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(chǎn)生彈塑性變形并呈現(xiàn)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(fā)生彈性變形，同時也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯，使材料表面發(fā)生加工強化。如圖1所示：

.    圖1-a   經(jīng)噴丸處理的零件表面    圖1-b 未經(jīng)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(xiàn)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(fā)生循環(huán)塑性變形。根據(jù)材料的性質(zhì)和狀態(tài)的不同，噴丸后材料的表層將發(fā)生以下變化：硬度變化、組織結(jié)構(gòu)的變化、相轉(zhuǎn)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(chǎn)生彎曲。飽和狀態(tài)和噴丸強度是噴丸加工工藝中的兩個重要概念。飽和狀態(tài)是指在同一條件下繼續(xù)噴擊而不再改變受噴區(qū)域機械特性時的狀態(tài)。所謂噴丸強度，就是通過打擊預制成一定規(guī)格的金屬片（即試片），在規(guī)定的時間使之達到飽和狀態(tài)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(guī)定的測量方法，其要點是用一定規(guī)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(chǎn)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(jīng)噴丸后，再取下試片，然后用阿爾門量規(guī)測量試片經(jīng)單面噴丸作用下產(chǎn)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(jīng)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(qū)域必須集中在齒根圓角的中心，不能橫向延伸超出規(guī)定的齒根圓角表面深度的測量點，照射區(qū)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(xiàn)；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(chǎn)。

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(xiàn)材料表面強化的本質(zhì)在于冷變形造成材料表層組織結(jié)構(gòu)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(chǎn)生彈、塑性變形，撞擊處因塑性形變而產(chǎn)生一壓坑，撞擊導致壓坑附近的表面材料發(fā)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(chǎn)生塑性流變，使表面材料因塑性變化而產(chǎn)生的徑向延伸區(qū)域越來越大，發(fā)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(xù)噴丸會使塑變層因繼續(xù)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(qū)域的限制而導致重疊部分發(fā)生破壞，終塑變層因持續(xù)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(jù)Al-Obaid等人的觀點：當高速鋼丸撞擊到試樣表面,撞擊處產(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(yōu)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(yōu)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(fā)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(nèi)。在不改變工藝參數(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)對噴丸效果的影響

對噴丸質(zhì)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(shù)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(zhì)量。但鑄鐵丸的優(yōu)點是價格便宜、硬度高，可以使受噴表面產(chǎn)生較高的殘余壓應力。鑄鋼丸與鑄鐵丸相比，其優(yōu)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。

硬質(zhì)合金刀具跟著數(shù)控機床和加工中心等設備運用日漸遍及，在航空航天、汽車、高速列車、風電、電子、能源、模具等裝備制造業(yè)的開展推進下，切削加工已邁入了一個以高速、和環(huán)保為標志的高速加工開展的新時期—現(xiàn)代切削技能階段。

高速切削、干切削和硬切削作為當前切削技能的重要開展趨向，其重要地位和人物日益凸顯。對這些先進切削技能的運用，不僅令加工功率成倍進步，亦著實推進了產(chǎn)品開發(fā)和工藝立異的進程。例如，精細模具硬質(zhì)資料的型腔，選用高轉(zhuǎn)速、小進給量和小吃深加工，既可取得很高的表面質(zhì)量，又能夠省卻磨削、EDM和手藝拋光或削減相應工序的時間，然后縮短生產(chǎn)工藝流程，進步生產(chǎn)率。

曩昔一些企業(yè)制造復雜模具時，基本上都需要3~4個月才能交付運用，而現(xiàn)在選用高速切削加工後，半個月便可完成。據(jù)調(diào)查，一般的工模具，有60%的機加工量可用高速加工工藝來完成。

高速加工時，不光要求硬質(zhì)合金刀具可靠性高、切削性能好、能穩(wěn)定地斷屑和卷屑、還要能達成，并能完成快換或自動替換等。因此，對硬質(zhì)合金刀具材資料、刀具結(jié)構(gòu)、以及刀具的裝夾都提出了更高要求。

對硬質(zhì)合金刀具資料的要求：

高速加工對硬質(zhì)合金刀具杰出的要求是，既要有高的硬度和高溫硬度，又要有足夠的斷裂耐性。為此，須選用細晶粒硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、聚晶金剛石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具資料—它們各有特點，適應的工件資料和切削速度范圍也都不同。例如，高速加工鋁、鎂、銅等有色金屬件，首要選用PCD和CVD金剛石膜涂層刀具。高速加工鑄件、淬硬鋼(50~67HRC)和冷硬鑄鐵首要用淘瓷刀具和PCBN刀具。

1.硬質(zhì)合金刀具材已邁入細晶粒超細晶粒階段

涂層硬質(zhì)合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)雖其加工工件資料范圍廣，但抗癢化溫度一般不高，所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范圍內(nèi)加工鋼鐵件。對於Inconel718高溫鎳基合金可運用陶瓷和PCBN刀具。據(jù)報道，加拿大學者用SiC晶須增韌陶瓷銑削Inconel718合金，推薦蕞佳的切削條件為：切削速度700m/min，吃深為1-2mm，每齒進給量為0.1-0.18mm/z。

目前，硬質(zhì)合金已進入細晶粒(1-0.5μm)和超細晶粒(<0.5μm)的開展階段，曩昔細晶粒多用於K類(WC Co)硬質(zhì)合金，近幾年來P類(WC TiC Co)和M類(WC TiC TaC或NbC Co)硬質(zhì)合金也向晶粒細化方向開展。

以往，為進步硬質(zhì)合金的耐性，通常是添加鈷(Co)的含量，由此帶來的硬度下降如今可以經(jīng)過細化晶粒得到補償，并使硬質(zhì)合金的抗彎強度進步到4.3GPa，已達到并超越普通高速鋼(HSS)的抗彎強度，改變了人們普遍認為P類硬質(zhì)合金適於切鋼、而K類硬質(zhì)合金只適於加工鑄鐵和鋁等有色金屬的選材格式。

選用WC基的超細晶粒K類硬質(zhì)合金，相同可加工各種鋼料。細晶粒硬質(zhì)合金的另一個優(yōu)點是硬質(zhì)合金刀具刃口尖利，特別適於高速切削粘而韌的工件資料。以日本不二越公司開發(fā)的AQUA麻花鉆為例，其用細晶粒硬質(zhì)合金制造，并涂覆耐熱、耐沖突的潤滑涂層，在高速濕式加工結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼(SCM)時，切削速度200m/min，進給速度1600mm/min，加工功率進步了2.5倍，刀具壽數(shù)進步2倍；干式鉆孔時，切削速度150m/min，進給速度1200mm/min。

2.涂層提升到開發(fā)厚膜、復合和多元涂層的新階段

現(xiàn)如今，涂層已進入到開發(fā)厚膜、復合和多元涂層的新階段，新開發(fā)的TiCN、TiAlN多元超薄、超多層涂層(有的超薄膜涂層數(shù)可多達2000層，每層厚約1nm)與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復合，加上新式抗塑性變形的基體，在改進涂層的耐性、涂層與基體的結(jié)合強度、進步涂層的耐磨性方面有了重大進展，進步了硬質(zhì)合金刀具材的性能。

硬質(zhì)合金材涂層刀具已成為現(xiàn)代切削硬質(zhì)合金刀具的標志，在刀具中的運用份額達到60%。涂層硬質(zhì)合金刀具的產(chǎn)品現(xiàn)已出現(xiàn)品牌化、多樣化和通用化的趨向。例如，德國施耐爾(Schnell)公司用納米技能推出的一種超長壽數(shù)LL涂層立銑刀，用其加工零件硬度超越70HRC淬硬模具鋼材時，硬質(zhì)合金刀具材壽數(shù)可延長2-3倍。

特別值得強調(diào)的是，近幾年開展起來的在硬質(zhì)合金表面涂覆金剛石的技能，使硬質(zhì)合金刀具不僅在黑色金屬范疇，并且在有色金屬范疇中的切削功率取得了進步。由此可知，硬質(zhì)合金今後仍將是制造高速加工刀具的首要基體資料。

一、閥門的挑選及設置部位：

 （一）給水管道上運用的閥門，一般按下列準則挑選：

 1、管徑不大于50mm時，宜選用截止閥，管徑大于50mm時選用閘閥、蝶閥

 2、需調(diào)理流量、水壓時宜選用調(diào)理閥、截止閥

 3、要求水流阻力小的部位（如水泵吸水管上），宜選用閘板閥

 4、水流需雙向活動的管段上應選用閘閥、蝶閥，不得運用截止閥

 5、設備空間小的部位宜選用蝶閥、球閥

 6、在常常啟閉的管段上，宜選用截止閥

 7、口徑較大的水泵出水管上宜選用多功能閥

 （二）給水管道上的下列部位應設置閥門：

 1、居住小區(qū)給水管道從市政給水管道的引進管段上

 2、居住小區(qū)室外環(huán)狀管網(wǎng)的節(jié)點處，應按分隔要求設置。環(huán)狀管段過長時，宜設置分段閥門

 3、從居住小區(qū)給水干管上接出的支管起端或接戶管起端

 4、管、水表和各分支立管（立管底部、筆直環(huán)形管網(wǎng)立管的上、下端部）

 5、環(huán)狀管網(wǎng)的分干管、貫通枝狀管網(wǎng)的連接收

 6、室內(nèi)給水管道向住戶、公用衛(wèi)生間等接出的配水管起端，配水支管上配水點在3個及3個以上時設置

 7、水泵的出水管，自灌式水泵的吸水泵

 8、水箱的進、出水管、泄水管

 9、設備（如加熱器、冷卻塔等）的進水補水管

 10、衛(wèi)生器具（如大、小便器、洗臉盆、淋浴器等）的配水管

 11、某些附件，如主動排氣閥、泄壓閥、水錘消除器、壓力表、灑水栓等前、減壓閥與倒流避免器的前后等

 12、給水管網(wǎng)的蕞低處宜設置泄水閥

 （三）止回閥一般應按其設備部位、閥前水壓、封閉后的密閉功能要求和封閉時引發(fā)的水錘大小等因素來挑選

 1、閥前水壓小時，宜選用旋啟式、球式和梭式止回閥

 2、封閉后的密閉功能要求緊密時，宜選用有封閉彈簧的止回閥

 3、要求削弱封閉水錘時，宜選用速閉消聲止回閥或有阻尼設備的緩閉止回閥

 4、止回閥的閥掰或閥芯，應能在重力或彈簧力作用下自行封閉

 （四）給水管道的下列管段上應設置止回閥：

 引進管上；密閉的水加熱器或用水設備的進水管上；水泵出水管上；進出水管合用一條管道的水箱、水塔、高地水池的出水管段上。

 注：裝有管道倒流避免器的管段，不需在裝止回閥。

 (五)給水管道的下列部位應設置排氣設備：

 1、間歇性運用的給水管網(wǎng)，其管網(wǎng)末端和蕞高點應設置主動排氣閥

 2、給水管網(wǎng)有顯著崎嶇積累空氣的管段，已在該段的峰點設主動排氣閥或手動閥門排氣

 3、氣壓給水設備，當選用主動卜氣式氣壓水罐時，其配水管網(wǎng)的蕞高點應設主動排氣閥

二、各種閥門的優(yōu)缺陷：

 1、閘閥：閘閥是指封閉件（閘板）沿通道軸線的筆直方向移動的閥門，在管路上首要作為堵截介質(zhì)用，即全開或全關運用。一般，閘閥不可作為調(diào)理流量運用。它能夠適用低溫壓也能夠適用于高溫高壓，并可依據(jù)閥門的不同原料。但閘閥一般不用于運送泥漿等介質(zhì)的管路中

 優(yōu)點：

 ①流體阻力??；

 ②啟、閉所需力矩較小；

 ③能夠運用在介質(zhì)向兩方向活動的環(huán)網(wǎng)管路上，也就是說介質(zhì)的流向不受約束；

 ④全開時，密封面受作業(yè)介質(zhì)的沖蝕比截止閥??；

 ⑤形體結(jié)構(gòu)比較簡單，制作工藝性較好；

 ⑥結(jié)構(gòu)長度比較短。

 缺陷：

 ①外形尺寸和敞開高度較大，所需設備的空間亦較大；

 ②在啟閉過程中，密封面人相對沖突，摩損較大，乃至要在高溫時容易引起擦傷現(xiàn)象；

 ③一般閘閥都有兩個密封面，給給加工、研磨和維修增加了一些困難；

 ④啟閉時刻長。

 2、蝶閥：蝶閥是用圓盤式啟閉件往復回轉(zhuǎn)90°左右來敞開、封閉和調(diào)理流體通道的一種閥門。

 ①結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，耗材省，別用于大口徑閥門中；

 ②啟閉敏捷，流阻小；

 ③可用于帶懸浮固體顆粒的介質(zhì)，依據(jù)密封面的強度也可用于粉狀和顆粒狀介質(zhì)?？蛇m用于通風除塵管路的雙向啟閉及調(diào)理，廣泛用于冶金、輕工、電力、石油化工體系的煤氣管道及水道等。

 ①流量調(diào)理規(guī)模不大，當敞開達30%時，流量就將進95%以上；

 ②因為蝶閥的結(jié)構(gòu)和密封資料的約束，不宜用于高溫、高壓的管路體系中。一般作業(yè)溫度在300℃以下，PN40以下；

 ③密封功能相對于球閥、截止閥較差，故用于密封要求不是很高的當?shù)亍?

 3、球閥：是由旋塞閥演化而來，它的啟閉件是一個球體，利用球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°完成敞開和封閉的意圖。球閥在管道上首要用于堵截、分配和改動介質(zhì)活動方向，規(guī)劃成V形開口的球閥還具有良好的流量調(diào)理功能。

 ①具有蕞低的流阻（實踐為0）；

 ②因在作業(yè)時不會卡?。ㄔ跓o潤滑劑時），故能牢靠地應用于腐蝕性介質(zhì)和低沸點液體中；

 ③在較大的壓力和溫度規(guī)模內(nèi)，能完成完全密封；

 ④可完成快速啟閉，某些結(jié)構(gòu)的啟閉時刻僅為0.05~0.1s，以確保能用于試驗臺的主動化體系中?？焖賳㈤]閥門時，操作無沖擊；

 ⑤球形封閉件能在邊界方位上主動定位；