浮動(dòng)支撐摩擦片噴丸強(qiáng)化工藝研究

胡 錚， 楊玲玲， 韓 明， 寧克焱

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

浮動(dòng)支撐摩擦片噴丸強(qiáng)化工藝研究

胡 錚， 楊玲玲， 韓 明， 寧克焱

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

針對(duì)浮動(dòng)支撐摩擦片疲勞斷裂失效的問題，開展了浮動(dòng)支撐摩擦片齒部噴丸強(qiáng)化工藝選擇和強(qiáng)化機(jī)理研究，創(chuàng)新性地提出了一種浮動(dòng)摩擦片的噴丸工藝選擇方法，該方法可快速篩選摩擦片的最佳噴丸強(qiáng)化工藝；同時(shí)利用粗糙度儀、X射線應(yīng)力儀、顯微硬度計(jì)等分析了噴丸強(qiáng)化對(duì)摩擦片齒部表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力分布以及表面硬化的影響作用，探討了噴丸強(qiáng)化對(duì)摩擦片齒部疲勞抗力的作用機(jī)制.臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：最佳噴丸工藝參數(shù)下，浮動(dòng)支撐摩擦片噴丸強(qiáng)化處理后能夠顯著提高其疲勞抗力，臺(tái)架疲勞斷裂壽命提高了54%以上.

摩擦片；噴丸；疲勞性能；疲勞裂紋

浮動(dòng)支撐摩擦片是實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)擋位切換和功率傳遞的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，具有相對(duì)轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大等特點(diǎn)，在各種汽車以及工程車輛上廣泛使用.在車輛運(yùn)行過程中，摩擦片的齒部與內(nèi)轂的齒部發(fā)生沖擊碰撞，運(yùn)行一段時(shí)間后，摩擦片齒部會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂，嚴(yán)重影響車輛的行駛安全.通過對(duì)摩擦片的工作環(huán)境分析可知，摩擦片齒底屬于承力薄弱區(qū)，承受最大的交變應(yīng)力載荷，易發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展.在考慮現(xiàn)有材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝的前提下，欲有效提高摩擦片的疲勞強(qiáng)度，必須從改善和減少摩擦片齒底薄弱區(qū)載荷入手.大量研究表明，對(duì)材料承受動(dòng)載性能的影響而言，殘余應(yīng)力對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響是重要影響因素之一[1-3].通過噴丸強(qiáng)化技術(shù)在摩擦片齒部引入有利的殘余壓應(yīng)力分布，能有效緩解齒底所受載荷，增加疲勞微裂紋的閉合力，阻滯裂紋擴(kuò)展，從而延長疲勞壽命.噴丸強(qiáng)化能夠顯著提高摩擦片的疲勞抗力，然而并不是噴丸強(qiáng)度越高強(qiáng)化效果越好，而是存在著最佳的噴丸強(qiáng)化參數(shù)，但由于噴丸強(qiáng)化是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)碰撞接觸過程，涉及到多種非線性的耦合，影響因素眾多，通過仿真手法無法獲取正確的噴丸工藝參數(shù)，相關(guān)噴丸工藝參數(shù)的選擇只能依靠試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)[4-6]，嚴(yán)重浪費(fèi)人力、財(cái)力、物力，而且目前國內(nèi)外尚無開展摩擦片噴丸強(qiáng)化工藝方面的研究.本研究主要提出了一種新的噴丸工藝選擇方法，高效篩選出最佳的噴丸工藝，研究了噴丸工藝對(duì)浮動(dòng)支撐摩擦片疲勞壽命的影響規(guī)律和作用機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明合適的噴丸強(qiáng)化能夠有效提高摩擦片的疲勞斷裂壽命.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用φ428銅基粉末冶金摩擦片，模數(shù)m=3，齒數(shù)Z=122，其芯板主要成分為30CrMnSiA，其機(jī)械性能見表1.

表1 30CrMnSiA的室溫力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

浮動(dòng)支撐摩擦片的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)是在摩擦片動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，所受浮動(dòng)支撐沖擊載荷是隨機(jī)的，以及浮動(dòng)支撐摩擦片因本身差異導(dǎo)致摩擦片動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分散系數(shù)比較大，可比性較差，數(shù)據(jù)可靠性較低.如要提高數(shù)據(jù)的置信度，需要進(jìn)行大批量整件的試驗(yàn)，這樣成本太高且效率低下.因此提出了一種新的浮動(dòng)支撐摩擦片的噴丸工藝選擇方法，該方法能夠快速、精確地確定浮動(dòng)支撐摩擦片的最佳噴丸工藝類型，節(jié)省人力、物力和時(shí)間.

首先，為了便于區(qū)別摩擦片齒部噴丸強(qiáng)化工藝以及利于試驗(yàn)后摩擦片齒部疲勞裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)前先給浮動(dòng)支撐摩擦片的齒部進(jìn)行區(qū)域劃分和編號(hào).其次，每件摩擦片齒部上實(shí)施2種噴丸工藝(連同原始狀態(tài)，每件摩擦片齒部上存在3種表面狀態(tài))，每隔3～4個(gè)齒實(shí)施一種噴丸工藝.噴丸參數(shù)表見表2，主要有4種噴丸工藝，其中小強(qiáng)度和中強(qiáng)度作為一組，大強(qiáng)度和極大強(qiáng)度作為另外一組，典型摩擦片噴丸示意圖見圖1.最后，在摩擦片動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)摩擦片齒部疲勞裂紋.通過統(tǒng)計(jì)齒部疲勞裂紋數(shù)量，每組篩選出一個(gè)較好的噴丸工藝，然后將每組篩選出來的較好的噴丸工藝組合成為一組重復(fù)上述過程，從而篩選出最佳噴丸工藝.摩擦片齒部進(jìn)行某種噴丸工藝處理時(shí)，需將其他齒進(jìn)行遮擋保護(hù)，例如可用絕緣黑膠布對(duì)其他區(qū)域進(jìn)行纏繞遮擋.

表2 噴丸參數(shù)表

圖1 摩擦片噴丸強(qiáng)化示意圖

摩擦片的齒部動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)在摩擦片動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖2所示.試驗(yàn)臺(tái)采用一臺(tái)12V150L柴油機(jī)作為扭振激勵(lì)源，轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，沖擊頻率為160 Hz.摩擦片齒部表面殘余應(yīng)力測試選用XStress-3000型X射線衍射殘余應(yīng)力分析儀，用CuKα靶材測定試樣的殘余應(yīng)力，衍射角為139.3°.齒部顯微硬度的測量使用HV-1000型顯微硬度計(jì)，載荷為300 g，加載時(shí)間10 s.利用TAYLOR-HOBSON表面粗糙度儀測定摩擦片齒部的表面粗糙度Ra值.

圖2 摩擦片動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

第一輪摩擦片噴丸工藝對(duì)比試驗(yàn)后，典型的摩擦片臺(tái)架試驗(yàn)前后外觀如圖3所示.從圖3(b)中可以看出,1號(hào)摩擦片試驗(yàn)后摩擦片斷裂成了4段，斷口皆從沒有噴丸處理的地方出現(xiàn).這表明通過噴丸處理有效提高了摩擦片齒部的疲勞強(qiáng)度.隨后采用光學(xué)顯微鏡對(duì)斷裂的摩擦片齒部進(jìn)行了仔細(xì)的觀察，統(tǒng)計(jì)其齒部疲勞裂紋數(shù)量.每組摩擦片皆重復(fù)了兩次臺(tái)架試驗(yàn)，4件摩擦片的齒部疲勞裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表3所示.

圖3 1號(hào)摩擦片臺(tái)架試驗(yàn)前后外觀

表3 第一輪摩擦片試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第一輪摩擦片臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，可以得到相對(duì)于噴丸處理的部位，摩擦片齒部沒有經(jīng)過噴丸處理時(shí)，齒部存在最多的疲勞裂紋，數(shù)量約占整個(gè)未噴丸處理齒部的57%以上，而且出現(xiàn)首斷口的部位皆為未噴丸處.首斷口是指首先發(fā)生開裂或斷裂失效的地方，是分析斷裂失效原因和事故原因的主要對(duì)象.因此，摩擦片齒底噴丸有利于提高摩擦片的疲勞強(qiáng)度，減少齒底疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展.根據(jù)齒部疲勞裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果還可以看出，同組試驗(yàn)中強(qiáng)度噴丸處理后的齒部疲勞裂紋要少于小強(qiáng)度噴丸處理的，極大強(qiáng)度噴丸處理后的齒部疲勞裂紋要少于大強(qiáng)度噴丸處理的，這說明中強(qiáng)度/極大強(qiáng)度噴丸工藝在各自的組別中屬于最優(yōu)的工藝.因此，選擇中強(qiáng)度噴丸工藝和極大強(qiáng)度工藝，重新組合成一組，按照第一輪的實(shí)施方法進(jìn)行第二輪摩擦片噴丸工藝對(duì)比試驗(yàn).

典型的摩擦片臺(tái)架試驗(yàn)前后外觀如圖4所示.摩擦片齒部疲勞裂紋數(shù)量如表4所示.可以看到首斷口都存在極大強(qiáng)度噴丸處理部位，而且極大強(qiáng)度噴丸工藝處理的齒底的疲勞裂紋的數(shù)量也大于中強(qiáng)度噴丸工藝處理的.這說明極大強(qiáng)度噴丸工藝處理的摩擦片疲勞強(qiáng)度低于中強(qiáng)度噴丸工藝處理的，過大的噴丸強(qiáng)度處理反而不利于摩擦片疲勞壽命的提高，發(fā)生“過噴”現(xiàn)象.因此，選擇中強(qiáng)度噴丸工藝為浮動(dòng)支撐摩擦片的最佳噴丸工藝.

圖4 7號(hào)摩擦片臺(tái)架試驗(yàn)前后外觀

表4 摩擦片試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同噴丸工藝齒底表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力值

為了確定中強(qiáng)度噴丸處理為最佳噴丸工藝，隨后對(duì)摩擦片齒部進(jìn)行了表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力和硬度場測量分析.摩擦片不同噴丸工藝處理的表面粗糙度和殘余應(yīng)力分析如圖5所示，可以看到噴丸處理增加了齒部的表面粗糙度，小強(qiáng)度噴丸處理后，表面粗糙度為1.6 μm.而中強(qiáng)度噴丸處理后，表面粗糙度反而略有下降，約為1.5 μm.當(dāng)噴丸強(qiáng)度持續(xù)增加后，當(dāng)達(dá)到極大強(qiáng)度時(shí)，表面粗糙度達(dá)到了2.3 μm.同時(shí)，隨著噴丸強(qiáng)度的提高，表面殘余應(yīng)力也持續(xù)增加，最大達(dá)到了-300 MPa.表面殘余壓應(yīng)力不僅可以緩和外界交變拉應(yīng)力的作用，抑制疲勞裂紋的萌生，其較深的殘余壓應(yīng)力場還可以閉合裂紋以減小疲勞短裂紋的擴(kuò)展速率.極大強(qiáng)度噴丸處理后雖然得到了最大的表面殘余壓應(yīng)力值，但是其表面粗糙度值也最高，高的表面粗糙度值有可能造成表面應(yīng)力集中，不利于摩擦片疲勞壽命的提高.

組織強(qiáng)化是噴丸的一個(gè)主要強(qiáng)化作用，其通過表面應(yīng)變強(qiáng)化，達(dá)到提高表層金屬強(qiáng)度的作用，硬度梯度是組織強(qiáng)化的重要表現(xiàn)形式.因此，開展了不同噴丸工藝處理下摩擦片齒部的顯微硬度梯度表征，從摩擦片齒底15 μm左右開始第一個(gè)硬度壓點(diǎn)的表征，每個(gè)點(diǎn)相距30 μm，每個(gè)測試位置測試10個(gè)點(diǎn)硬度值，測試的齒部硬度梯度值如圖6所示.可以看到:小強(qiáng)度噴丸硬化層很淺，不到50 μm，

圖6 不同噴丸工藝處理下摩擦片齒部硬度場表征結(jié)果

硬度值也較低.中強(qiáng)度、大強(qiáng)度和極大強(qiáng)度噴丸強(qiáng)度處理后硬化層較深，約為150 μm左右.其中中強(qiáng)度噴丸工藝處理后表面硬度值約為300 HV，大強(qiáng)度和極大強(qiáng)度噴丸工藝處理后硬度值約為310 HV.結(jié)合上述表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力和硬度梯度場的表征結(jié)果，可以看到相比其他噴丸處理工藝，中強(qiáng)度噴丸工藝處理后摩擦片齒部具有合適的殘余應(yīng)力值、較高的表面硬度和硬化深度以及較低的表面粗糙度值，因此，進(jìn)一步確定中強(qiáng)度噴丸為最佳噴丸工藝，也證實(shí)了浮動(dòng)支撐摩擦片噴丸強(qiáng)化工藝選擇方法的正確.

最后，選擇了中強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化工藝進(jìn)行了摩擦片全齒噴丸強(qiáng)化的驗(yàn)證試驗(yàn).經(jīng)檢測齒底表面殘余應(yīng)力都達(dá)-150 MPa以上，具有比較高的均勻性和一致性.摩擦片試驗(yàn)件試驗(yàn)前后如圖7所示.臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果顯示噴丸強(qiáng)化摩擦片的平均斷裂壽命達(dá)到43 min，而未噴丸強(qiáng)化摩擦片的平均斷裂壽命為28 min，摩擦片噴丸強(qiáng)化后的疲勞斷裂壽命提高了54%，獲得了非常有效的疲勞性能改善.

圖7 全齒驗(yàn)證件試驗(yàn)前后外觀

對(duì)于上述4種摩擦片噴丸工藝，若采用每片摩擦片實(shí)施一種噴丸工藝的方法篩選摩擦片最佳噴丸工藝，由于摩擦片動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)所受沖擊載荷存在隨機(jī)性以及摩擦片本身存在差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果分散系數(shù)較大，可比性差.因此，每種噴丸工藝至少需要6件摩擦片來驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，一共需要約24片樣本量才能大概確定浮動(dòng)支撐摩擦片的最佳噴丸工藝，數(shù)據(jù)的置信度較低，試驗(yàn)成本也比較高.若采用在摩擦片齒部交替實(shí)施噴丸工藝的新方法，完成摩擦片最佳噴丸工藝的選擇只需7片摩擦片，每種噴丸工藝的樣本量達(dá)到了80個(gè)以上，具有較高的數(shù)據(jù)置信度，同時(shí)也節(jié)約了試驗(yàn)成本.

3 結(jié) 論

1)通過采用在摩擦片齒部交替實(shí)施噴丸工藝的方法，選擇了中強(qiáng)度噴丸參數(shù)作為浮動(dòng)支撐摩擦片的最佳噴丸工藝，同時(shí)結(jié)合表面粗糙度、硬度場以及殘余應(yīng)力值等測量方法間接證實(shí)了該方法的正確性和快速性.

2)在摩擦片齒部實(shí)施合理的噴丸處理能夠在摩擦片齒底引入合適分布的殘余壓應(yīng)力，并使得摩擦片齒底表面硬化，表層晶粒細(xì)化，延緩了齒部疲勞裂紋萌生，從而有利于提高摩擦片的抗疲勞性能.而噴丸強(qiáng)度過高時(shí)，摩擦片的表面粗糙度值明顯增大，造成“過噴”現(xiàn)象，降低了噴丸改善摩擦片疲勞抗力的效果.摩擦片通過中強(qiáng)度噴丸工藝強(qiáng)化處理后，其臺(tái)架疲勞斷裂壽命提高了54%以上，有效提高了摩擦片的使用里程.

[1] 劉 鎖．金屬材料的疲勞性能與噴丸強(qiáng)化工藝[M].北京:國防工業(yè)出版社，1977:1-15.

[2] 趙振業(yè)．高強(qiáng)度合金抗疲勞應(yīng)用技術(shù)研究與發(fā)展[J].中國工程科學(xué)，2005，7(3):90-94．

[3] 王仁智．工程金屬材料/零件的表面完整性及其斷裂抗力[J].中國表面工程,2011，24(5):55-57．

[4] M.Meo, R. Vignjevic Finite element analysis of residual stress induced by shot peening process[J]. Advances in Engineering Software，2003，34:569-575.

[5] SCHIFFNER K, HELLING C D G. Simulation of residual stresses by shot peening[J]. Computers and Structures，1999，72:329-340.

[6] 凌 祥,彭薇薇,倪紅芳.噴丸三維殘余應(yīng)力場的有限元模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42(8):182-189.

Study on Shot Peening of Floating-supported Friction Plate

HU Zheng， YANG Ling-ling， HAN Ming， NING Ke-yan

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

In order to solve the fatigue fracture of floating-supported friction plate, the effects of shot peening on the fricition plates were studied. A clear and efficient method for the selection of shot peening parameters on friction plates was presented. The influence of shot peening on surface roughness, surface residual stresses and surface micro-hardness was measured by using surface profile measurement, X-ray diffraction analysis and micro-hardness instrument. The mechanism of fatigue resistance improved by shot peening was also discussed. The experimental results demonstrate that the effect of fatigue properties can be improved by optimized shot peening process. Compared with the mean fatigue life of the untreated friction plates, the shot peening treatment raises the fatigue life of the friction plates by 54%.

friction plate；shot peening；fatigure property；fatigure crack

1009-4687(2017)01-0033-05

2016-07-01.

胡錚(1985-)，男，副研究員，研究方向?yàn)槟Σ疗瑒?dòng)態(tài)強(qiáng)度與疲勞壽命.

U463.55.06

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