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齒輪加工中強力噴丸

強力噴丸是提高齒輪齒部彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的重要方法，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪壽命的重要途徑。本文主要介紹齒輪加工中的強力噴丸工藝。

1、工作原理  

強力噴丸工藝主要是利用高速噴射的細小鋼丸在室溫下撞擊受噴工件表面，使工件表層材料產生彈塑性變形并呈現較高的殘余壓應力，從而提高工件表面強度及疲勞強度。噴丸一方面使零件表面發生彈性變形，同時也產生了大量孿晶和位錯，使材料表面發生加工強化。如圖1所示：

.    圖1-a   經噴丸處理的零件表面    圖1-b 未經噴丸處理的零件表面

噴丸對表面形貌和性能的影響主要表現在改變零件的表面硬度、表面粗糙度、抗應力腐蝕能力和零件的疲勞壽命。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發生循環塑性變形。根據材料的性質和狀態的不同，噴丸后材料的表層將發生以下變化：硬度變化、組織結構的變化、相轉變、表層殘余應力場的形成、表面粗糙度的變化等。

2、    噴丸強度的測量方法

當一塊金屬片接受鋼丸流的噴擊時會產生彎曲。飽和狀態和噴丸強度是噴丸加工工藝中的兩個重要概念。飽和狀態是指在同一條件下繼續噴擊而不再改變受噴區域機械特性時的狀態。所謂噴丸強度，就是通過打擊預制成一定規格的金屬片（即試片），在規定的時間使之達到飽和狀態的強弱程度，并用試片彎曲的弧高值來度量其噴擊的強弱程度。

目前，應用廣的美國機動車工程學會噴丸標準中采用阿爾曼提出的噴丸強化檢驗法——弧高度法，該方法由美國GM公司的J. O. Almen（阿爾門）提出，并由SAEJ442a和SAE443標準規定的測量方法，其要點是用一定規格的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強化后的形狀變化來反映噴丸效果。對薄板試片進行單面噴丸時，由于表面層在彈丸作用下產生參與拉伸形變，所以薄板向噴丸面呈球面彎曲。通常在一定跨度距離上測量球面的弧高度值，用其來度量噴丸的強度。測定弧高度值是通過將阿爾門試片固定在專用夾具上，經噴丸后，再取下試片，然后用阿爾門量規測量試片經單面噴丸作用下產生的參與拉伸形變量（即弧高度值）。如用試片測得的弧高值為0.35mm時，記作0.35A。

噴丸強度的另一種檢驗方法為殘余應力檢測，即對經強力噴丸后的工件進行殘余應力的檢測，具體的檢驗方法為X射線衍射法。在美國SAE J784a標準中推薦如下方法：X射線的入射和衍射束必須平行于齒輪的齒根，圓柱直齒輪和圓柱螺旋齒輪上的測量位置應當在齒根的寬度中央，照射區域必須集中在齒根圓角的中心，不能橫向延伸超出規定的齒根圓角表面深度的測量點，照射區域大小的控制可以通過對直光束和適當遮蓋齒根表面實現；在每個選定受檢的齒輪上，少要任選兩個齒進行評估，兩齒間隔180。如果齒的有效齒廓受到保護沒有研磨，則可以認為齒根研磨的用于表面下殘余應力測量的齒輪未受損壞并且可以用于生產。

3、    噴丸對提高零件疲勞抗力的作用

a．借助表面冷變形實現材料表面強化的本質在于冷變形造成材料表層組織結構的變化、引入殘余壓應力以及表面形貌的變化。

b． 噴丸使材料表面性能改善

c． 強化噴丸過程中，當微小球形鋼丸高速撞擊受噴工件表面時，使工件表層材料產生彈、塑性變形，撞擊處因塑性形變而產生一壓坑，撞擊導致壓坑附近的表面材料發生徑向延伸。當越來越多的鋼丸撞擊到受噴工件表面時，工件表面越來越多的部分因吸收高速運動鋼丸的動能而產生塑性流變，使表面材料因塑性變化而產生的徑向延伸區域越來越大，發生塑性形變的表面逐步連接成片，則使工件表面逐步形成一層均勻的塑性變形層。塑性變形層形成后，繼續噴丸會使塑變層因繼續延伸而厚度逐步變薄，同時塑變層的徑向延伸會因受到鄰近區域的限制而導致重疊部分發生破壞，終塑變層因持續的噴丸而剝落。所以必須對噴丸的時間加以嚴格的控制。

4、噴丸對滲碳齒輪表層殘余應力的影響

關于噴丸使工件表面形成殘余應力的原因，根據Al-Obaid等人的觀點：當高速鋼丸撞擊到試樣表面,撞擊處產生塑性變形而殘余一壓坑,當越來越多的鋼丸撞擊到試樣表面時,則會在試樣表層產生一層均勻的塑變層,由于塑性變形層的體積膨脹會受到來自未塑性變形近鄰區域的限制,因此整個塑變層受到一壓應力。

由于殘余壓應力及其分布對齒輪疲勞壽命有較大的影響,而噴丸強化工藝的優劣將直接影響殘余應力大小及其分布。因此準確測定受噴零件的表層殘余應力對于評價噴丸工藝的優劣是一個行之有效的手段。

5、噴丸對零件表面粗糙度的影響

強化噴丸會引起零件受噴表面的塑性變形，使零件的表面粗糙度發生變化。表面粗糙度是一種微觀幾何形狀誤差，又稱為微觀不平度。表面粗糙度和表面波度、形狀誤差一樣，都屬于零件的幾何形狀誤差，表面粗糙度對于機器零件的使用性能有著重要的影響。噴丸對材料表面粗糙度的影響通常在Ra0.6～20mm范圍內。在不改變工藝參數的條件下，材料原始表面粗糙度愈高，噴丸后的Ra值愈大。生產實踐證明，一般情況下，噴前表面粗糙度在6.3mm以下，噴丸可以提高或維持原表面粗糙度，如果原表面粗糙度在6.3mm以上，則噴丸后表面粗糙度有所降低。

在生產實踐中，要想獲得較理想的噴丸表面，應從以下幾個方面著手：

提供較好的原始表面，Ra值應在6.3mm以下；

選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力；

在大直徑鋼丸噴丸強化后，采用較小鋼丸低壓力(不能改變噴丸強度值)覆蓋一次，可達到較好的表面粗糙度。

噴丸后的零件表面應輕微打磨，打磨時要控制表面金屬去除量。這樣，既不損害噴丸的強化效果，又可改善表面粗糙度。當然，這是一個多因素問題,不論采用什么方法，必須同時考慮其他因素的影響。

6 、工藝參數對噴丸效果的影響

對噴丸質量有影響的主要有以下幾個方面：

鋼丸材料、鋼丸直徑、鋼丸速度、鋼丸流量、噴射角度、噴射距離、噴射時間、覆蓋率等。其中任何一個參數的變化都會不同程度地影響噴丸強化的效果。

a、鋼丸的材料、硬度、尺寸及粒度對噴丸效果的影響

鑄鐵丸和鑄鋼丸通常用于硬齒面齒輪的噴丸。鑄鐵丸的缺點是韌性較低，在噴丸過程中易于破碎、耗損量大，對破碎的鋼丸要及時分離，否則會影響受噴表面質量。但鑄鐵丸的優點是價格便宜、硬度高，可以使受噴表面產生較高的殘余壓應力。鑄鋼丸與鑄鐵丸相比，其優點是不易破碎，對受噴表面幾何形貌有利。但鑄鋼丸硬度較鑄鐵丸低，在其他條件相同時，受噴表面的殘余壓應力低于鑄鐵丸。

高溫合金

一、高溫合金的概念、原理和分類

高溫合金一般是指能在600~1200℃的高溫下抗癢化、抗腐蝕、抗蠕變，并能在較高的機械應力效果下長期作業的合金資料。

高溫合金強調的不是耐受溫度指標，耐受溫度比高溫合金高的資料有很多，比如難熔合金、陶瓷及碳碳復合資料等。高溫合金底子的特性在于必定溫度下所具有的高強度。以一般的修建用鋼材為例，它在室溫下強度很高，但在修建焚燒時強度會急劇下降，從而導致修建坍塌。高溫合金的長處是，在600~1200℃的高溫下，它仍然能堅持極高的強度和硬度以接受較高的載荷。因而俄羅斯將其稱為熱強合金，而歐美稱之為超合金（superalloy）。

一般鋼材含有十多種化學元素，而高溫合金一般含有超越30-40種元素，高溫合金之所以能在高溫下堅持較高的強度和硬度首要原因在于這些元素在安排中發揮著強化金屬功能的效果。

高溫合金的分類有多種：1）按制造工藝分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫冶金三類。2）按合金的首要元素分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金三類。3）按強化辦法分為固溶強化、時效強化、氧化物彌散強化和晶界強化等。

以工藝分類來看，變形高溫合金運用規劃廣，占比達70%，其次是鑄造高溫合金，占比20%。以合金首要元素來看，鎳基高溫合金運用規劃廣，占比達80%，其次為鎳-鐵基，占比14.3%，鈷基占比少，占比5.7%。

二、高溫合金展開進程及概略

高溫合金早誕生于20世紀初期的美國，被用作車站的防腐支架。從開端，高溫合金的研發進入了高速展開時期，鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金紛紛研發成功，并大量運用。現在鎳基高溫合金是現代航空發起機、航天器和火箭發起機以及艦船和工業燃氣輪機的要害熱端部件資料（如渦輪葉片、導向器葉片、渦輪盤、焚燒室等），也是核反應堆、化工設備、煤轉化技能等方面需求的重要高溫結構資料。

高溫合金的展開首要閱歷了幾個階段：二十世紀40時代以前提出概念，40-50時代實現在噴氣發起機的運用，50-60時代在真空熔煉技能取得重大進展，60-70時代會集在合金化方面，70時代后首要在工藝研討方面，定向凝結、單晶合金、粉末冶金、機械合金化和陶瓷過濾等新工藝成為高溫合金展開的首要動力，其間定向凝結工藝制備的單晶合金尤為重要，在航空發起機渦輪葉片中運用尤為廣泛。二十世紀80時代以來，國內外廣泛展開數值模仿研討，取得了重要進展，并在此基礎上展開了顯微安排及冶金缺點猜測研討。

三、鎳基高溫合金

在整個高溫合金領域中，鎳基高溫合金占有特別重要的地位，與鐵基和鈷基合金比較，鎳基合金具有更好的高溫功能、良好的抗癢化和抗腐蝕功能。鎳基高溫合金是高溫合金中運用廣、高溫強度蕞高的一類合金。其首要原因，一是鎳基合金中能夠溶解較多合金元素，且能堅持較好的安排安穩性；二是能夠構成共格有序的A3B型金屬間化合物[Ni3(Al,Ti)]相作為強化相，使合金得到有用強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基高溫合金具有比鐵基高溫合金更好的抗癢化和抗燃氣腐蝕才能。能夠說，鎳基高溫合金的展開決定了航空渦輪發起機的展開，也決定了航空工業的展開。選用定向凝結技能制備出的鎳基單晶合金，其運用溫度已接近合金熔點的90%，成為今世先進航空發起機熱端部件不行替代的重要結構資料。

鎳基高溫合金含有十多種元素，增加合金元素對高溫合金的功能起要害的效果。以鑄造鎳基高溫合金為例，鑄造鎳基高溫合金以γ相為基體，增加鋁、鈦、鈮、鉭等構成γ’相進行強化，γ’相數量較多，有的合金高達60%；參加鈷元素能前進γ’相溶解溫度，前進合金的運用溫度；鉬、鎢、鉻具有強化固溶體的效果，鉻、鉬、鉭還能構成一系列對晶界發生強化效果的碳化物；鋁、鉻有助于抗癢化才能，但鉻下降γ’相的溶解度和高溫強度，因而鉻含量應低些；鉿改進合金中溫塑性和強度；為了強化晶界，增加適量的硼、鋯等元素。研討標明，GMR235鑄態合金的含碳量為0.18%時，高溫耐久壽數和抗拉強度蕞大，且具有較好的塑性，增加硼和鋯的合金耐久性明顯改進，合金的枝晶距離削減，碳化物的析出量削減且碳化物顆粒細化，從而改進各方面功能。

鎳基高溫合金是20世紀30時代后期開端研發的。英國于1941年首先出產出鎳基高溫合金Nimonic75；為了前進蠕變性又增加了鋁，研發出Nimonic80。美國于40時代中期，蘇聯于40時代后期，我國于50時代中期也研發出鎳基合金。

鎳基合金的展開包含兩個方面：合金成分的改進和出產工藝的改造。50時代初，真空熔煉技能的展開，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50時代后期，因為渦輪葉片作業溫度的前進，要求合金有更高的高溫溫度，可是合金的強度高了，就難以變形，乃至不能變形，于是選用熔模精細鑄造工藝，展開出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60時代中期展開出功能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿意艦船和工業燃氣輪機的需求，60時代以來還展開出一批抗熱腐蝕功能較好、安排安穩的高鉻鎳基合金。在從40時代初到70時代末大約40年的時間內，鎳基合金的作業溫度從700℃前進到1100℃，平均每年前進10°C左右。

鎳基高溫合金按照制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金。

3.1 變形高溫合金

變形高溫合金是高溫合金中運用廣的一類，占比到達70%。變形高溫合金首要選用常規的鍛、軋和揉捏等冷、熱變形手段加工成材。我國鎳基變形高溫合金以拼音字母GH加序號表明，如GH4169、GH141等。

變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，運用一般的熱加工手段變形有必定困難，因而需求采納鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套墩餅等新工藝來加工，也選用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來前進塑性。

變形高溫合金在航空發起機中至今仍然是首要用材。其間GH4169在我國航空發起機中已得到廣泛運用，被稱為高溫合金中的。其材質水平和加工工藝水平近年來得到明顯前進。GH4169合金的冶金產品有不同標準的鍛棒、熱軋棒、冷拉棒、板、帶、絲、管和鍛件，制造的零件有各類盤、轉子、環、機匣、軸、緊固件、彈性元件、阻尼元件等。

3.2 鑄造高溫合金

跟著運用溫度和強度的前進，高溫合金的合金化程度越來越高，熱加工成形越來越困難，必須選用鑄造工藝進行出產。另外，選用冷卻技能的空心葉片的內部雜亂型腔，只能選用精細鑄造工藝才能出產，因而鎳基鑄造高溫合金在實際出產運用中不行缺少。鑄造高溫合金運用也較為廣泛，占比約20%。國內的鑄造高溫合金以“K”加序號表明，如K1、K2等。

按結晶辦法，鑄造高溫合金又能夠分為多晶鑄造高溫合金、定向凝結鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金等4種類型。鑄造高溫合金的特點是：1）具有更寬的成分規劃。因為不用統籌變形加工功能，合金的規劃能夠會集考慮優化其運用功能。2）具有更廣闊的運用領域。因為鑄造辦法具有的特別長處，可依據零件的運用需求，規劃、制造出近終型或無余量的具有任意雜亂結構和形狀的高溫合金鑄件。