噴丸強(qiáng)化在傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用

陽新元，吳紅美

（1.直升機(jī)傳動技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002；2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0 引言

機(jī)械工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)零件過程中，很多時候?qū)α慵哪膫€部位噴丸及如何選擇確定噴丸參數(shù)，感到困惑。從噴丸強(qiáng)化機(jī)理、噴丸參數(shù)確定及典型應(yīng)用分析等3 方面論述，以期對零件的噴丸設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 噴丸強(qiáng)化機(jī)理

噴丸強(qiáng)化的過程就是高速運(yùn)動的彈丸流連續(xù)向零件表面噴射的過程，這使金屬表面層產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性變形，形成一層很薄的密布無數(shù)光滑半球坑的冷作硬化層（其深度約為0.07～0.5 mm），也叫表面強(qiáng)化層。在此層內(nèi)發(fā)生2 種變化：從應(yīng)力狀態(tài)上看，表層形成較高的殘余壓應(yīng)力；從組織結(jié)構(gòu)上看，亞晶粒發(fā)生極大的細(xì)化。上述變化將會提高零件的室溫和高溫疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕性能和摩擦腐蝕性能[1]。

2 工程上噴丸強(qiáng)化設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

噴丸強(qiáng)化的效果和質(zhì)量的表征指標(biāo)主要有噴丸的強(qiáng)度、覆蓋率和噴丸后零件的表面粗糙度值。在設(shè)計(jì)圖樣中對噴丸強(qiáng)化的應(yīng)用涉及噴丸區(qū)域、丸粒的規(guī)格、噴丸強(qiáng)度、覆蓋率、噴射角。

2.1 零件噴丸區(qū)域

根據(jù)噴丸強(qiáng)化機(jī)理，噴丸強(qiáng)化應(yīng)用在零件承受較高交變應(yīng)力部位，以提高疲勞性能，如傳動系統(tǒng)主傳動鏈齒輪及承受大交變應(yīng)力的機(jī)匣腿部；或應(yīng)用在噴涂區(qū)、鍍層區(qū)和焊接區(qū)，抵消其產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

2.2 丸粒的選擇

2.2.1 丸粒種類

噴丸強(qiáng)化用的彈丸常用的一般有鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切制鋼丸、不銹鋼丸、玻璃丸，其中最常用的丸粒有鑄鐵丸、鑄鋼丸、玻璃丸、不銹鋼丸。

各種丸粒由自身材料特點(diǎn)決定其使用范圍。鑄鐵丸由于在噴丸過程中易于破碎，且損耗量大，已逐漸被鋼丸替代。不銹鋼丸可長時間保存。目前國內(nèi)常用丸粒為鋼制丸粒。玻璃丸也容易破碎，通常用于有色金屬零件噴鋼丸后清理鐵屑，防止腐蝕。

2.2.2 丸粒尺寸

丸粒規(guī)格一般按標(biāo)準(zhǔn)選取，通常有14 種規(guī)格：70 號、110號、130 號、170 號、190 號、230 號……930 號，對應(yīng)的丸粒直徑分別為：0.18 mm、0.28 mm、0.33 mm、0.43 mm、0.48 mm、0.58 mm……2.36 mm。

在選擇丸粒尺寸時，應(yīng)考慮以下因素：零件的形狀；圓角、槽或孔的尺寸；噴丸強(qiáng)度要求；光潔度（在相等強(qiáng)度條件下，使用大丸粒會產(chǎn)生較好光潔度，然而，完成可達(dá)區(qū)域所要求的時間隨丸粒尺寸的增加而迅速增加）；小丸?？梢暂^快地完成可達(dá)區(qū)域；對鋁用高強(qiáng)度噴擊時不應(yīng)該用小丸粒。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，丸粒直徑推薦按ST100-84-09 表Ⅱ，但同時必須考慮連接、開槽或孔的尺寸。一般丸粒直徑不大于連接半徑的一半；如果丸粒要穿過槽或孔，則該小球的直徑不超過槽口或孔直徑的1/4。對有色金屬來說，達(dá)到同樣的噴丸強(qiáng)度，考慮選較大尺寸的丸粒。

丸粒大小由上述綜合因素決定，有時為了降低成本，盡量減少丸粒規(guī)格和材料，同一型號的零件盡可能選用同一規(guī)格的丸粒，舉例見表1。

表1 丸粒尺寸選擇分析

2.2.3 丸粒的硬度

丸粒硬度選擇，應(yīng)考慮工件材料的硬度。應(yīng)使用硬度大于或接近零件噴丸區(qū)硬度的丸粒，因?yàn)檫@樣可在較短時間內(nèi)達(dá)到所需的強(qiáng)化效果，而且能得到滿意的壓應(yīng)力層。否則，延長噴丸時間將降低零件表面精度。目前國內(nèi)常用鋼丸粒硬度分為HRC=42/52 和HRC=55/65 兩種。

2.3 噴丸強(qiáng)度

噴丸強(qiáng)化的效果和質(zhì)量的表征指標(biāo)中強(qiáng)度最為重要。對于任何一種金屬材料，要獲得最佳的噴丸強(qiáng)度，應(yīng)通過一系列試驗(yàn)才能得出。但是這種系統(tǒng)試驗(yàn)不僅花錢，而且試驗(yàn)周期冗長，這在工程實(shí)際中很難實(shí)施。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常制定相應(yīng)的噴丸技術(shù)規(guī)范，如ST100-84-09，根據(jù)零件的材料、尺寸、力學(xué)性能等或參照同類零件的噴丸來確定零件的噴丸強(qiáng)度，這樣得到的是平均強(qiáng)度。

在對零件噴丸前，先進(jìn)行采用標(biāo)準(zhǔn)弧高度試片的阿爾門（Almen）試驗(yàn)（弧高度試驗(yàn)）。弧高度試片分為A 型、C 型和N型，分別用于測量不同噴丸強(qiáng)度，A 型試片用于測量弧高值≥0.1 mm 而≤0.6 mm，N 型試片用于測量弧高值＜0.1 mm，C型試片用于測量弧高值＞0.6 mm，3 種試片的換算關(guān)系為：1A≈3.3N，1C≈3A。阿爾門弧高試片噴丸后的弧高度值用來度量噴丸強(qiáng)度，零件噴丸強(qiáng)度值后帶試片型號，如0.3 mmA 表示噴丸強(qiáng)度的弧高值為0.3 mm，用A 型試片進(jìn)行工藝試驗(yàn)。一旦試片試驗(yàn)的工藝參數(shù)（丸粒速度、丸粒流量、噴射時間、噴嘴到零件表面距離等工藝參數(shù)）達(dá)到噴丸強(qiáng)度要求，則該工藝參數(shù)將應(yīng)用于零件噴丸。

2.4 覆蓋率

噴丸強(qiáng)化后的表面彈丸坑占據(jù)的面積與總面積的比值稱為表面覆蓋率，以百分比表示。為了具備較高的抗疲勞破壞能力和抗應(yīng)力腐蝕破壞能力，噴丸強(qiáng)化表面要求覆蓋率達(dá)到或超過100%。一般鋼和鈦制零件的噴丸覆蓋率為200%，輕合金零件的噴丸覆蓋率為100%。

2.5 噴射角

噴射角是丸粒束向工件表面噴射的角度，有效噴丸強(qiáng)度與噴射角的正弦成正比，垂直噴射效率最高，因此丸粒噴射盡可能與噴射區(qū)垂直。如果受零件形狀的影響，工藝上無法達(dá)到垂直噴射，也要保持盡可能大的噴射角，以保證高的噴射效率。在阿爾門試片進(jìn)行噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)時也應(yīng)保持此噴射角。

3 噴丸強(qiáng)化的應(yīng)用分析

根據(jù)上述噴丸強(qiáng)化機(jī)理和噴丸強(qiáng)化參數(shù)的確定方法，對傳動系統(tǒng)型號中典型的噴丸應(yīng)用見表2。

表2 傳動系統(tǒng)噴丸的典型應(yīng)用

某花鍵材料為TC4 鈦合金，強(qiáng)度裕度很小，屬高應(yīng)力區(qū)，因此需噴丸；根據(jù)零件硬度≤35 HRC 和花鍵齒根圓角R0.4，選擇硬度為HRC=42/52 的丸粒直徑不大于連接半徑的一半70 號鋼丸；由于擔(dān)心噴丸后殘留鋼末，腐蝕零件，因此選擇玻璃丸清理；根據(jù)法蘭盤材料強(qiáng)度和齒厚最小3.25 mm，選擇噴丸強(qiáng)度為0.006～0.010A（噴丸強(qiáng)度選擇詳見STA100-84-09）；鈦合金零件覆蓋率選擇200%；噴射角根據(jù)花鍵齒面角度、噴射效率及工藝的實(shí)施可能性確定。

某機(jī)匣腿部的噴丸參數(shù)確定方法基本與某花鍵一致。需特別說明的是為了減少丸粒規(guī)格，選用230 號丸粒，該機(jī)匣材料為鋁合金，覆蓋率選100%。

某鍍鎳鉻區(qū)受較大的彎曲疲勞應(yīng)力，材料為40CrNiMoA鋼。由于鍍鎳鉻，會對零件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，為了抵消其影響，需對該區(qū)域噴丸。噴丸參數(shù)確定方法基本與某花鍵一致。由于零件為鋼制件，因此噴丸后無需用玻璃丸清理。

某齒輪材料為低碳合金鋼，滲碳后齒面硬度58～63 HRC。為了提高輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，需對齒面進(jìn)行噴丸。噴丸參數(shù)確定方法基本與某花鍵一致，丸粒硬度與齒面硬度相當(dāng)。

4 結(jié)論

本文對噴丸強(qiáng)化設(shè)計(jì)參數(shù)的確定進(jìn)行了較為詳盡的描述總結(jié)。通過對傳動系統(tǒng)典型的噴丸應(yīng)用進(jìn)行分析說明，驗(yàn)證了噴丸強(qiáng)化設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法可行，能用于噴丸設(shè)計(jì)指導(dǎo)。