大型矿车使用齿轮的喷丸强化工艺研究

1 齿轮喷丸强化的基本概念及原理

 1.1 齿轮喷丸强化的基本概念

喷丸强化 工艺是利用高 速喷射 的弹丸流连续 不断地撞击齿面的过程 ，如 同无数小锤对齿 面进行 锤击 ，使齿 面产 生非均匀性 的塑性变形 ，使 齿面产 生一定厚度的冷作硬化层 ，这一硬化层即齿 面的强 化层 ，由此导致工件表层 (含次表层 )材料的显微组 织发生有利 的变化 ，并引入残余 压应力场 ，达到提 高齿轮疲劳强 度和提高使用寿命 的一 项表面冷处理强化技术。 喷丸强化也称之为强化喷丸或受控喷丸 。

1.2 齿轮喷丸强化的重点部位

因传递扭 矩而使齿 根部位受 到很 大 的交变 弯曲应力 ，特别是 齿根处要有 足够的强度 。因此 ，齿 轮喷丸强化的重点部位 :

1 ) 在 渗 碳 淬 火 后 需 磨 齿 的 齿 轮 ，不 论 采 用 哪 一 种磨齿工艺 ，齿轮喷丸强化的重点是对齿根部 位的 强 化 ;

2)经表面淬火或辉光离子氮化后不需磨齿的 齿轮，齿轮喷丸强化的重点仍是对齿根部位 的 强化。

1.3 齿轮喷丸强化的原理

齿轮喷丸强化是一种受控 的喷丸技术 ，是将高 速 的弹丸流连续不断撞击齿 面、齿根部位 ，使齿 轮 在弹丸流的撞击作用下发生塑性变形(塑性变形层 的厚度通常处于 0.1~0.5mm之间)。这一影响延 伸到齿轮材料的表层 ，在表层下产 生较高 的残余压 应力 、加工硬化 和形变 组织细化等有 利的变化 ，抵 消不 良的拉应力 ，该残余压应力延缓了疲劳断裂 的 形成 ，有效地提 高了齿轮的抗 弯曲疲 劳强度 ，延长 了齿 轮 的使 用 寿命 。

材料表面层 内的形变具 有塑性循环变形 的特 性。循环应变的结果使材料的表面形成“循环硬 化”层或 “循环 软化”层 ，统称循 环应变层 ，简 称应 变层 。

应 变 层 内 发 生 两 种 变 化 :组 织 结 构 (位 错 密 度 及形态 、亚晶粒尺寸、相转变等)的变化和残余应力 的变化 。合理地控制应变层 内的这些变化 ，可 以改 善零件的表面完整性 ，从 而可 以提高零件在 室温下 和某些零件在 高温条件下 的疲劳断裂抗 力和应力腐蚀开裂抗力。

2.齿轮喷丸强化的工艺参数

影响喷丸强化效果的工艺参数 : 弹丸种类、弹丸直径、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度 、喷射距离 、喷射 时间、喷丸强度等 。其 中任 何一个参 数 的变化都会不 同程度地影 响喷丸强度 和覆盖率 ，从而影响喷丸强化 的效果 。测评 喷丸强 化质量有两个基本参数 :即喷丸强度 和覆盖率。覆 盖率是通过 目测 ，而 喷丸强度需利用阿尔门试 片进 行测量 。

2.1 喷 丸 强 度 的 测 量 和 ALM EN 试 片 及 图 纸 上 标 注方法

2.1.1 喷丸强度的基本概念和测量方法

1 ) 阿 尔 门 (A L M E N ) 弧 高 值 测 定 法 。 目 前 国 内 外 应 用 最 广 的 方 法 是 采 用 美 国 SAE442A 和 SA E 443 标 准 中 规 定 的 阿 尔 门 (A LM E N )弧 高 值 测 定法 ，即使用 一定规格 的弹 簧钢试片 ，通过 检测喷 丸强化后 的形状变化来反映喷丸效果 ，具体测量方 法 见 图 1所 示 ;

2)残余压应力检测法。采用美国 SAEJ784A 标准中规定的检测方法，经喷丸强化后的齿轮进 行 残 余 应 力 的 检 测 ，常 用 的 检 测 方 法 为 X 射 线 衍 射法。

2.1.2 ALMEN试片

1)材 料 :70号 (或 65M n)冷 轧 弹 簧 钢 带 ; 2)采用弧高度试片测定受喷齿轮的强度，其试片规格与技术要求详见表 1。

试片的应用范围见表2所示

在 弧 高 为 0.10~ 0.60 ITlrn 的 喷 丸 强 度 范 围 内 ，使用 试 片 A ;强 度 低 时 使 用 试 片 N ;强 度 高 时 使 用 试 片 C 。

2.1.3 齿轮喷丸强化在图纸上的标注方法

包括测量仪读数和使用 的试片类 型，例如: 0.45 A

0.45 表 示 测 量 仪 读 数 :0.45 m m

试 片 型 号 为 :A 型 2.2 覆盖率

受喷零件表面上 弹痕 占据面积 与受喷表 面总 面积之 比为表面覆盖 率简称覆盖率 。以百分数 表 示，完全覆盖是覆盖率大于或等于100 。由于覆 盖率是根据弹坑所 占面积数据计算而得 ，当覆盖率 很高时 ，弹坑不易分辨 ，准确测量面积甚为困难 ，而 98 的测量试验较易进行 ，因此以 98 的数字定义 为i00 的覆盖率，而2倍于1009/6覆盖率时间所达到的覆盖率定义为200 的覆盖率，以此类推。 2.2.1 覆盖率常用的检验方法

1)目视检验法。用 10~40倍放大镜 目测检查覆 盖 率 ; 2)荧 光 追 踪 器 检 验 法 。 对 于 目 标 覆 盖 率 的 检 验 非常有效，同时可确保其再现性。用荧光追踪器在扫 描表面时的颜色来 判断 ，如果 在 紫外光 下没有 任何 颜 色 显 示 ，则 表 明 工 件 表 面 已 达 到 100 覆 盖 率 。

检查覆盖率时，应 以检查工件为准，而不是 ALMEN试片，应该检查实际工件所有要求喷丸的区域是否全部被覆盖。

2.2.2 覆盖率与喷丸强度的关系

在其它参数 固定 的条件下 ，覆盖率取决 于喷丸 时间。因此 ，覆盖率和喷丸强度之间存在有 内在联 系 ，覆盖率和喷丸强度共 同影响喷丸作用效果 。

实验证实，喷丸达到3O 的覆盖率时，疲劳强 度就有明显变化 ，随覆盖率增 大，疲 劳强度增加 ，当 覆盖率超过80 之后，疲劳强度增加变缓。

2.3 弹丸的质量和种类及弹丸硬度的选择

2.3.1 弹丸的质量

弹丸质量和弹丸速度 ，决定 了喷丸强化效果的稳定性。对一定喷丸设备 和工件而言，弹丸质量对 喷 丸 强 化 效 果 影 响 很 大 ，一 般 规 律 是 :1)弹 丸 直 径 小 ，工 件 表 面 残 余 应 力 较 高 ，但 强 化 层 较 浅 ; 2 ) 弹 丸 直径大，工件表面残余应力较低，但强化层较深; 3)弹 丸 直 径 增 加 ，喷 丸 强 度 也 增 加 ;4)弹 丸 速 度 增 加 ，喷丸强度 、表面压力和强化层深三者均增加。

2.3.2 弹丸的种类

在齿轮的喷丸强化中，常用的弹丸有 以下几 种 :铸铁弹丸、铸钢 弹丸、不锈钢 弹丸、钢丝切 割弹 丸、玻璃弹丸 、陶瓷 弹丸 ，其 中最有发展前途 的弹丸 为钢丝切割丸。

2.3.3 弹丸硬度的选择

选择弹丸时 ，应使弹丸 的硬度大于或等于齿轮 喷丸表面的硬度，TEREX矿用汽车传动齿轮原版 图纸中，齿面的硬度要求在 58~62HRC，因此最好 选用硬度为 55~65HRC的弹丸，同时要求弹丸硬 度的一致性要好 ，以便喷丸强化后得到满意的压应力效果和表面强化层深度 。

3 齿轮喷丸强化的注意事项

 (1)对齿轮的无损检测 (磁粉探伤和着色探伤)应在齿轮喷丸强化前进行 ，因为喷丸强化时表面的 塑性流变会将细微裂纹掩盖起来 。

(2)较高的温度 (232°C以上)会使 残余 压应力 释放 ，削弱喷丸效果 。据有关资料表 明:西安交 大 何家文教授对这种压应力进行 了专 门研究 ，该压力 随温度 的上升而逐渐衰减 ，一般在 400°C左右就衰 减完毕。因此 ，所有的热处理工艺必须在喷丸之前 完成 。

(3)一般来说 ，所有 的机 械加工也应在 喷丸强 化前完成 。齿轮喷丸强化前应 检查所有 的加 工项 目，是否符合 图纸的要求 ，包括尺寸 、形位公差 、表面 粗 糙 度 等 要 求 (含 内 、外 圆 角 及 抛 光 要 求 等 )。 (4)齿轮喷丸强化前应清除零件表面 的灰尘、 油污、腐蚀物等 ，除另有规定者外 ，也应去除零件 的防护层 。

(5)如果在齿根部位存 在明显 的加工 刀痕 ，就应施 以足够 的喷丸强度 以产生足够 的压 应力深度 来抵消刀痕 的不利作用 。喷丸时所用 的弹丸丸粒 直径，应小于齿根过渡圆角 曲率半径的一半 。

（6）目前国外对齿轮的残余应力要求为- 800MPa —— -1200MPa，单纯靠渗碳淬火很难达 到 ，通过二次喷丸强化 (也有称之为复合喷丸)就可 以满足这一要求。喷丸强化所形成的残余压应力 值 ，通过 X射线衍射应力测定仪进行测定 。

(7)在 图纸 中规定 禁止喷丸 的部位 ，应加 以保 护 ，采 取 遮 盖 措 施 。

(8)在喷丸过程中，弹丸尺寸和形状必须严格 控制 ，尽量减少破裂的碎粒 。因为这些带尖棱角状 的碎粒会损伤齿轮 的表面;应该定期对 弹丸进行检 查 ，以控制弹丸 的尺 寸和形状在规定 的范 围内;弹 丸质量应符合以下两点的要求:1)弹丸必须具备一 定的冲击韧性，其几何形状应接近于球形，切忌带尖棱角状 ;2)在喷丸和 内循 环使用的弹丸总量 中， 符合名义尺寸的弹丸，按重量计算不得少于 80 。

(9)测 量 时 所 用 的 标 准 弧 高 度 ALM EN 试 片 应符 合 表 1的 规 定 。
弧高度测量装 置包括 固定试 片夹具及 弧高度的测量应符合喷丸强化测量及试片弧高图中的 规定。

4 齿轮喷丸强化的质量控制

(1)根据齿轮 的工作 状态及对性 能的要求 ，喷丸强度值根据产品图样 的技术要求而定，一般为 0.35 A 以 上 。

(2)表面覆盖率应符 合图纸 的技术 要求 ，一般 应 不 低 于 200 ，美 国 TEREX 矿 用 汽 车 重 载 齿 轮 齿 面 覆 盖 率 要 求 为 30 09/6。

(3)对不同的齿轮应选用合适的喷丸强度，对于 极薄的或小断面的零件 ，不得选用较高的喷丸强度 ，以防在零件的中心部位产生残余应力而引起变形 。

(4)对 齿面覆盖率不够 的齿 轮 (简称 为欠 喷)，可以补喷至要求 ;齿面过渡 喷丸强化 的齿轮 (简称 为过喷)应加 以避免 ，过喷容易在齿 面产生微 细裂纹而产生疲劳源 ，成为齿 轮抗疲劳长 寿命 的隐患。 因此 ，对过喷应引起足够的重视 。

(5)喷丸强化后的齿轮除用喷丸方法外，不得 采用其他任何机械方法校形 。

(6)强 化 喷 丸 后 ，如 需 对 齿 轮 进 行 加 热 ，加 热 温 度 应 控 制 在 200 °C 范 围 以 内 。

(7)已喷丸强化的齿轮表面如需进行磨削或抛 光时，去除的表面深度不超过喷丸强度试片 A弧高 值 的 1O 。

(8)不应在齿轮喷丸强化后的部位做硬度试验。

(9)齿 轮 喷 丸 强 化 后 应 防 止 腐 蚀 ，直 到 下 一 工序 。

5 齿轮喷丸强化后在磨齿中的注意事项

 5.1 磨齿工艺的简介

1)先喷丸强化再磨齿 的工艺 (在国内应用这一 工艺的厂家比较多见);2)先磨齿再喷丸强化 的工 艺(这一工艺国外 比较多见，在国内应用的厂家 较少)。

5.2 两种工艺在磨齿中均不允许磨削齿根部位

不允许磨削齿根部位具有以下好处 : 1)避免热处理后齿根硬度 的降低 ，保持渗碳淬火及喷丸强化后 在齿根形成 负的压应力层 。一旦 齿根部位被磨削，不但在齿根部位会丧失有利 的残 余压应力 ，还会在齿 根部位产生有 害的拉应力 ，将 会对齿轮的疲劳强度和使用寿命带来严重的威胁 ; 2)齿根沟槽槽底狭 小，散热 能力 差，以及 过度 曲线处余量大小变化大 ，砂轮工作条 件差 ，在磨齿中容易产生磨削烧伤和磨削裂纹 ; 3)齿根槽底磨削条件差 ，砂轮外 圆磨粒容易脱落和磨损 ，从而影响磨齿质量 ; 4)从抗断齿能力来看 ，齿根处要有一定量的根切 ，齿根没有一定 的根 切量 ，磨齿 时不可避免地在 齿根产生凸台，这将造 成严重 的应力集 中 ，对抗 断 齿能力影响很大，发生凸台是绝对不允许的。

总之 ，齿轮喷丸强化后不磨齿根可 以显著地提 高齿轮的疲 劳强度和承 载能力，避免磨 齿损伤 ，提 高磨齿质量 ，降低磨齿负荷 ，提高生产率 。

5.3 两种 工艺在磨 齿 中只允许 磨 削渐开 线齿 形 部分

现代重载硬齿 面齿轮在磨齿 中的磨削部位 只 磨渐开线起始圆以上 ，渐开线 终止圆以下的渐开线 齿形部分。

5.4 为实现不磨齿根必须采用磨前滚刀进行齿形 的 预加工

对 磨 前 滚 刀 简 介 :
用普通的齿轮滚刀已经无法满足以上的工艺要求，因此在滚齿中，必须使用有触角的磨前滚 刀。磨前滚刀与普通滚刀 的不 同之处在于磨前 滚刀 的刀齿 的顶部采用 带触角 的刀头 ，见 图 2(a) 所 示 。

在齿轮齿根处有一定量的根切 ，目的是使被加 工齿轮的齿根部位预先成型 ，同时将齿 面大部分余 量切除 ，在齿形齿厚 处均匀 留出磨 齿时 的余量 ，见 图 2(b)所 示 。 以 便 渗 碳 淬 火 及 喷 丸 强 化 后 ，在 磨 齿 中实 现不 磨齿 根 的要 求 。

6 部分齿轮生产厂家在齿轮喷丸强化上存在的误 区 

(1)部分齿轮生产厂家的有关人员错误认为:长期 以来 出厂 的齿轮也没有做喷丸强化不是也卖 出去了吗?”;“生产 的齿轮 只要 能用就行 了”，认为 齿轮强化 喷丸是 多此一举 。需 方提供 的图纸上注 明要求喷丸强化 ，也 因此取 消了。需方 的有关人员 不专业 ，图纸上虽有 喷丸强化 的要 求 ，但在 入厂验 收时 ，仅仅 只对加工 尺寸、公法线 或跨棒距 进行复 检作为验 收时的依 据。而对 喷丸强化方 面往往被 忽略不作要求，供需双方在喷丸强化方面没有制 约，图纸上对喷丸强化 的要求形 同虚设 ，也 是喷丸强化得不到落实的一个原因所在。

总之 ，对齿 轮喷丸强化 的作用认识 不足 ，对这一 重要 的工艺措施 尚未引起足够 的重视 。所 谓 国 产齿轮比不上进 口齿轮 ，这也许是其中原因之一 。

(2)部分的齿轮厂家误认为 :“抛丸清理机 一喷 丸强化机”;“齿轮只要经过抛丸清理，就已经喷丸 强化 了。”

“抛丸清理机”的主要功能:
1)对 铸 件 毛 坯 的 清 砂 清 理 ;
2)对锻件 毛坯及热处理 以后 的工件表 面氧化皮进行清理。
抛丸清理机 是利用旋转 的叶轮产生 的离 心力将弹丸加速抛 向工件 ，抛 出的是扇形弹丸流。弹丸 的出口速度与叶轮 的转速和回转直径成正 比，一般 转速在2000~3000n/min，抛丸的投射速度(VJ速 度)为 50~60m/s，最高时可达到 75m/s。

喷丸强化机利用压缩 空气直接喷射 ，弹丸 由喷 嘴喷出 ，可 以通过控制 喷丸压力 、喷丸流量等工 艺 参数来调节弹丸的喷射速 度，弹丸的出 口速度一般控制在 80~200m/s，最大时可达到 220m/s。另外 喷嘴喷出的喷丸喷射面积小，可根据喷 嘴直径集中 喷 射 在 +15~ 30 m m 的 范 围 内 ，从 而 实 现 局 部 喷 丸 ， 例如只对齿轮齿根部位的强化喷丸。

齿轮喷丸强化的设备铭牌上标记的是 “齿轮喷 丸强化机”，以清理 为 目的的设备 铭牌上标记 就是 “抛丸清理机”，不是同一档次，根本无法替代。因 此“抛丸清理机”的作用以清理为主，对齿轮强化的 作用非常有 限。

“抛丸清理机≠喷丸强化机”。

(3)什么才是真正的齿轮喷丸强化 。喷丸强化 最大的特点是一种受控的喷丸技术，实现齿轮真 正的喷丸强化就必须采 用受控 的喷丸设 备——齿 轮数控喷丸强化机 。数控机械手 喷丸强化机是实 现 高 精 度 数 控 喷 丸 强 化 的 专 用 机 械 ，主 要 由 喷 丸 室 、数控机械手 喷枪运行 机 构、工 件运行 机构 、丸 料回收机构 、丸 料分离 机构 、弹丸 发生 机构 、除尘 机构、电器控制系统等部件组成。国内喷丸强化 机的制造厂家已生产出 5轴 4联动、7轴 5联动、 转盘 回转式等多款 数控机械手喷丸强化设 备。他 们 的性能具 有共 同的特点 :喷枪运行 机构 可根据 工件的具体形状进行预设定，能执行直线、摆动、 旋转等多轴运动，运行误差小，重复精度高;喷丸 压力 、弹丸流量 、喷射 角度等影响喷丸强化效果 的 核心参数全 由数字 控制 ，精度高 ;丸料 回收采用先进的蜂窝地板气力回收技术，无需人工，数控系统，界面人性化。从而能保证实现真正的喷丸强 化效果。

在喷丸强化设备方面 ，江苏世纪铭丰科技有限公司率先自主研发 的数控喷丸强化机 ，一举填补 了 国内市场 的空 白，已经取代进 口机床，成为市场首选。

7 齿轮喷丸 强化 的实际效果

7.1 喷丸强化能显著提高齿轮的疲劳强度

1)齿轮经喷丸强 化后 ，显微 硬度可 明显 提高 ， 这是由于受到高的残余压应力 、表面加工硬化和组 织细化综合作用 的结果 ;

2)齿轮在热处理后 ，齿面接受高速喷射 的弹丸 流连续不断地撞击，可将残余奥氏体转化为马氏 体 ，马氏体针 明显较 未喷丸 的齿 轮细小致密 ，起到 了细化马氏体亚结构 的作用 ，有利于残余压应力 的提高; 3)当齿根存在微细裂纹时，残余压应力可抑制裂纹的扩展;当残余压应力层深约为裂纹深度 5倍 时，即可消除裂纹 的影响。残余压应力对齿轮弯 曲 疲劳强度影响很大 ，齿 面的残余压应力可 降低弯 曲 拉应力 的峰值 。齿轮经喷丸强化后 ，最大 的残余压 应 力 值 是 位 于 齿 面 下 约 0.05 m m ~ O.1 m m 处 ，其残 余 压应 力可 高达 一8O0~ 一120MPa; 4)通过喷丸强化能把齿 面在热处理过 程 中形 成的不 良组织 (如渗碳齿轮表面 的黑色组织——非马氏体 、内氧化 、脱碳层及过 多的残余奥氏体组织) 对 性 能 的 影 响 ，降 低 到 最 小 程 度 。

7.2 喷丸强化能显著提高齿轮的使用寿命

根据国内、外有关 资料表 明，对 承受循 环弯 曲 交变载荷的齿轮进行喷丸强化，可有效地提 高其疲 劳极限，喷丸强化特别能有效地提高应力集 中部位 的疲劳强度 ;可消 除机械加工过程 中(如对齿 轮齿 面的磨削及轴类齿轮 校形处理)所产生 的拉应力 ; 同时改善齿轮因连续刀痕或凹槽 、孔和过 渡圆角等 结构因素所导致 的应 力集 中现 象。喷 丸强化后能 显著减小齿轮使用寿命的分 散性 ，可延长齿轮 的使 用寿命几倍 、几十倍 、甚至几百倍 。

8 我单位齿轮喷丸强化 的现状 

8.1 对齿轮喷丸强化的要求

我单位按美 国原版图纸生产 的齿轮种类较多 ， 现 仅 以 TEREX 3 31IE 矿 用 汽 车 传 动 齿 轮 件 号 (9195847)的 齿 轮 为 例 ，该 齿 轮 在 原 版 图 纸 上 对 齿 轮喷丸强化的要求是:1)对齿根部位采用钢丝切割丸进行强 化 ;2)喷丸 强度要求:阿尔门弧高0.55mmA;3)覆盖率30 。 

8.2使用的设备

两 台吊钩式抛丸清理机。

8.3 对强化后的齿轮送检

将我单位在抛丸清理机上强化 的三个件号为 (9274893)齿 轮 ，送 上 海 交 通 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学院做 x射线残余压应力检测。检测报告见表 3。

现就检测报告的内容说明如下 :
1)齿 轮 No1— — 系 我 单 位 强 化 的 齿 轮 ; 2)齿轮 No2、齿轮 No3——系上江苏世纪铭丰科技限公司在齿轮喷丸强化机上所做的齿轮 。 结 论 :齿 轮 Nol不 合 格 。

齿 轮 No2和 齿 轮 No3合 格 。 8.4 送检的Nol齿轮不合格的主要原因

1)抛丸清理机对齿轮的强化 的作用非常有 限， 也即“抛丸清理机≠齿轮喷丸强化机”;

2)对齿 轮喷丸强化认识 不足、重 视不够 ，缺乏 全 面 的 了解 。

8.5 从根本上解决问题的措施

1)选 购 真 正 的 齿 轮 喷 丸 强 化 机 ;
2)执行正确 的齿轮喷丸强化工艺 ;

3)加大提高操 作工人和质检人 员 的专业技术水平的力度，强调对每批喷丸的齿轮均有代表批次 的弧高值试片 ;出厂的齿轮应有弧高值的报告 。

9 结束语

随着国际竞争 的不断加剧 和对 齿轮寿命要求的不断提 高，喷丸强化是提 高齿轮 的抗 疲劳性 能， 实现长寿命的重要工艺措施之一 ，为 了适应市场的 需要 ，提高企业 的市场竞争 能力，对 矿用汽车重 载 齿轮进行真正的喷丸强化势在必行 。

10 鸣谢
本文前后经 上海交通 大学材料科 学与工程学院姜传海教授和江苏世纪铭丰科技有限公司对本文在撰写 中所 给予 的帮 助和指导表 示衷心的感谢 !

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