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機械社區(qū)
標題: 齒輪強化：強度 [打印本頁]
作者: szapmc 時間: 2012-3-9 15:18
標題: 齒輪強化：強度
汽車設(shè)計工程師們已經(jīng)充分了解利用強化工藝能大幅度延長傳動零件的安全使用壽命。通常，強化被視作一道熱處理后的工序，對于一些關(guān)鍵部件，如環(huán)形齒輪，行星齒輪，強化是生產(chǎn)工藝中最后一個重要步驟。
; Z8 ?$ |9 z4 G5 Z) g強化的原理，就是金屬表面受到高速金屬顆粒束的連續(xù)捶擊，即在其表面導入一個壓應力?；谶@個機制，好像看來找一臺可以進行強化的機器并不困難。然后，事實證明過早的傳動失效和產(chǎn)品退貨，讓不少齒輪廠商不得不重新審視這道看似簡單的加工工藝。/ o. U- r0 b# `5 l5 N# l; Y
噴丸強化的機理和效果
* B% ]; i; W: I) I金屬介質(zhì)（鋼珠或切絲丸）的連續(xù)撞擊，造成零件表面的塑性形變。該效果延伸到形成壓應力的表面層之下的區(qū)域，抵消那里原有的拉應力。殘余壓應力延緩疲勞裂紋的形成，從而提高零件的抗疲勞強度，延長疲勞壽命。
, R9 R# Z5 {. T' x; h熱處理后，齒輪表面受到的連續(xù)強化介質(zhì)的捶擊，將殘余奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體。這能增加材料硬度。
: q9 n _- H+ p3 q4 z0 t就齒輪而言，最大的剪切應力出現(xiàn)在齒根部和過渡區(qū)圓角部位。齒輪驅(qū)動面和齒面邊緣承受不斷增加的載荷。因此，齒輪強化重點部位是" v8 A$ ~" o, y
- 驅(qū)動面
; G8 D; `! ]3 a R% ]- 齒面邊緣
3 B5 i7 \3 q; z9 |3 }9 N# V2 }- 齒根部位
# [7 U* |3 x- @; d0 a3 S; N- B每種齒輪，要求的強化強度和覆蓋率不盡相同，要根據(jù)其實際應用而定。覆蓋率是個目測的過程，而強化強度則需要通過一種特制的彈簧鋼試片（稱為阿爾門試片）進行測定。
8 K6 F; m7 s: L4 \0 X7 Y. v強度測試; a. q0 c8 _( w* F' m
零件校正工具（PVT），設(shè)計用于將試片固定于一些特定位置。試片在這些位置時，可以模擬零件需要進行強度測定的區(qū)域。, ?$ g1 x) P7 B1 U2 O6 V, g
根據(jù)不同應用，強度范圍可在0.015-0.030 （”A” Scale），覆蓋率可在100%至200%。
4 V# w$ s/ m1 t! H' a+ P2 x p0 C, L可通過幾種不同方式達到以上齒輪強化效果，每種方式各有優(yōu)點，
1 l$ Y! k% w4 E- 離心力拋頭式拋丸強化
* [( W6 o6 e4 J' y Q) i7 D- 壓縮空氣噴嘴式噴丸強化" d% \( l* H. \( n& u7 O
- 混合式（拋丸+噴丸）1 _9 S- @1 d8 h$ n3 W: ]) c' N5 V
介質(zhì)拋射類型4 J: f% |& `8 ]3 b8 w& `5 [7 x0 y
如果以產(chǎn)量列為主要考量因素，離心力拋頭拋射方式是最理想的。拋頭拋射器產(chǎn)生的介質(zhì)流可以單位時間內(nèi)覆蓋較大的面積。然后，該工藝受限于齒輪尺寸。對于較小型的齒輪，其齒根部位狹窄，那就需要用多個拋頭，固定在不同的角度，才能達到要求的覆蓋率。
3 t$ {; |6 Q. p( o8 u另一種方式，即利用多個壓力式噴嘴，對特定的齒根區(qū)域直接且更精確的噴射，以達到所需的覆蓋率。
3 W' {. }" p/ _) v# A; a4 R這兩種強化方式都普遍應用于齒輪生產(chǎn)中，相對而言，噴丸強化應用更為廣泛些，因為它在技術(shù)和精確度方面較為優(yōu)勢。
; Q) o$ o, L7 I; H- c3 ^( [* [第三種噴丸和拋丸混合式強化系統(tǒng)，盡管其應用較不普遍，但它的優(yōu)勢在于同一臺機器，既能利用拋頭拋射，以保證較高的產(chǎn)能，又可利用一個壓力噴嘴，對特定區(qū)域進行集中性地、更為精準地噴丸強化。 v" d. J g: C4 u9 \
工藝參數(shù)
# R. e: O \" q5 P/ F! n2 e無論使用哪種強化技術(shù)，它們的最終目的都是為了以一種持續(xù)、恒定、高重復性方式達到所需的強度。因此，很重要的一點是必須充分了解哪些關(guān)鍵參數(shù)會影響最后的強化效果。這些參數(shù)包括3 Q: g. }4 R) ~% A0 u
離心式拋頭強化：
2 I0 J$ W# f2 L9 Q+ o; ~5 x- 拋頭# y. {: k$ a5 C& C0 o7 `" }
- 拋頭功率
; j9 |; a5 z H2 Q- 葉片速度
$ P9 o! }8 z7 W2 U0 }+ `3 _* z4 d- 拋射角度) \; Q; h) N p0 u6 ^
- 拋頭位置# a( z+ U- L% G/ {/ |0 T- t
- 定向套移動& t5 m- L3 E8 U* \. `5 u
以上這些參數(shù)都會影響最終的強化效果：
% `# ?# C) `; h0 X, e- 拋頭直徑?jīng)Q定了介質(zhì)丸粒被切向拋出的速度。一個17.5” 直徑的拋頭比一個14”直徑拋頭在同一拋頭轉(zhuǎn)速下，能產(chǎn)生更大的切向射速，因而達到更高的強化強度
) q+ k5 T8 e: U- 拋頭馬力決定了被拋射出去的介質(zhì)數(shù)量2 B# \) q8 G& B2 h& n
- 拋頭尺寸和拋頭轉(zhuǎn)速決定了可達到的介質(zhì)射速和因而取得的強度。維爾貝萊特（集團）的拋丸強化設(shè)備裝有變頻器，能控制和改變拋頭轉(zhuǎn)速和介質(zhì)射速1 S2 t2 Y. H$ _ P& A
- 拋頭通常永久且牢固地固定在拋丸室內(nèi)的特定位置上。如需要改變拋射方式，可通過調(diào)節(jié)定向套的設(shè)定。定向套的位置決定了介質(zhì)被拋頭射出時確鑿的方向和角度。
& W- F, @0 {# p7 \, o, W$ E壓力噴嘴式噴丸強化：# x3 c$ t! h0 V8 D; m! u4 {
- 噴嘴
, ?2 P( b/ M5 p5 w# k/ g- 噴嘴尺寸
1 }& v2 }4 e, u- 噴射壓力( t g0 L- y: p6 \% S& K
- 噴嘴角度
$ ] J4 ~4 N1 W9 W# f- 噴嘴移動
0 x" v7 a9 L# ?0 s- 多個噴嘴
9 U+ _0 b" N. x: j) {9 E$ z以上這些參數(shù)都會影響最終的強化效果：1 A5 G! ~5 {+ B, V2 _' e( ?9 E
- 在較為復雜嚴密的齒輪強化噴丸系統(tǒng)中，噴嘴的壓力是由一個閉路式反饋調(diào)控器控制。發(fā)生任何偏離預設(shè)的壓力值時，系統(tǒng)會觸發(fā)警報，自動關(guān)閉機器。0 _- O" B$ R7 K; X
- 噴嘴尺寸決定了被噴射到零件表面的丸料數(shù)量，介質(zhì)射出后產(chǎn)生的能量都直接用于取得所需的強度。
& G5 p4 r% j; Y- ?# F6 O0 Q% w$ L- 將噴嘴置于多軸機械手上，實現(xiàn)噴嘴的可控性地擺動及轉(zhuǎn)動，以滿足零件任何形狀，不同部位的噴射需要。根據(jù)待強化齒輪的輪廓，預設(shè)噴嘴的移動走線和距離，達到高度精確和高可重復性的工藝要求。; g/ p* n. j y
" T" }; S' i9 k7 I
注意：
/ U+ _/ {& }: H. u( A% V如要同時噴丸強化一組行星齒輪和環(huán)形齒輪，必須注意到這兩種齒輪齒根角度是不同的。因此，需要依靠不同的、獨立的噴嘴設(shè)定以達到兩種齒輪各自所需的強化效果。維爾貝萊特（集團）的強化設(shè)備為兩種齒輪提供特定的噴嘴底座。其他工藝參數(shù)如5 w; A( ^8 I! `
- 丸流流速# l. v7 j/ @ p" x2 s
- 介質(zhì)顆粒大小
. K- `) G9 z( {8 M* @- 顆粒尺寸是否均勻、一致; g% p( g3 t& e4 Y: T
- 流量控制閥（磁閥）能控制介質(zhì)丸流流速，在拋丸強化設(shè)備中，該磁閥安裝于拋頭喂料一側(cè)；在噴丸強化設(shè)備中，該磁閥安裝于壓力罐出口。$ \1 w" \% G7 X4 _2 L
- 振動篩篩分出尺寸過大，合適或尺寸過小的丸粒。使用兩個振動篩能確保每次強化過程中恒定、均勻尺寸的介質(zhì)。
3 N- M* c# p+ j% o0 L5 X( V- 鋼丸（或切絲）大小是決定強化覆蓋率和生產(chǎn)周期時間的關(guān)鍵因素。較小的丸粒能在零件表層產(chǎn)生較高的應力；較大的丸粒能影響工件較深的區(qū)域，在那里達到所需應力水平，鋼丸的直徑必須小于齒輪最小過渡區(qū)圓角直徑的一半
4 M; E- r: O1 p2 t$ J總結(jié)：" q8 O1 I+ ]' p- k2 l
在過去幾年里，齒輪強化技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，原來應用于飛機起落架強化的最復雜、精密的強化工藝已復制到對于齒輪的強化加工。其共同點，都在于對強化結(jié)果的一致恒定性，工藝的高可控性和高重復性有越來越嚴苛的要求。
" x3 [5 g# c1 B6 p& p" L3 b機械工藝和精密的流程監(jiān)控相結(jié)合，為強化生產(chǎn)提供極大的靈活度和柔性，以取得滿意的零件強化效果。
4 G; C2 @6 W7 b5 Q+ l當今的汽車工程師們已越來越傾向利用拋丸-噴丸結(jié)合式的系統(tǒng)，來同時滿足工藝和產(chǎn)量的需要。
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