齿轮表面的喷丸强化技术（2）

四、喷丸强化新技术

1.齿轮的硬喷丸技术

（1）硬喷丸技术

硬喷丸不同于常规喷丸，而是采用700HV高硬度钢丸进行高强度喷丸，并使A型试片产生0.6mm以上的弧高，形成较大的残余压应力，得到高的疲劳强度。适合于优质渗碳钢（如DSG1钢，Si含量降至0.15%以下，而使内氧化现象及非马氏体大为减少；降低晶界脆性元素P的含量＜0.015%，提高Mo含量至0.4%而使渗层韧性大为改善），它在消除内氧化等渗碳缺陷及保证渗层韧性方面效果较好。

（2）两次喷丸（双喷丸）技术

对于渗碳淬火硬度在600HV以上齿轮，较难通过正常喷丸达到较高压应力。为此采用二次喷丸硬化提高疲劳强度，即首先采用700HV高硬弹丸进行高强度喷丸（如0.6mm钢丸），并使A型试片产生0.6mm以上的弧高，获得一定深度的表面强化层，然后再用细小的低强度小弹丸（如0.08mm钢丸）进行一次低强度喷丸，可在工件表面和次表面形成残余压应力。第二次喷丸的目的就是减轻表面加工硬化，改善表面粗糙度，提高表面压应力，即进一步提高齿轮的疲劳性能。此项技术属于冷作处理。

2.硬喷丸新工艺应用

例1：直齿轮，材料DSG1（化学成分（质量分数，%）为0.20C、＜0.15Si、0.70Mn、＜0.015P、0.015S、1.00Cr及0.40Mo）和SCM420，经渗碳淬火、回火处理。最后采用离心式喷丸机及￠0.8mm铸钢丸（化学成分为0.85C—1Si—1Mn）进行喷丸，喷丸强度分别为0.45mmA和0.7mmA弧高。前者属于常规喷丸，而后者属于硬喷丸。齿轮疲劳试验是在电流消耗式齿轮疲劳试验机上进行。

（1）喷丸处理参数及检验结果

试验齿轮喷丸处理参数如表2所示。通过表2可以看出，硬喷丸齿轮的齿根疲劳强度高于常规喷丸。硬喷丸齿轮表面硬度和残余压应力提高而残留奥氏体和内氧化程度降低。

表2 试验齿轮的渗碳结果及喷丸处理参数

钢材	喷丸强度 /mmA	硬度/HV	有效硬化层 深度/mm	残余奥氏 体量/%	内硬化层 深度/μm	残余应力/MPa
表面	表面	0.05mm处
DSG1	— 0.45 0.70	744 786 810	0.95 0.90 0.90	25.85 11.6 8.4	5 3 3	-271 -451 -596	-285 -632 -1199
SCM420	—— 0.45 0.70	720 720 778	1.00 0.90 1.15	18.6 6.9 3.1	15 15 8	-254 -353 -569	-242 -503 -1040

（2）硬喷丸、小弹丸喷丸及二次喷丸的比较

经过喷丸处理的工件，其最大残余压应力值是位于表面下面约0.05mm处，而表面却低于这个值，为解决此缺陷，采用细小弹丸（直径＜0.1mm）进行低强度喷丸处理。三种喷丸工艺参数如表3所示。

硬喷丸处理得到最高表面硬度，其次是二次喷丸和小弹丸喷丸。小弹丸喷丸使齿轮表面得到非常高的压应力，达到1.2GPa。而二次喷丸处理得到最高的疲劳强度。同渗碳淬火后齿轮相比较疲劳强度提高到1.5倍。渗碳状态的齿轮留有切齿刀痕，经过喷丸处理后全部消失，齿轮表面粗糙度得到改善。由于加工刀痕有可能成为应力集中部位，因此喷丸处理时加工表面的改善也是提高疲劳强度的一个原因。

表3 三种喷丸工艺参数

	弹丸直径 /mm	弹丸硬度 /HV	弧高 /mmA	喷丸时间 /s
硬喷丸	0.8	700	1.0	90
小弹丸喷丸	0.1	800	0.05	15
二次喷丸	0.8+0.1	700+800	1.0+0.05	90+15

五、弹丸

1.弹丸及其质量要求

齿轮经过化学热处理后，表面硬度多数已达到58~63HRC，在进行喷丸强化时，应采用高于或等于表面硬度的弹丸来进行喷丸强化处理，以保证表面的残余压应力数值和表面强化层深度。此外，弹丸尺寸的选择应保证齿轮的根部得到强化，在进行喷丸强化过程中，由于选择的弹丸直径过大常常导致小半径的齿根部位得不到喷射强化。为此，应确保弹丸直径小于齿根半径的一半。

由于钢丸质量对强化效果影响很大，国家标准中已经对钢丸的金相组织、化学成分、最小密度、硬度偏差给出严格的规范。

弹丸在使用过程中，不断破损，需及时补充新弹丸，弹丸合格数量应保持在80%以上，为此可选用不同规格的筛网加以控制，以确保喷丸强化效果。由于破碎的弹丸带有尖角，容易使工件表面产生许多微小的尖切口，从而降低强化效果。因此，在生产过程中应将破碎弹丸筛选掉。

弹丸尺寸选择原则：①当对表面粗糙度有要求时，应尽量采用较小钢丸。②当工件带有内、外圆角及沟槽时，弹丸直径尺寸应小于内、外圆角半径及槽的宽度。③保证弹丸球面形状尺寸均匀。

2.钢丝切丸

采用预钝化钢丝切丸技术生产的新一代表面清理和强化的优质丸料，不仅钢丸硬度均匀、尺寸均匀、寿命长，而且生产中粉尘产生率低，可称之为绿色、环保钢丸，可应用于齿轮喷丸强化处理等。

3.强韧性弹丸及其化学配方

（1）用于喷丸的弹丸

一般采用铸钢型或切线型，铸钢弹丸一般用水雾化方法生产，并调质到392~513HV，对于硬喷丸处理，要求弹丸硬度达700HV左右。

（2）新型钢丸

采用快冷离心雾化方法改善中碳铸钢枝晶铸造组织。同时要求碳含量不低于0.5%，其Mn、S、P含量也均有降低，其化学成分如表4所示，喷丸处理时，弹丸流率为0.75kg/s，喷射速度为106m/s，喷丸后弧高为1.0mmA。作为高强韧性弹丸的第二选择是高碳预处理过的高强度切线弹丸，尺寸范围为￠0.8mm，为了得到700HV左右的高硬度，其碳含量增加至0.8%，其化学成分如表5所示。

表4 新型高韧性铸钢丸的化学成分（wt%）

	C	Si	Mn	P	S
新材料	0.50	0.50	0.30	＜0.015	＜0.054
常规材料	0.85~1.20	＜0.40	0.60~1.20	＜0.050	＜0.050

表5 新型高强度切线弹丸的化学成分（wt%）

	C	Si	Mn	P	S
新材料	0.82	0.25	0.45	＜0.030	＜0.030
常规材料	0.45~0.75	0.10~0.30	0.60~1.20	＜0.045	＜0.050

六、喷（抛）丸设备

1.吊钩式抛丸清理机

该设备采用4台Q034型抛丸器，抛丸机主要技术参数如表6所示。

表6 Q034抛丸清理机主要技术参数

项目	技术参数
抛丸量/kg.min -1 喷丸速度/m.s -1 抛丸器功率/kW 丸粒直径/mm 吊钩自转转速/r.min -1 起重量/t	4×250 75 4×15 0.8~1.2 2.8 3

2.MP815型吊挂式抛丸强化清理机

单钩承重800kg，工件最大尺寸￠800mm（直径）×1500mm（高），抛丸器直径350mm，最大抛丸量2×10400kg，电机功率2×11kg，转速2960r/min。可通过变频调速对齿轮进行强化喷丸处理。

3.齿轮用先进的数控喷丸机

齿轮数控喷丸机是实现高精度强化的专用机械，有数控机械手喷丸机和数控机器人喷丸机。如“吉川”牌JCK型数控喷丸设备。

（1）数控喷丸机的主要构成

由喷丸室体、喷枪运行机构、工件运行机构、弹丸回收机构、弹丸分离机构、喷丸机构、除尘机构、电气控制系统等部分组织。

（2）齿轮数控喷丸机的控制部分

主要包括：①喷枪运动控制，通过数控机械手或机器人控制喷枪运行，使其在喷丸过程中按指定要求执行运动过程。因此，要求高的定位与重复定位精度。②工件运动控制，是指工件在喷丸过程中旋转、位移等运动的控制。③喷丸压力控制，喷丸压力的数字闭环控制，控制精度一般在±2%以内。④弹丸流量控制，弹丸流量的数字闭环控制，控制精度一般在±5%以内。⑤弹丸的自动回收与分离，喷丸洒落的弹丸被自动回收；回收的弹丸经过丸粉分离、尺寸分选、形状分选三级分选，循环使用。⑥自动喷丸，实现自动加丸、连续喷丸功能。⑦控制软件，程序储存/调用；系统工作状态监视；喷丸饱和曲线自动生成；系统故障报警显示；易损件工作显示等。⑧环保，噪音指标；粉尘排放指标。

七、喷丸强化问题及解决方法

1.选择弹丸的合理性问题

齿轮经过化学热处理后，表面硬度大多已达到58~63HRC，在对其进行喷丸强化时，采用的弹丸大多为45~52HRC，这一方面容易导致齿轮喷丸区域得不到充分的强化，另一方面弹丸在喷射撞击零件时，由于硬度低而易破碎或变形。对此可选择高硬度铸钢丸或切丝钢丸。

2.表面覆盖率的检测问题

表面覆盖率是指零件而不是检测喷丸强度用的弧高度试片（Almen试片），因此在实际生产中若采用弧高度试片的表面覆盖率来对零件设计喷丸工艺，将导致齿轮表面覆盖率达不到应有的要求。弧高度试片的硬度为44~50HRC，与齿轮表面的硬度58~63HRC相比差的较多，因此齿轮喷丸达到100%的覆盖率所需要的时间要长于弧高度试片达到100%覆盖的时间。

3.喷丸强度选择问题

（1）在实际喷丸过程中并非喷丸强度越高，齿轮的喷丸强化效果越好。这是由于：一方面是喷丸强度越高，冲击力越大，弹丸的破碎率就越高；另一方面是喷丸强度较高时，表层组织在大的弹丸离心力作用下会遭到一定程度的损坏，其粗糙度加大，可能产生微小裂纹使残余应力有所下降。因此，选择适合的喷丸参数最重要。喷丸强度过低将无法得到较大的残余压应力和足够深的表面强化层；喷丸强度太高易产生表面裂纹或齿轮硬化层的剥落等问题。

（2）齿轮在渗碳淬火及回火后往往因存在内氧化软层而在喷丸强化处理后易产生应力集中，成为疲劳裂纹源的起点，尤其在内氧化严重情况下。对此只有采取有效控制以减少内氧化层的方法，才能使强化喷丸真正提高齿轮的疲劳强度。

（3）喷丸强化只适用于渗碳或碳氮共渗后经淬火的工件及其他高硬度工件的表面清理。硬度＜40HRC及形状复杂的工件不易采用喷丸清理。当渗碳淬火后，表层有严重的网状碳化物时，喷丸处理后，表面容易出现微裂纹。