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齿轮表面的喷丸强化技术

文章出处:原创 编辑:抛丸机发表时间:2015-4-6 11:31:31 浏览人数:619,1,0
简介:喷丸强化是一种受控喷丸技术,不同于喷丸清理。喷丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、锈蚀和机械加工毛刺为目的。齿轮表面的喷丸强化主要是借助于高速运动的弹丸冲击零件的表面,使其发生弹性、塑性变形,从而产生残留压应力、加工硬化和组织细化等有利的变化,以提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度,是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮使用寿命的重要途径。
一、喷丸强化机理及其作用:
1. 喷丸强化处理能改善零件表层的应力分布:
  喷丸后的残留应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属组织相变,其中以不均匀的塑性变形为主。喷丸后,金属表面产生大量凹?#26377;?#24335;的塑性变形,表层位错密度大大增加,而?#19968;?#20986;现亚晶界和晶粒细化现象,如附图所示。
零件表面对比图
  经喷丸处理后的齿轮表层残留奥氏体有一部分将变成马氏体,因相变时体积膨胀而产生压应力,从而使得表层残留奥氏体向着更大的压应力方向变化,因而提高了齿轮的疲劳强度。通过喷丸强化,还能消除热处理应力,去除表面氧化皮,改善零件的缺口敏感性,并把容易引起零件失效的残留应力转变为压应力,有效地限制了裂纹源的产生和扩展,较大幅度提高零件的疲劳寿命。
2. 喷丸强化可改善工件的疲劳性能:
    由于喷丸强化提高了表而压应力而显著改善其疲劳性能,对于承受高周波疲劳载荷的工件尤为有效。喷丸强化形成的残留压应力可抵消部分外加载荷。喷丸时,小尺寸球形钢丸击打工件表面而形成压应力,每一弹丸的冲击都会使金属产生一定的塑性变形,最终表面不能完全回复而形成了永久的压应力?#21050;?#20316;为一种表面强化工艺,喷丸能在表面形成残留压应力相当于材料抗拉强度极限的55%~60%,而工件表面恰是容易萌生裂纹的地方。对于渗碳淬火齿轮,所形成的压应力可达1177~1725MPa,可大大改善疲劳性能。压应力层深度是喷丸强度(或喷丸能量)的函数,随着弹丸尺寸或弹丸速度的增加而增加。
二、喷丸强化工艺参数:
  喷丸强化工艺对弹丸的形状、尺寸和硬度等要求较高,用喷丸强度和表面覆盖率来控制喷丸工艺,用残留应力和疲劳试验来检测表面强化效果。
  喷丸强化工艺参数包括弹丸材料、弹丸直径、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷射距离、喷丸时间和覆盖率等,其中任何一个参数的变化都会不同程度影响喷丸强度,?#20174;?#21709;强化效果。
(1)弧高度试片  标准Almen弧高度试片是综合评价喷丸强化工艺参数的一种专用?#25239;妗?#23427;是用70号弹簧?#31181;?#25104;,共有三种规格,代号分别为N、C、A,分别使用于3种不同喷丸强度要求的场合。
(2)弧高曲线  弧高曲线是在其他工艺参数固定情况下,同一种试片的喷丸弧高值随喷丸时间(或喷丸次数)变化而变化的,标志着弧高值——时间相对关系的曲线。
(3)喷丸强度  喷丸强度通常采用弧高值测定法,其要点是用一定的弹簧钢试片通过检测喷丸强度后的形状变化来?#20174;?#21943;丸效果,具体操作是用Almen试片(一般硬度为44~50HRC)固定在夹具上,经投射喷丸后再取?#29575;?#29255;,然后?#30473;?#20855;(如Almen测量仪)测量弯曲弧的高度。
  喷丸强度的另一种检验方法为残留应力检测,即对强化喷丸后的工件进行残留应力的检测,具体的检验方法为X射线衍射法。
(4)表面覆盖率  覆盖率是指被处理工件表面经喷丸处理后,弹丸?#36141;?#38754;积与被喷工件表面积的比值。通常用百分数表示。测量要点是把Almen试片经喷丸后放大约50倍,测量其弹丸?#36141;?#38754;积。因很难保证覆盖率为100%,故?#23548;?#19978;把98%的覆盖率定义为全覆盖率。对于产品图样要求300%的覆盖率,通常用达到98%的有效覆盖率所需喷丸时间的3倍来实现。
(5)弹丸质量  弹丸质量对强化效果影响很大,一般规律是:弹丸直径小,工件表面残留应力较高,但强化层较?#24120;?#24377;丸直径大,工件表面残留应力较低,但强化层较深;弹丸硬度高,喷丸强度也高;弹丸直径增加,喷丸强度也增加;弹丸速度增加,喷丸强度、表面压应力和强化层深度三者增加。
(6)喷丸时间  在其他喷丸工艺参数不变的情况下,喷丸只有达到“饱和”时间或两倍于“饱和”时间时可获得最佳强化效果,通常强化时间不足比强化时间过度更为不利。因此,当发现强化时间低于规定时间时,可以对该工件再进行一?#23614;?#20805;强化。
三、喷丸强化技术的应用:
1. 提高渗碳齿轮表面硬度:
  例1:一汽热处理分厂喷丸设?#35206;?#29992;德国产TR5SVR—1型应力喷丸设备。喷丸工艺为:采用直径为0.8mm钢丸,喷丸时间为9min,喷丸速度为2800r/min。齿轮材料为22CrMoH钢,经渗碳淬火及回火处理。喷丸强化处理后齿轮表层组织得到了细化,表层的残留奥氏体含量比未经喷丸处理工件的残留奥氏体含量要低10%左右,在距离表面0.15mm范围内,变化量比较明显;经强化喷丸处理后的齿轮表面硬度提高了0.5~2HRC。
2. 提高齿轮表面残留压应力并改善表层组织:
  例2?#33655;?#22612;纳轿车变速器二挡从动齿轮,经渗碳淬火、回火处理。喷丸采用叶轮式喷丸机,喷丸到了细化马氏体亚结构的作用。有利于残留应力的提高,从而提高了齿轮的疲劳性能。
3. 提高齿轮的疲劳寿命:
  例3:一汽采用强化喷丸工艺对“解放”牌汽车变速器一挡齿轮进行疲劳寿命试验,显著提高了齿轮的疲劳寿命,如表1所示。为了提高“解放”牌主动螺旋齿轮的疲劳寿命采用大?#19981;?#28378;刀切齿,增大齿轮圆?#24378;?#20197;使主动螺旋齿轮的寿命由20.83万次提高到69.54万次,如果再采用强化喷丸,可以使其疲劳寿命提高到210.9万次。
表1  喷丸强化对“解放”牌变速器一挡齿轮疲劳寿命的影响
表1  喷丸强化对“解放”牌变速器一挡齿轮疲劳寿命的影响
  例4:齿轮采用碳氮共渗后喷丸强化,提高了接触疲劳强度。如SCM420H钢齿轮,经通氨气等进行碳氮共渗,随着含氮量的增加,ΔHV(硬度降)提高,即抗回火性能提高,回火温度可达300℃。解决了汽车用自动变速器AIT常规渗碳齿轮齿面接触疲劳破坏问题。
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,形成较大的残留压应力,得到高的疲劳强度。适合于优质渗碳钢(如DSG1钢,wSi?#25269;?.15%以下,而使内氧化现象及非马氏体大为减少;降?#36884;?#30028;脆性元素wP<0.015%,提高wM o至0.4%,使渗层韧性大为改?#30130;?#23427;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以上的齿轮,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留压应力。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。
五、弹丸:
1. 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,不仅钢丸硬度及尺寸均匀、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。
2. 强韧性弹丸及其化学配方:
表4 表5
(1)用于喷丸的弹丸一般采用铸?#20013;?#25110;切线型,铸钢弹丸一般用水雾化方法生产,并调?#23454;?92~513HV,对于硬喷丸处理,要求弹丸硬度达700HV左右。
(2)新型钢丸要求wC≥0.5%,其Mn、S、P含量也均有降低,其化学成分如表4所示,采用快冷离心雾化方法改善中碳铸?#31181;?#26230;组织。喷丸处理时,弹丸流率为0.75kg/s,喷射速度为106m/s,喷丸强度为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,尺寸为φ0.8mm,为了得到700HV左右的高硬度,其wC应增至0.8%,其化学成分如表5所示。
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