齒輪強(qiáng)化：強(qiáng)度

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汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師們已經(jīng)充分了解利用強(qiáng)化工藝能大幅度延長(zhǎng)傳動(dòng)零件的安全使用壽命。通常，強(qiáng)化被視作一道熱處理后的工序，對(duì)于一些關(guān)鍵部件，如環(huán)形齒輪，行星齒輪，強(qiáng)化是生產(chǎn)工藝中最后一個(gè)重要步驟。
強(qiáng)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(dǎo)入一個(gè)壓應(yīng)力?；谶@個(gè)機(jī)制，好像看來(lái)找一臺(tái)可以進(jìn)行強(qiáng)化的機(jī)器并不困難。然后，事實(shí)證明過(guò)早的傳動(dòng)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(jiǎn)單的加工工藝。
噴丸強(qiáng)化的機(jī)理和效果
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(yīng)力的表面層之下的區(qū)域，抵消那里原有的拉應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力延緩疲勞裂紋的形成，從而提高零件的抗疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命。
熱處理后，齒輪表面受到的連續(xù)強(qiáng)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。
就齒輪而言，最大的剪切應(yīng)力出現(xiàn)在齒根部和過(guò)渡區(qū)圓角部位。齒輪驅(qū)動(dòng)面和齒面邊緣承受不斷增加的載荷。因此，齒輪強(qiáng)化重點(diǎn)部位是
- 驅(qū)動(dòng)面
2 Z, q) H$ S9 X6 H5 v- 齒面邊緣
" f4 \3 `7 I- v( v) R7 M# x- 齒根部位
# O' q. f8 p. G9 o+ L- V每種齒輪，要求的強(qiáng)化強(qiáng)度和覆蓋率不盡相同，要根據(jù)其實(shí)際應(yīng)用而定。覆蓋率是個(gè)目測(cè)的過(guò)程，而強(qiáng)化強(qiáng)度則需要通過(guò)一種特制的彈簧鋼試片（稱(chēng)為阿爾門(mén)試片）進(jìn)行測(cè)定。
. I: o( j0 \' J$ @3 z+ p9 K- J5 a強(qiáng)度測(cè)試
: w5 d, ^0 H: R* i零件校正工具（PVT），設(shè)計(jì)用于將試片固定于一些特定位置。試片在這些位置時(shí)，可以模擬零件需要進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定的區(qū)域。
根據(jù)不同應(yīng)用，強(qiáng)度范圍可在0.015-0.030 （”A” Scale），覆蓋率可在100%至200%。
可通過(guò)幾種不同方式達(dá)到以上齒輪強(qiáng)化效果，每種方式各有優(yōu)點(diǎn)，
; c0 w0 [3 ?1 p% [- 離心力拋頭式拋丸強(qiáng)化
- 壓縮空氣噴嘴式噴丸強(qiáng)化
3 f8 o: g9 F6 D. I6 G: J- 混合式（拋丸+噴丸）
介質(zhì)拋射類(lèi)型
$ Y% J2 R  a; o  \" D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(shí)間內(nèi)覆蓋較大的面積。然后，該工藝受限于齒輪尺寸。對(duì)于較小型的齒輪，其齒根部位狹窄，那就需要用多個(gè)拋頭，固定在不同的角度，才能達(dá)到要求的覆蓋率。
2 E7 m% f. [; u$ e1 D) {另一種方式，即利用多個(gè)壓力式噴嘴，對(duì)特定的齒根區(qū)域直接且更精確的噴射，以達(dá)到所需的覆蓋率。
  C6 S& Q; f* f4 m* h1 k: }這兩種強(qiáng)化方式都普遍應(yīng)用于齒輪生產(chǎn)中，相對(duì)而言，噴丸強(qiáng)化應(yīng)用更為廣泛些，因?yàn)樗诩夹g(shù)和精確度方面較為優(yōu)勢(shì)。
& o7 l6 Y* Z# v4 e; G# i# ~( A& Z第三種噴丸和拋丸混合式強(qiáng)化系統(tǒng)，盡管其應(yīng)用較不普遍，但它的優(yōu)勢(shì)在于同一臺(tái)機(jī)器，既能利用拋頭拋射，以保證較高的產(chǎn)能，又可利用一個(gè)壓力噴嘴，對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行集中性地、更為精準(zhǔn)地噴丸強(qiáng)化。
5 h" ^4 V, D9 l% a( z' ?  U* a工藝參數(shù)
+ e% P' z1 d  S- P: r- o無(wú)論使用哪種強(qiáng)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(fù)性方式達(dá)到所需的強(qiáng)度。因此，很重要的一點(diǎn)是必須充分了解哪些關(guān)鍵參數(shù)會(huì)影響最后的強(qiáng)化效果。這些參數(shù)包括
9 t/ g' T: j/ f& C( Y0 z離心式拋頭強(qiáng)化：
1 c1 k8 t9 {- G/ P- 拋頭
- 拋頭功率
- 葉片速度
& S0 J% j0 \2 ^' L: j- 拋射角度
- 拋頭位置
1 E5 }9 }% b! @- 定向套移動(dòng)
$ S! I! l6 N3 p5 ]5 x以上這些參數(shù)都會(huì)影響最終的強(qiáng)化效果：
+ s& ~, I3 ^* f, x* d- 拋頭直徑?jīng)Q定了介質(zhì)丸粒被切向拋出的速度。一個(gè)17.5” 直徑的拋頭比一個(gè)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(dá)到更高的強(qiáng)化強(qiáng)度
- 拋頭馬力決定了被拋射出去的介質(zhì)數(shù)量
- 拋頭尺寸和拋頭轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了可達(dá)到的介質(zhì)射速和因而取得的強(qiáng)度。維爾貝萊特（集團(tuán)）的拋丸強(qiáng)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
$ N% `9 T& g+ Y  z# S4 `! b- 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(guò)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(shí)確鑿的方向和角度。
/ O1 u0 |6 M3 c壓力噴嘴式噴丸強(qiáng)化：
; G$ m* K% N* ^& V; ^. e- 噴嘴
4 S5 u' l$ F" J0 x- 噴嘴尺寸
- 噴射壓力
! Q. f' X3 B1 s+ i- 噴嘴角度
4 q, s( f& u, |6 w4 o6 [0 @0 S- 噴嘴移動(dòng)
- 多個(gè)噴嘴
以上這些參數(shù)都會(huì)影響最終的強(qiáng)化效果：
- 在較為復(fù)雜嚴(yán)密的齒輪強(qiáng)化噴丸系統(tǒng)中，噴嘴的壓力是由一個(gè)閉路式反饋調(diào)控器控制。發(fā)生任何偏離預(yù)設(shè)的壓力值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)警報(bào)，自動(dòng)關(guān)閉機(jī)器。
- 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(qiáng)度。
7 \2 ?1 V0 A" d' G( J* g  b2 t5 }- 將噴嘴置于多軸機(jī)械手上，實(shí)現(xiàn)噴嘴的可控性地?cái)[動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿(mǎn)足零件任何形狀，不同部位的噴射需要。根據(jù)待強(qiáng)化齒輪的輪廓，預(yù)設(shè)噴嘴的移動(dòng)走線和距離，達(dá)到高度精確和高可重復(fù)性的工藝要求。

注意：
如要同時(shí)噴丸強(qiáng)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(dú)立的噴嘴設(shè)定以達(dá)到兩種齒輪各自所需的強(qiáng)化效果。維爾貝萊特（集團(tuán)）的強(qiáng)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
- 丸流流速
- 介質(zhì)顆粒大小
' x& c6 k8 \5 P5 W- A- 顆粒尺寸是否均勻、一致
6 l) j9 ~2 v6 H8 I0 \- {- 流量控制閥（磁閥）能控制介質(zhì)丸流流速，在拋丸強(qiáng)化設(shè)備中，該磁閥安裝于拋頭喂料一側(cè)；在噴丸強(qiáng)化設(shè)備中，該磁閥安裝于壓力罐出口。
- 振動(dòng)篩篩分出尺寸過(guò)大，合適或尺寸過(guò)小的丸粒。使用兩個(gè)振動(dòng)篩能確保每次強(qiáng)化過(guò)程中恒定、均勻尺寸的介質(zhì)。
- 鋼丸（或切絲）大小是決定強(qiáng)化覆蓋率和生產(chǎn)周期時(shí)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(yīng)力；較大的丸粒能影響工件較深的區(qū)域，在那里達(dá)到所需應(yīng)力水平，鋼丸的直徑必須小于齒輪最小過(guò)渡區(qū)圓角直徑的一半
總結(jié)：
在過(guò)去幾年里，齒輪強(qiáng)化技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，原來(lái)應(yīng)用于飛機(jī)起落架強(qiáng)化的最復(fù)雜、精密的強(qiáng)化工藝已復(fù)制到對(duì)于齒輪的強(qiáng)化加工。其共同點(diǎn)，都在于對(duì)強(qiáng)化結(jié)果的一致恒定性，工藝的高可控性和高重復(fù)性有越來(lái)越嚴(yán)苛的要求。
機(jī)械工藝和精密的流程監(jiān)控相結(jié)合，為強(qiáng)化生產(chǎn)提供極大的靈活度和柔性，以取得滿(mǎn)意的零件強(qiáng)化效果。
當(dāng)今的汽車(chē)工程師們已越來(lái)越傾向利用拋丸-噴丸結(jié)合式的系統(tǒng)，來(lái)同時(shí)滿(mǎn)足工藝和產(chǎn)量的需要。