參數(shù)的影響。噴丸改變了齒面形貌，可促進(jìn)齒輪潤滑性能，齒面形貌對傳動(dòng)性能影響突出。C.A.S.E技術(shù)可明顯提高噴丸后齒面光潔度，并使齒輪抗點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度提升為加工前的5倍。噴丸對修復(fù)齒面磨削燒傷起到了積極作用，可修復(fù)至FB級(jí)。

　　4)新型噴丸技術(shù)可提升齒面性能，有些技術(shù)研究還不成熟，同時(shí)受到效率與成本的制約，并未推廣到工程實(shí)踐。齒輪噴丸強(qiáng)化方法的選擇應(yīng)依照齒輪應(yīng)用場合、產(chǎn)能及制造成本。二次噴丸目前在高端齒輪制造中應(yīng)用廣泛。納米化材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞、耐磨損性能，激光噴丸、超聲噴丸、高能噴丸為齒輪納米化表層的制備提供了可能性，但受到加工效率、制造成本制約，目前其相關(guān)研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

　　展望

　　1)噴丸強(qiáng)化機(jī)理及理論研究有待加強(qiáng)。噴丸是一種能量傳遞過程，其機(jī)理比較復(fù)雜。傳統(tǒng)噴丸通過強(qiáng)有力的彈丸流沖擊工件而實(shí)現(xiàn)對其表面強(qiáng)化作用，彈丸沖擊力及所產(chǎn)生的熱效應(yīng)對微觀組織演變規(guī)律(晶粒細(xì)化、位錯(cuò)演變、織構(gòu)、再結(jié)晶、相變)及機(jī)理研究比較薄弱。復(fù)合噴丸(例如高能—微粒噴丸、超聲—濕噴丸、激光溫噴丸、應(yīng)力—熱噴丸)涉及溫度、應(yīng)力、濕度等多物理場耦合，這無疑增加了噴丸機(jī)理的研究難度，目前實(shí)驗(yàn)表征方法難以滿足對噴丸機(jī)理的深入探索，需要通過數(shù)值模擬技術(shù)更好地揭示噴丸強(qiáng)化機(jī)理。

　　2)噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化問題制約著齒輪噴丸強(qiáng)化效果。工藝參數(shù)的選取需考慮齒根的彎曲疲勞與齒面的接觸疲勞失效。目前很難用一組工藝參數(shù)同時(shí)滿足齒根與齒面抗疲勞性能，噴丸工藝參數(shù)的選取往往基于經(jīng)驗(yàn)。因此可利用DEM-FEM、CFD-DEM、SPH-FEM、晶體塑性有限元方法、分子動(dòng)力學(xué)等數(shù)值模擬方法，借助響應(yīng)面法(RSM)、多準(zhǔn)則決策方法(MCDM)、多目標(biāo)優(yōu)化、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法考慮殘余應(yīng)力、粗糙度、硬度等表面完整性因素，獲得表面完整性參數(shù)、噪聲與噴丸工藝參數(shù)的映射規(guī)律，建立面向齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和傳動(dòng)性能的優(yōu)化工藝參數(shù)模型，解決工程上噴丸工藝參數(shù)的選取依靠經(jīng)驗(yàn)的情況。

　　3)“齒面—齒根”獨(dú)立噴丸系統(tǒng)的開發(fā)以及齒輪表面分區(qū)噴丸技術(shù)將會(huì)成為一種發(fā)展趨勢。齒輪的關(guān)鍵區(qū)域不止一處，最優(yōu)工藝參數(shù)的選取難度較大，隨著噴丸設(shè)備集成化水平的提升，有望從工藝上開發(fā)“齒面—齒根”獨(dú)立噴丸系統(tǒng)，即分別以不同的方式實(shí)現(xiàn)齒根與齒面分區(qū)噴丸。

　　4)建立噴丸齒輪表面性能主動(dòng)設(shè)計(jì)方法具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。目前關(guān)于噴丸齒輪表面完整性研究工作主要集中于工藝參數(shù)對表面完整性參數(shù)的影響，并未涉及噴丸齒輪表面完整性工藝參數(shù)之間的相互作用，例如：相同噴丸工藝參數(shù)下，殘余應(yīng)力與硬度的關(guān)系，硬度與表面粗糙度、硬度與晶粒大小及位錯(cuò)密度的關(guān)聯(lián)規(guī)律等。各個(gè)表面完整性參數(shù)并不是孤立的，其關(guān)聯(lián)關(guān)系不僅存在正相關(guān)，還存在負(fù)相關(guān)，目前噴丸后齒輪表面完整性參數(shù)之間的關(guān)系模型未知。為深化對齒輪噴丸機(jī)理研究，可進(jìn)行噴丸強(qiáng)化齒面表層微觀形貌—殘余應(yīng)力—硬度—微觀組織關(guān)聯(lián)規(guī)律理論與實(shí)驗(yàn)研究，建立噴丸沖擊動(dòng)力學(xué)與齒輪表面完整性參量關(guān)系模型，基于此進(jìn)行正反驅(qū)齒面性能主動(dòng)設(shè)計(jì)與可控創(chuàng)成，滿足高性能齒輪所要求的技術(shù)指標(biāo)。

　　5)面向高性能齒輪制造需求，多種工藝復(fù)合加工更具廣闊發(fā)展前景。從傳統(tǒng)噴丸與新型噴丸分析來看，目前單種噴丸工藝很難實(shí)現(xiàn)高承載、低噪聲以及齒輪與車輛同壽命的高性能齒輪制造目標(biāo)，需要與其他工藝有效復(fù)合(例如真空淬火、熱噴涂、振動(dòng)拋光等)，實(shí)現(xiàn)齒輪疲勞性能與傳動(dòng)性能間的“最優(yōu)配置”，甚至需在齒輪制造全流程中基于形性協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行表面完整性研究與性能調(diào)控。