滲碳齒輪齒根噴丸強化研究現(xiàn)狀與展望

朱鵬飛，嚴宏志，陳志，吳順興，張慧

（1.中南大學(xué)，長沙 410083；2.開封大學(xué)，河南 開封 475004）

齒輪是機械傳動的核心零部件，以汽車齒輪為例，根據(jù)功能不同可分為變速箱齒輪、差速器齒輪、車橋齒輪、發(fā)動機齒輪等。目前國內(nèi)常見汽車齒輪鋼有20CrMnTi、22CrMoH、20CrNiMo、20CrMnMoH等，而國外常見汽車齒輪鋼主要包括SAE 4320（美國）、SCr420H（日本）、EN35（英國）、20MnCr5（德國）等。齒輪運行過程中常出現(xiàn)彎曲疲勞與接觸疲勞失效，嚴重影響了齒輪服役壽命[1]。彎曲疲勞失效是交變載荷作用下齒根彎曲應(yīng)力所致[2-3]。齒輪在工作時常被視為一支懸臂梁，齒根相當(dāng)于懸臂梁的支點，齒根圓角處為最大彎曲應(yīng)力集中區(qū)域，疲勞裂紋從此處萌生，若所受載荷較高，且拉應(yīng)力較大，齒輪會出現(xiàn)早期失效[2,4]。在齒輪嚙合過程中，受載一側(cè)齒根圓角半徑處產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在另一側(cè)齒根圓角半徑處受到壓應(yīng)力。經(jīng)過多次循環(huán)后，在齒根受拉程度最高處，易出現(xiàn)疲勞裂紋，而當(dāng)齒根承受壓應(yīng)力時，則不易出現(xiàn)疲勞裂紋[5]。在交變載荷條件下，齒輪彎曲疲勞失效分為三個階段[3,6]：第一階段，微裂紋在齒根圓角處萌生；第二階段，裂紋擴展到齒輪內(nèi)部；第三階段，裂紋迅速延伸擴張，齒輪斷裂，齒根彎曲疲勞失效，如圖1 所示[6]。接觸疲勞是齒輪接觸區(qū)赫茲接觸應(yīng)力與剪切應(yīng)力共同作用引起的，其失效形式以點蝕與剝落為主[1]。隨著近幾年汽車行業(yè)的高速發(fā)展，輕量化、高承載以及長壽命等高性能齒輪的需求量日益增加，這對齒輪抗疲勞性能提出了更高的要求，因而齒輪表面強化技術(shù)顯得尤為重要。

圖1 齒輪齒根彎曲疲勞失效示意圖[6] Fig.1 Schematic depiction of dedendum bending fatigue failure of the gear[6]

目前大多數(shù)汽車齒輪都是采用滲碳、淬火工藝進行表面硬化，可在一定程度上提高齒輪疲勞強度。但齒輪表層殘余壓應(yīng)力水平較低[7]，疲勞性能提升水平有限，因而只能滿足一般齒輪使用性能要求。噴丸強化技術(shù)是一種金屬表面冷加工技術(shù)[2]，其工作原理是高硬度、高速運動的彈丸沖擊工件表面，在工件表層引入殘余壓應(yīng)力。如圖2 所示[8]，噴丸誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力抵消了工件外部載荷，從而提高工件抗疲勞性能。噴丸工藝通常與滲碳、淬火等熱處理工藝復(fù)合對齒輪進行表面強化，齒輪噴丸后的承載能力可提升20%～30%[9]。在不需增加齒輪尺寸與重量的情況下，設(shè)計人員可通過噴丸提升齒輪承載能力與疲勞強度，并達到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的[10]。此外，噴丸的優(yōu)勢還表現(xiàn)在：1）噴丸誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力層可防止齒面裂紋與點蝕[1]；2）噴丸引入的彈坑有儲油功能，可提高齒輪潤滑性能，防止齒輪膠合、磨損、剝落發(fā)生，以及降低齒輪工作溫度[11]；3）噴丸可消除齒輪機械加工留下的刀痕，減少齒輪表面應(yīng)力集中[12]；4）噴丸可減少滲碳表層異常組織[13]等。因此，噴丸作為一種提高齒輪疲勞強度、承載能力，并滿足齒輪輕量化設(shè)計要求的表面強化工藝，被廣泛應(yīng)用于齒輪制造領(lǐng)域。

圖2 外載荷下工件殘余應(yīng)力[8] Fig.2 Residual stress of workpiece under external load[8]

目前，圍繞滲碳齒輪噴丸強化工藝，在工程實踐中，齒根疲勞性能的關(guān)注度普遍高于齒面，而且關(guān)于齒根噴丸強化的研究報道較多。為促進噴丸強化工藝在滲碳齒輪齒根抗疲勞方面的應(yīng)用，本文介紹了兩種典型的噴丸強化工藝（氣動式噴丸和離心式噴丸），列舉了其各自特點，并在此基礎(chǔ)上指出了齒輪噴丸工藝選取原則。首先，分析了噴丸工藝數(shù)值模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化方法，闡述了噴丸對齒根表面完整性（殘余應(yīng)力、硬度、粗糙度、微觀組織）的作用機制，并探討了表面完整性參量之間的相互作用關(guān)系，從而揭示了噴丸強化機理。其次，對噴丸處理齒輪疲勞斷裂機理進行了綜述，重點總結(jié)了滲碳齒輪噴丸處理后，影響彎曲疲勞性能的因素，并提出了彎曲疲勞性能改善措施。此外，探討了齒輪噴丸后，彎曲疲勞性能提升幅度問題，并歸納了齒輪噴丸強化后，彎曲疲勞性能建模方法。最后，對齒輪齒根噴丸進行了總結(jié)，并對其發(fā)展趨勢進行了展望，以期對齒輪噴丸強化工藝的理論研究與實踐應(yīng)用提供一些參考。在沒有特殊說明的情況下，文中的滲碳代表普通滲碳熱處理。

1 噴丸強化工藝方法

噴丸強化工藝通常包括[14]氣動式噴丸（Air-blast peening）與離心式噴丸（Centrifugal peening），其中離心式噴丸又稱為拋丸。兩者均屬于機械噴丸工藝，最大差異在于噴射動力和方式。氣動式噴丸是利用壓縮空氣驅(qū)動丸粒沖擊工件表面；而離心式噴丸工藝是利用葉輪高速旋轉(zhuǎn)，通過離心力作用將丸粒拋向工件表面[14]。兩者目的均是在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，起到表面強化作用，這與噴砂的用途（工件表面除銹、去除氧化皮）不同。氣動式噴丸與離心式噴丸各有特 點，表1 從噴射方式、丸粒特性、應(yīng)用范圍、效率等方面，對兩種不同的齒輪噴丸方式進行了對比[7,14-23]。由表1 可見，兩種齒輪噴丸方式并沒有絕對的優(yōu)劣之分。離心式噴丸方法加工效率高，對大模數(shù)齒輪加工優(yōu)勢突出，但對齒輪外形依賴性大，復(fù)雜外形齒輪難以達到均勻覆蓋率；氣動式噴丸可精確控制噴射位置，但加工效率低。因而，選擇噴丸工藝方法時，需根據(jù)產(chǎn)能、成本、齒輪外形和尺寸綜合考慮。為集成兩者的優(yōu)勢，噴-拋丸混合噴丸系統(tǒng)[24]將成為發(fā)展趨勢。另外，通過文獻分析可知，相同噴丸工藝參數(shù)（彈丸參數(shù)、材料參數(shù)、設(shè)備參數(shù)）下[16]，采用上述兩種加工方式所加工齒輪的使用性能之間的對比研究較少。表1 顯示，相同噴丸工藝參數(shù)下，分別采用兩種不同的噴丸工藝所得到的噴丸效果差異明顯。因此，工程實踐中，采用不同噴丸方法欲達到滿意的齒輪噴丸效果，需依據(jù)拋噴丸標準，分別設(shè)計不同的噴丸工藝參數(shù)（例如噴丸強度）。

表1 噴丸強化方法比較[7,14-23] Tab.1 Comparison of shot peening strengthening methods[7,14-23]

2 噴丸強化數(shù)值計算

數(shù)值模擬技術(shù)為深入揭示噴丸機理提供了強有力支持，可以降低試驗成本，縮短研發(fā)周期。噴丸工藝仿真是關(guān)于幾何與物理非線性的初值與邊界值求解問題[25]。Comandini 等[26-27]忽略滲碳引入的殘余壓應(yīng)力，對Ni-Cr 滲碳直齒輪噴丸后齒根分別進行了二維與三維殘余應(yīng)力場數(shù)值模擬，仿真模型如圖3 所示。結(jié)果表明，殘余壓應(yīng)力峰值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差小于7%，齒根外表面試驗值大于仿真值。針對齒輪噴丸強化工藝過程中，齒頂邊緣容易出現(xiàn)翻邊，進而影響齒輪嚙合性能，Garijo 等[28]基于Workbench 有限元分析軟件，提出了一種滲碳直齒圓柱齒輪噴丸后翻邊預(yù)測與分析方法，研究表明，噴丸速度、噴嘴相對于齒輪的位置對翻邊的形成影響最大；彈丸流從齒頂向有效齒廓噴射產(chǎn)生的變形量最大，高速彈丸沖擊齒廓邊緣的最大變形量可達0.024 mm。考慮齒輪滲碳引入的殘余壓應(yīng)力及噴丸后殘余奧氏體的減少與齒輪表面應(yīng)變對殘余應(yīng)力的影響，Inoue等[29]基于有限元法計算了滲碳直齒輪噴丸后的殘余應(yīng)力值。Astaraee 等[30]在考慮齒輪復(fù)雜幾何特征和梯度材料性能的影響，并忽略噴丸沖擊熱效應(yīng)的前提下，建立了單丸粒噴丸模型，如圖4a 所示，采用改變噴丸角度的方法（噴射角變化范圍為0°～35°），對滲碳直齒輪齒面噴丸后殘余壓應(yīng)力與粗糙度進行了有限元仿真，得到了200%覆蓋率下齒面米塞斯應(yīng)力云圖，如圖4b 所示。

圖3 齒根噴丸仿真[27] Fig.3 Shot peening simulation for gear root[27]: a) 2D model; b) 3D model

圖4 齒面噴丸仿真[30] Fig.4 Shot peening simulation for gear tooth flank[30]: a) geometrical model of shot peening with single media; b) stress contour plot

通過對噴丸強化進行有限元數(shù)值模擬，建立噴丸工藝參數(shù)與噴丸強化質(zhì)量表征指標的量化關(guān)系，從而實現(xiàn)噴丸強化工藝的優(yōu)化設(shè)計，有助于改善噴丸效果。但目前噴丸數(shù)值計算過程中存在一些不足之處：1）模型過于簡化。齒輪齒根被簡化為平面，而齒根的關(guān)鍵區(qū)域在齒根圓角處，并非齒底；仿真初始條件忽略滲碳誘導(dǎo)的初始應(yīng)力場；仿真條件無法包含實際的噴丸工藝參數(shù)（噴槍個數(shù)、工作臺轉(zhuǎn)速、噴槍移動速度、彈丸形狀等）；噴丸工藝模擬屬于熱力耦合問題，仿真中忽略了熱交換對仿真結(jié)果的影響。2）噴丸工藝參數(shù)（例如彈丸速度）有時是預(yù)設(shè)的，因而對噴丸效果只能進行定性分析。3）仿真內(nèi)容單一。目前研究主要集中于應(yīng)力場，其他物理場（例如組織場）的仿真研究鮮見報道。4）材料本構(gòu)模型的精確創(chuàng)建及彈丸速度的確定難度較大。目前噴丸仿真中比較常用的本構(gòu)模型包括[31-41]Chaboche 模型（各向同性，隨動硬化）、Cowper-Symonds 模型（各向同性硬化，考慮應(yīng)變率效應(yīng)）、Johnson-Cook 模型（各向同性，考慮應(yīng)變率效應(yīng)、加工硬化效應(yīng)、溫度軟化效應(yīng)）等。其中，Johnson-Cook 模型形式簡單且參數(shù)較少，在齒輪（或齒輪鋼）噴丸工藝仿真中應(yīng)用最為廣泛。滲碳齒輪鋼本構(gòu)模型的選擇，不僅要考慮彈丸沖擊過程中材料受到的應(yīng)變和應(yīng)變率硬化影響、溫度軟化效應(yīng)以及材料的循環(huán)特性等，還應(yīng)考慮應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變的影響[42]，因此受噴齒輪材料本構(gòu)模型有待改進。同時，上述材料本構(gòu)模型均屬于大應(yīng)變范圍下的本構(gòu)模型，對受噴齒輪高周疲勞問題相關(guān)研究（例如疲勞壽命估計）并不適用。目前，彈丸速度確定的方法包括試驗測試法[43-48]（例如高速相機拍照測量、傳感器測量、光學(xué)在線監(jiān)測系統(tǒng)等）與經(jīng)驗公式法[43,49-63]（例如利用KIemenz 經(jīng)驗公式，通過阿爾門強度進行速度建模，通過彈坑尺寸進行速度預(yù)測）。其中，經(jīng)驗公式目前不具備普適性，有些公式只適用于特定噴丸設(shè)備、彈丸、阿爾門試片類型等。試驗測量得到的彈丸速度可靠性更高，但無疑會增加測試成本。另外，齒輪具有復(fù)雜空間曲面結(jié)構(gòu)，尤其是螺旋錐齒輪齒面法矢、曲率處處變化。噴丸工藝參數(shù)相同時，齒輪表面動態(tài)沖擊力矢及升熱效應(yīng)不同，仿真過程中如果要進行簡化處理，勢必會導(dǎo)致誤差的增加。因此，需借助其他軟件（DEFORM、EDEM、YADE、ANSYS 等）進行動力學(xué)聯(lián)合仿真，完善齒輪噴丸強化工藝數(shù)值模擬。

3 噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化

目前關(guān)于噴丸工藝參數(shù)的優(yōu)化主要以提高齒輪殘余壓應(yīng)力和彎曲疲勞強度為目標，相關(guān)文獻較少。噴丸工藝參數(shù)眾多，針對關(guān)鍵噴丸工藝參數(shù)的優(yōu)化更切合工程實際。Lee 等[64-66]通過優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)，提高了滲碳錐齒輪疲勞壽命，優(yōu)化后的彈丸速度為65 m/s，噴丸時間為8 min，如圖5 所示。但工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果是通過試錯法得到的，費時費力。Peenstress軟件[2]是MIC 公司基于試驗開發(fā)的殘余應(yīng)力預(yù)測軟件，該軟件可實現(xiàn)對殘余應(yīng)力場優(yōu)化設(shè)計，并未考慮粗糙度和其他表面性能參數(shù)，但該軟件不能實現(xiàn)任何材料齒輪的噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化，只能針對100%及以上覆蓋率進行工藝參數(shù)優(yōu)化。Masahiko 等[67]通過優(yōu)化彈丸直徑與彈丸入射角度，增加了變速器齒輪彎曲疲勞強度，但并沒有考慮齒面性能。Peyrac 等[68]為使17NiCrMo6-4 齒輪彎曲疲勞性能與接觸疲勞性能達 到最優(yōu)，針對齒輪與齒輪鋼試樣設(shè)計了優(yōu)化試驗，將噴丸工藝參數(shù)（三組）與滲碳工藝參數(shù)（兩組）進行自由配對，通過殘余應(yīng)力、粗糙度、奧氏體表征試驗以及彎曲疲勞、接觸疲勞試驗結(jié)果，對工藝參數(shù)進行優(yōu)選，達到了優(yōu)化目的，但該方法適用于試驗組較少的情況。

圖5 不同噴丸工藝參數(shù)下的S-N 曲線[64] Fig.5 S-N curves under different shot peening process parameters[64]

優(yōu)化齒輪噴丸工藝參數(shù)需在設(shè)計圖紙所要求的噴丸強度范圍內(nèi)進行，通常設(shè)計圖紙所要求的噴丸強度范圍只針對齒根，并未考慮齒面。齒輪的關(guān)鍵區(qū)域不止一處，優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)需考慮齒根彎曲疲勞與齒面接觸疲勞，但存在矛盾的是，一組噴丸工藝參數(shù)很難同時滿足齒根彎曲疲勞與齒面接觸疲勞性能。因此，優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)時，應(yīng)首先判斷齒輪失效形式，若齒輪失效形式主要為接觸疲勞，則齒面粗糙度比彎曲疲勞失效更關(guān)鍵；若齒輪失效形式為彎曲疲勞，則在齒輪中引入更深的殘余壓應(yīng)力比降低齒面粗糙度更重要。此外，為滿足高性能齒輪制造要求，優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)時需考慮齒輪材質(zhì)、熱處理等。

4 噴丸對齒根表面完整性的影響

1964 年，F(xiàn)ield 等[69-70]首次提出表面完整性概念，并將其分為6 組不同的影響因素，包括視覺方面、尺寸方面、殘余應(yīng)力方面、摩擦學(xué)方面、冶金學(xué)方面以及其他方面（例如導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能等），如圖6 所示[69]。彎曲疲勞強度對齒根圓角處表面完整性參量非常敏感，本文主要關(guān)注噴丸對齒根表層殘余應(yīng)力、硬度、表面粗糙度以及微觀組織的影響。

圖6 表面完整性影響因素[69] Fig.6 Surface integrity influence factors[69]

4.1 殘余應(yīng)力

齒輪噴丸后引入殘余壓應(yīng)力，表現(xiàn)出應(yīng)力強化機制，這是齒輪彎曲疲勞性能提升的原因之一。噴丸引入殘余壓應(yīng)力的主要原因是，材料表面局部塑性變形與馬氏體相變[71]。噴丸誘導(dǎo)殘余應(yīng)力由兩種機制組成[72-74]：在不存在其他變形機制的情況下，一種是工件表面切向塑性延展變形產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力，這部分應(yīng)力在表面最大，隨著深度的增加而減小，如圖7a所示；另一種是法向塑性變形產(chǎn)生的赫茲壓應(yīng)力，這一應(yīng)力在次表層達到峰值，如圖7b 所示。噴丸過程中，上述兩種機制同時存在，因而誘導(dǎo)齒根表面形成殘余壓應(yīng)力，沿深度方向快速增大，在次表層達到峰值，然后壓應(yīng)力緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定。由于噴丸前滲碳熱處理會引入殘余壓應(yīng)力，所以齒輪噴丸后，殘余應(yīng)力分布曲線不會與中性軸相交[15]。圖8 為滲碳齒輪噴丸后，齒根沿齒廓方向的殘余應(yīng)力場曲線圖[15,75]，其中齒根殘余應(yīng)力測試位置為齒根圓角30°切線點沿齒寬方向中點處[75]，其包括兩個方向的殘余應(yīng)力，分別為齒廓方向與齒輪軸向，通常工程技術(shù)人員主要關(guān)注齒廓方向的殘余壓應(yīng)力值。

圖7 殘余應(yīng)力產(chǎn)生機制[74] Fig.7 Residual stress generation mechanisms[74]: a) plastic deformation; b) Hertz contact pressure

圖8 噴丸處理后典型殘余應(yīng)力場曲線圖[15,75] Fig.8 Curve of typical residual stress field treated by shot peening[15,75]

殘余應(yīng)力場受噴丸工藝參數(shù)影響，其中噴丸強度和覆蓋率為主要噴丸工藝參數(shù)[76]。由于殘余壓應(yīng)力受塑性變形區(qū)深度與彈性應(yīng)變量控制[77]，噴丸強度越大，殘余壓應(yīng)力沿深度方向積分值越大，而覆蓋率對殘余應(yīng)力場影響不大[78-79]，噴丸強度主要影響殘余壓應(yīng)力層厚度，而材料屬性（主要指硬度）對殘余壓應(yīng)力值影響很大[15,80]。一般來講，滲碳齒輪噴丸后，齒根殘余壓應(yīng)力峰值所在層深為50～60 μm[6,81-84]，殘余壓應(yīng)力層厚度為0.2～0.4 mm[85]，殘余壓應(yīng)力峰值[2]可達1170～ 1600 MPa。

4.2 硬度

噴丸是一種循環(huán)冷加工工藝，噴丸后有些材料會出現(xiàn)加工硬化，有些材料會出現(xiàn)加工軟化[73]。例如奧氏體不銹鋼噴丸后，硬度會大幅提高，航空鋁材噴丸后會變軟，而循環(huán)冷加工對于彈簧鋼無影響[73]。通常情況下，由于冷作硬化作用，滲碳齒輪噴丸后，硬度會提升，而且噴丸強度和覆蓋率越大，表面硬度值越高[29,77,79,81,86-87]。噴丸誘導(dǎo)齒輪材料馬氏體相變與奧氏體晶粒細化，是硬度提升的重要原因[88]。有數(shù)據(jù)表明[79,89]，在0.25～0.85 A 弧高值、150%～600%覆蓋率下，SCM415 滲碳齒輪噴丸后，齒根表面硬度提升30～80HV。如圖9 所示，滲碳齒輪噴丸后，硬度沿層深方向變化趨勢與未噴丸齒輪大致相同[89]。

圖9 齒根處沿深度方向硬度分布[89] Fig.9 Hardness distributions in the direction of depth at the gear root[89]

4.3 表面粗糙度

一般來講，工件噴丸后，表面粗糙度增大，這一現(xiàn)象被視為噴丸弱化效應(yīng)。噴丸強度越大，齒輪表面粗糙度越大[15]，適當(dāng)增加覆蓋率，會降低齒輪表面粗糙度[90-91]。由于粗糙度對齒面接觸疲勞性能、嚙合性能有較大影響，通常研究人員更關(guān)注齒面粗糙度，噴丸對齒面粗糙度影響機制可參見文獻[1]。噴丸后，齒根粗糙度值取決于噴丸前機加工方法（例如磨齒、滾齒、銑齒）、噴丸前齒輪表面粗糙度以及噴丸工藝參數(shù)。表面粗糙度參數(shù)有多種，例如輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓最大高度Rz、輪廓峰谷總高度Rt、偏度Rsk與峰度Rku等。目前，工程技術(shù)人員主要關(guān)注噴丸工藝對Ra的影響，但由于其他表面粗糙度參數(shù)對受噴齒輪表面彈坑也比較敏感，因而有必要深入研究噴丸對其他表面粗糙度參數(shù)的影響機制。通過調(diào)整噴丸工藝參數(shù)，得到最優(yōu)齒輪表面形貌，減少齒輪表面應(yīng)力集中，進而提高齒輪抗疲勞性能。

4.4 微觀組織

齒輪噴丸后，微觀組織發(fā)生改變，表現(xiàn)出組織強化機制，這是齒輪彎曲疲勞性能提升的另一原因。通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外研究工作主要集中于殘余奧氏體的量化分析，而噴丸后，齒輪齒根表層梯度晶粒尺寸、位錯密度、晶粒取向、形變織構(gòu)等研究并不深入。AGMA 指出[15]，噴丸會誘導(dǎo)亞顯微位錯，應(yīng)變會誘導(dǎo)相變發(fā)生。Ho 等研究表明[88]，晶粒細化與馬氏體相變是齒輪噴丸后發(fā)生的主要微觀組織演變形式。因此，本節(jié)主要從殘余奧氏體與晶粒尺寸兩方面闡述噴丸對微觀組織的作用機制。

齒輪表層微觀組織對噴丸的響應(yīng)主要取決于殘余奧氏體含量[15]。有研究表明[92]，盡管噴丸可提升殘余壓應(yīng)力，但彎曲疲勞壽命的提高取決于噴丸降低殘余奧氏體的能力。為了產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，噴丸使齒輪表面發(fā)生永久塑性變形，將不穩(wěn)定的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。噴丸強度與覆蓋率越大，奧氏體轉(zhuǎn)變量越多[80,87]。有數(shù)據(jù)表明[93]，16MnCr5 滲碳齒輪齒根殘余奧氏體峰值為30%，噴丸后，殘余奧氏體峰值接近20%，其中噴丸強度為0.3 A，彈丸型號為S330，如圖 10 所示。Hirsch 等[94]研究了噴丸工藝參數(shù)對16MnCr5 滲碳齒輪齒根殘余奧氏體的影響。研究發(fā)現(xiàn)，未噴丸齒輪齒根表面殘余奧氏體含量為2%，0.05～0.07 mm 層深處殘余奧氏體含量為36%，隨后沿層深逐漸降低，在0.5 mm 層深處，殘余奧氏體含量為13%。100%覆蓋率下，采用S230 彈丸（硬度為54～58HRC）對齒輪進行噴丸處理，噴丸后，齒根殘余奧氏體峰值為26%，所在層深為0.08 mm；采用S330 彈丸（硬度為48～52HRC）進行噴丸處理，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變量變大，其中，齒根殘余奧氏體峰值為20%，所在層深為0.08～0.09 mm。

圖10 殘余奧氏體含量[93] Fig.10 Retained Austenite content[93]

關(guān)于噴丸誘導(dǎo)晶粒細化方面的研究，Cunha 等[95]指出，20MnCr5 滲碳齒輪鋼噴丸（噴丸時間2 h、回火溫度160 ℃）后，滲碳表層ASTM 晶粒度為9～11級，但并沒有指出噴丸對晶粒細化層深度的影響。Spice 等[96]對SAE 8620 滲碳錐齒輪進行噴丸處理（彈丸型號MI-330-H，覆蓋率150%，噴丸強度0.19～ 0.23 C），結(jié)果表明，噴丸前后，心部奧氏體晶粒尺寸不變，ASTM 晶粒度均為9.25 級，而表層晶粒尺寸未見報道。大多數(shù)疲勞裂紋萌生于工件表面，由于噴丸處理齒輪表層為細晶，可提高疲勞裂紋萌生門檻值[97]，所以細晶對提高齒輪抗疲勞性能具有重要意義。

4.5 表面完整性參量相互關(guān)系研究

齒根表面完整性參量之間相互關(guān)聯(lián)，在某種程度上決定了疲勞性能的提升。表面完整性參量之間的關(guān)聯(lián)性實際上反映了組織強化與應(yīng)力強化機制之間的關(guān)系，齒輪表面粗糙度與硬度也受到這兩種機制的影響。因此，本節(jié)主要從應(yīng)力完整性與組織完整性方面，闡述“滲碳+噴丸”齒輪表面完整性參量之間的相互關(guān)系。

首先是應(yīng)力完整性方面。滲碳齒輪噴丸誘導(dǎo)齒輪表層發(fā)生循環(huán)塑性變形，在齒輪表層引入殘余壓應(yīng)力。滲碳齒輪噴丸后，表面殘余奧氏體通過冷作硬化作用，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，噴丸后殘余壓應(yīng)力的引入與馬氏體相變有關(guān)[71,98-99]。調(diào)整噴丸前殘余奧氏體含量，可提高殘余壓應(yīng)力；增加殘余奧氏體含量，可誘導(dǎo)馬氏體含量增加。馬氏體相變體現(xiàn)了冷作硬化水平，在一定程度上與殘余應(yīng)力成正比[98,100]。因此，噴丸前齒輪殘余奧氏體含量對噴丸后齒輪殘余壓應(yīng)力提升水平有重要影響。另外，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變量很大程度上由噴丸強度、覆蓋率、彈丸直徑等噴丸工藝參數(shù)決定[68,101]。馬氏體轉(zhuǎn)變越充分，殘余壓應(yīng)力越大。齒輪噴丸后，殘余應(yīng)力分布受冷加工的影響[73]，即：當(dāng)齒輪硬度增加時，殘余壓應(yīng)力值增大；當(dāng)齒輪硬度降低時，殘余壓應(yīng)力值減小，但殘余壓應(yīng)力層深增大；齒輪硬度越大，噴丸對齒輪表面粗糙度的影響越弱。

其次是組織完整性方面。噴丸誘導(dǎo)齒輪表層發(fā)生循環(huán)塑性變形，其塑變過程實際上是齒輪表層位錯運動的結(jié)果。齒輪變形抗力越大，阻礙位錯運動的能力越強。噴丸引入的殘余壓應(yīng)力抵消了外加拉應(yīng)力，實際是減少了齒輪表層位錯運動的驅(qū)動力，阻礙了晶體滑移。噴丸后，齒輪表層位錯密度增加，位錯的纏結(jié)與堆垛演變成亞晶界，晶粒發(fā)生細化，因而對位錯運動的阻礙作用增強，宏觀表現(xiàn)為齒輪表面硬度增加。相變誘導(dǎo)馬氏體含量增加，宏觀上也表現(xiàn)為齒輪表面硬度提高。表面粗糙度、微觀形貌也反映了硬度與塑性變形水平。

圖11 表面完整性參數(shù)相關(guān)性 Fig. 11 Correlation of surface integrity parameters

表面完整性參量相關(guān)性如圖11 所示，其中“+”代表正相關(guān)，“-”代表負相關(guān)。殘余壓應(yīng)力、顯微組 織、硬度、表面粗糙度皆與塑性變形相關(guān)。齒輪表層硬度對微觀組織變化比較敏感，微觀組織對殘余應(yīng)力有直接影響。表面完整性參量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律是動態(tài)的。例如，通常情況下，噴丸在齒輪表面引入彈坑，會增加齒輪表面粗糙度，隨著塑性應(yīng)變的增加，齒輪表面形貌發(fā)生變化，表面粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢，但隨著塑性變形的持續(xù)增加，齒輪表面損傷加大，粗糙度會變大。齒輪噴丸后，表面完整性參量之間存在相互制約的情況。例如，齒輪表層塑性應(yīng)變誘導(dǎo)硬度提高，提升了齒輪表層殘余壓應(yīng)力值，但制約了殘余壓應(yīng)力層深的增加。根據(jù)文獻分析，目前研究人員只是從機理層面對噴丸處理齒輪表面完整性參量之間的關(guān)聯(lián) 性進行了揭示，而表面完整性參量之間的數(shù)學(xué)模型尚未建立。另外，圖11 所示的表面完整性參量關(guān)聯(lián)規(guī)律可能并不完整，還需進一步完善。

5 噴丸齒輪彎曲疲勞性能研究

5.1 齒輪疲勞斷裂機理

圖12 疲勞斷口[66] Fig.12 Fatigue fractography[66]: a) unpeened gear; b) peened gear

滲碳齒輪噴丸強化前后的疲勞斷裂機理可能不同，主要表現(xiàn)在裂紋源位置的改變。有研究表明[4,66,102-105]，滲碳齒輪彎曲疲勞裂紋源位于表面，而多數(shù)情況下齒輪（特別是高強度齒輪）噴丸后，高周疲勞裂紋源位于次表面。圖12[66]為某差速器滲碳錐齒輪噴丸前后 的齒根疲勞斷口圖，圖中箭頭指向裂紋源位置，該圖直觀地反映了上述結(jié)論。為進一步揭示裂紋源位置，Xi[82]對MnCr 鋼變速器齒輪進行疲勞斷口分析，發(fā)現(xiàn)噴丸使裂紋源從齒根表面移動至次表層0.25～0.45 mm深度處。經(jīng)文獻分析可知，滲碳齒輪彎曲疲勞裂紋源在表面，與滲碳（真空滲碳除外）時形成的內(nèi)氧化表層有關(guān)，齒輪噴丸引入的殘余壓應(yīng)力可有效抑制內(nèi)氧化物產(chǎn)生的不良影響，阻止表面裂紋萌生，但次表層裂紋容易成核[103-104,106]。次表層裂紋成核與煉鋼過程中產(chǎn)生的夾雜物有關(guān)，非金屬夾雜物造成齒輪局部應(yīng)力增加[107]。在載荷應(yīng)力狀態(tài)、非金屬夾雜物、殘余壓應(yīng)力相互作用下[108]，齒輪噴丸后，次表層非金屬夾雜物引起裂紋萌生[109-110]，并成為除表面內(nèi)氧化層外的另一薄弱處[4,111]。研究人員[108,110-111]通過SEM 表征試驗發(fā)現(xiàn)，滲碳齒輪噴丸后，齒根高周疲勞斷口呈現(xiàn)魚眼狀形貌，如圖13 所示[112]。另外，有學(xué)者[95,113-117]通過疲勞斷口分析（主要為高周疲勞斷裂）發(fā)現(xiàn)，噴丸后，齒輪或者齒輪鋼裂紋源處斷裂模式多表現(xiàn)為穿晶斷裂、沿晶斷裂或者沿晶-穿晶混合型斷裂，這取決于工件表層殘余壓應(yīng)力水平、材質(zhì)以及所受載荷等。

圖13 次表層裂紋擴展示意圖[112] Fig.13 Schematic illustration of sub-surface crack growth[112]

齒根次表層非金屬夾雜物附近裂紋擴展過程如圖13[112]所示。其擴展過程分為三個階段：1）夾雜物周圍形成顆粒狀亮區(qū)（GBF）或稱細晶粒區(qū)（FGA），夾雜物附近微細碳化物顆粒離散剝離，萌生出許多微裂紋，這些微裂紋在循環(huán)載荷作用下擴散并愈合；2）裂紋擴展形成魚眼，次表層裂紋擴展到齒輪表面；3）齒輪表面疲勞裂紋進一步擴展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。

5.2 彎曲疲勞性能影響因素研究

5.2.1 殘余應(yīng)力場的影響

根據(jù)文獻分析，齒輪噴丸后，齒根殘余壓應(yīng)力、硬度、表面粗糙度以及滲碳異常層與齒輪彎曲疲勞壽命之間存在一定關(guān)系[118]，如圖14 所示。殘余應(yīng)力對彎曲疲勞強度有重要影響，硬度的增加是疲勞性能提升的次要原因，粗糙度對彎曲疲勞強度影響不大[83,100,114,119]。目前齒輪噴丸后，齒根微觀組織表征參量（例如晶粒尺寸、位錯密度、奧氏體含量等）與彎曲疲勞性能的相互關(guān)系模型未見報道。另外，雖有研究[2-3,5,9,11]指出，SAE 4340 齒輪鋼噴丸后，彎曲疲勞強度與硬度成線性正比關(guān)系，但兩者之間的關(guān)系只 是表象，是一種經(jīng)驗關(guān)系，所以有待針對不同齒輪鋼材料，深入研究硬度對彎曲疲勞性能的影響機制。基于此，本節(jié)主要探討了殘余應(yīng)力場對彎曲疲勞性能的影響。

圖14 表面完整性參數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系[118] Fig.14 Relation between surface integrity parameters and fatigue life[118]

噴丸引入殘余壓應(yīng)力，通過降低裂紋擴展率，提高裂紋擴展門檻值，降低了裂紋擴展驅(qū)動力，因而可有效阻止裂紋擴展，提高齒輪彎曲疲勞壽命[29,81,120-121]。Mitsubayashi 等[122]針對SCr420 滲碳齒輪鋼的研究表明：噴丸引入的殘余壓應(yīng)力峰值越大，疲勞強度越高；殘余壓應(yīng)力峰值位置靠近短裂紋擴展區(qū)域，可有效提升疲勞強度；殘余壓應(yīng)力層深越厚，疲勞性能越好。為進一步揭示殘余應(yīng)力場特征參量與齒輪彎曲疲勞強度的關(guān)系，Sakurada 等[83]認為殘余壓應(yīng)力峰值或0～0.1 mm 層深的平均殘余壓應(yīng)力值與彎曲疲勞強度相關(guān)性最好。Ogawa 等[114]指出，齒根深度方向0.05 mm處（通常為殘余壓應(yīng)力峰值位置），殘余壓應(yīng)力分布對齒輪彎曲疲勞強度影響非常關(guān)鍵。Okada 等[100,119]研究表明，齒根處殘余壓應(yīng)力峰值、殘余應(yīng)力從外表面到0.4 mm 層深的積分值與105循環(huán)次下彎曲疲勞強度的相關(guān)性最好。綜上可知，增加殘余壓應(yīng)力峰值，是提升齒輪彎曲疲勞性能的關(guān)鍵，殘余壓應(yīng)力峰值所在深度并不是越深越好。另外，殘余壓應(yīng)力峰值與齒輪彎曲疲勞強度之間存在線性關(guān)系[83,93,123]。如圖15 所示[123]，齒輪齒根殘余壓應(yīng)力峰值越大，疲勞強度越高。

5.2.2 噴丸工藝參數(shù)的影響

圖15 殘余壓應(yīng)力峰值與疲勞強度關(guān)系[123] Fig.15 Relation between peak compressive residual stress and fatigue strength[123]

圖16 噴丸強度對齒輪彎曲疲勞壽命的影響[124] Fig.16 Effect of shot peening intensity on bending fatigue life of gears[124]

圖17 不同覆蓋率條件下齒輪鋼S-N 曲線[90] Fig.17 S-N curves of gear steel under different coverage conditions[90]

噴丸強度與覆蓋率在噴丸工藝參數(shù)中最為關(guān)鍵。研究表明[78,100]，噴丸強度是沖擊動能的函數(shù)，增加噴丸強度，是提升齒根彎曲疲勞強度最有效的辦法。如圖16 所示，低周疲勞下SAE 4023 齒輪彎曲疲勞壽命隨噴丸強度的增大而增大，當(dāng)達到最優(yōu)的噴丸強度后，疲勞壽命逐漸減少[124]；另外，隨著噴丸強度的增加，齒輪疲勞失效逐漸由彎曲疲勞轉(zhuǎn)化為接觸疲勞[100]。針對SAE 4340 齒輪鋼，文獻[80]也得出了相同結(jié)論，而且噴丸強度為15 A 時，彎曲疲勞強度最高。覆蓋率對彎曲疲勞性能提升作用不大，如圖17 所示， 覆蓋率從200%增加到600%，107循環(huán)次下，SCM 415齒輪鋼疲勞強度僅增加9%[80,90]。因此，若200%覆蓋率噴丸后齒輪疲勞壽命不能滿足設(shè)計要求，說明噴丸已難以解決該種齒輪疲勞問題，應(yīng)考慮更換齒輪材料或重新設(shè)計齒輪。為揭示覆蓋率與噴丸強度對彎曲疲勞性能的影響，其他科研工作者也做了類似研究。Vielma 等[125]采用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗（載荷取拉伸強度的50%），設(shè)計2 種試驗方案，研究了覆蓋率與噴丸強度對SAE 4340 齒輪鋼疲勞性能的影響。方案1 為在100%覆蓋率下，不同噴丸強度（8 A、10 A、16 A、21 A）對疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，隨著噴丸強度的遞增，疲勞壽命呈上升趨勢，當(dāng)噴丸強度為10 A時，疲勞壽命最長，隨后疲勞壽命開始下降。方案2為在10 A 噴丸強度下，不同覆蓋率（0%、80%、100%、200%）對疲勞壽命的影響，研究規(guī)律與前者類似。綜上所述，增加噴丸強度與覆蓋率可提升齒輪彎曲疲勞性能，噴丸強度與覆蓋率皆存在最優(yōu)值，當(dāng)超過最優(yōu)值，由于齒輪表面損傷，疲勞性能下降。

5.2.3 合金元素的影響

噴丸對提升齒輪彎曲疲勞強度有顯著效果，為進一步提升彎曲疲勞強度，可通過調(diào)整某一種齒輪鋼合金元素含量的方法來實現(xiàn)。DSG1 與SCM420 均為齒輪用鋼[84]，其化學(xué)成分如表2 所示。由于DSG1 中磷（晶界脆化元素）含量較少，鉬含量較多（晶間氧化減少），這使得DSGl 滲碳后，殘余奧氏體含量大于SCM420，晶間氧化深度比SCM420 要淺，而且具有較高的基體韌性。研究表明[84]，噴丸后，DSG1 比SCM420 殘余壓應(yīng)力大、硬度高、疲勞強度高。Nakamura 等[116]針對SCr420 鋼的研究表明：降低硅含量，可使晶界氧化層變淺；提升鉬含量，可阻止非馬氏體層形成，提升材料硬度。當(dāng)鉬含量為0.8%時，非馬氏體層消失。該團隊設(shè)計出高鉬低硅含量齒輪鋼，經(jīng)噴丸處理后，其殘余壓應(yīng)力大大提升，與SCr420鋼相比，107循環(huán)次下，所設(shè)計的齒輪鋼彎曲疲勞強度可提升100%以上。滲碳齒輪鋼中合金元素對殘余奧氏體的影響如圖18 所示[116]，可見，在滲碳鋼中添加合金元素（如鉻、錳、鉬），可增加殘余奧氏體含量，噴丸處理后，可提高其殘余壓應(yīng)力和抗疲勞性能。考慮到普通滲碳齒輪用鋼已經(jīng)含有約1%的鉻和錳，增加鉻和錳含量可能會導(dǎo)致晶間氧化和碳化物的增加[100]。Okada 等[100]通過加大SCr420H 齒輪鋼中的鉬含量，有效增加了殘余奧氏體含量，而且晶間氧化層薄，噴丸處理后提高了齒輪殘余壓應(yīng)力與疲勞強度。

綜上，滲碳齒輪鋼中增加鉬含量并降低硅含量，可提高鋼中奧氏體含量，降低內(nèi)氧化，阻止非馬氏體層的形成，進而提高齒輪彎曲疲勞強度。但應(yīng)注意，不經(jīng)過噴丸處理而只改變鋼中合金元素，滲碳齒輪彎曲疲勞強度僅得到輕微提高，而最有效的辦法是在此基礎(chǔ)上進行噴丸強化處理[119]。

表2 DSG1 鋼與SCM420 鋼化學(xué)成分[84] Tab.2 Chemical composition of DSG1 steel and SCM420 steel[84] wt.%

圖18 合金元素對表層殘余奧氏體的影響[116] Fig.18 Effect of alloying elements on retained austenite of surface layer[116]

5.2.4 齒輪幾何形狀的影響

Comments on Oil Recovery Treatments……………CHEN Hualan, ZHOU Yan’gao(1·28)

關(guān)于噴丸后齒輪幾何形狀對疲勞性能的影響機制的研究，主要涉及齒輪模數(shù)與齒根圓角半徑。相同齒數(shù)（齒數(shù)為22）、不同模數(shù)的16MnCr5 滲碳齒輪， 無論是否經(jīng)過噴丸處理（工藝參數(shù)相同），5×106循環(huán)次下，8 mm 模數(shù)齒輪的彎曲疲勞強度比5 mm 與3 mm 模數(shù)齒輪的彎曲疲勞強度小，如圖19 所示[94]。表面完整性表征參量測試結(jié)果表明，未噴丸齒輪中，8 mm 模數(shù)齒輪硬度、殘余壓應(yīng)力比5 mm 與3 mm 模數(shù)齒輪的值小；而噴丸處理后，8 mm 模數(shù)齒輪的殘余壓應(yīng)力、半高寬值比5 mm 與3 mm 模數(shù)齒輪的值大。究其原因是由于材料疲勞強度隨工件尺寸增大而降低，即材料尺寸效應(yīng)。8 mm 模數(shù)滲碳齒輪殘余壓應(yīng)力與硬度小，說明其表面缺陷（冶金缺陷）較多，鋼中組織致密性和均勻性等較差，加大了疲勞裂紋萌生機率，由此齒輪疲勞強度下降。

圖19 不同模數(shù)齒輪的S-N 曲線[94] Fig.19 S-N curves of gears with different modulus[94]

關(guān)于齒根圓角半徑對滲碳齒輪噴丸后彎曲疲勞性能的影響機制，Hirsch 等[126]提出，齒根圓角半徑越大，彎曲疲勞強度越大，而且噴丸后，齒輪彎曲疲勞強度增加越明顯，如圖20 所示。其中，齒輪材質(zhì)為16MnCr5 鋼，硬度為600HV，模數(shù)為5 mm，彈丸型號為S230。因此，噴丸前合理增加齒根圓角半徑，噴丸后可較大幅度提升疲勞強度。

圖20 不同齒根圓角半徑齒輪的S-N 曲線[126] Fig.20 S-N curves of gears with different root radii[126]

5.2.5 材料缺陷的影響

圍繞齒輪噴丸強化工藝，常見的齒輪材料缺陷包括熱處理缺陷（脫碳、非馬氏體層）與冶金缺陷（非金屬夾雜物）。脫碳是鋼在熱處理過程中，表面碳含量降低的現(xiàn)象[2]。研究表明[11]，由于脫碳，高強度鋼（240 ksi 及以上）疲勞強度降低70%～80%，低強度鋼（140～150 ksi）降低45%～55%?？梢姡邚姸蠕撚捎诿撎荚斐傻钠趶姸认陆祮栴}比較突出。圖21 表明了噴丸處理可恢復(fù)大部分由于脫碳而損失的疲勞強度[9]。因此，當(dāng)脫碳問題在齒輪加工中無法避免 時，為改善齒輪表面完整性，技術(shù)人員應(yīng)考慮將噴丸納入齒輪設(shè)計當(dāng)中。

圖21 噴丸對脫碳的影響[9] Fig.21 Effect of shot peening on decarburization[9]

齒輪在熱處理過程中，由脫碳引起的非馬氏體層經(jīng)常出現(xiàn)[127]，并且在滲碳鋼中不可避免[98]。非馬氏體層硬度低，造成彎曲疲勞強度下降，因此去除非馬氏體層，對提升彎曲疲勞性能至關(guān)重要。Lyu 等[81,86]通過SEM 發(fā)現(xiàn)，SCM415 滲碳齒輪齒根處非馬氏體層厚度為16 μm，經(jīng)噴丸處理（弧高值為0.52 A）后，非馬氏體層去除效果不明顯，如圖22 所示，但經(jīng)化學(xué)拋光20 μm 后，非馬氏體層被完全去除。同時，采用化學(xué)拋光工藝對噴丸后齒輪表面拋光20～30 μm 后，3×106循環(huán)次下齒輪彎曲疲勞強度提升了約580 MPa，為滲碳齒輪彎曲疲勞強度的1.77 倍。Tsuji 等[115]研究發(fā)現(xiàn)，采用鋼絲切丸和鑄鋼丸對 SCM420H 滲碳 齒輪鋼進行二次噴丸，可去除工件非馬氏體層。由此可見，為節(jié)約齒輪加工成本，采用合適的噴丸工藝，即使不采用真空滲碳，也可以達到去除非馬氏體組織的效果。

圖22 化學(xué)拋光去除非馬氏體層[86] Fig.22 Removal of nonmartensitic layer by chemical polishing[86]: a) unpeened gear; b) peened gear

研究非金屬夾雜物幾何特征，對了解齒輪噴丸后疲勞裂紋形成機制，以及提高齒輪彎曲疲勞性能至關(guān)重要。研究表明[103-104,107,110,128-129]，經(jīng)噴丸處理后，MnCr 合金鋼（例如20MnCr5、16MnCr5、SCM420H）疲勞裂紋主要萌生于硫化錳夾雜物，CrNiMo 合金鋼（例如18CrNiMo7-6、SAE 52100）疲勞裂紋主要萌生于氧化鋁夾雜物，如圖23 所示。Bretl 等[108]通過SEM 揭示了16MnCr5 齒輪噴丸處理后，齒根斷口夾雜物的化學(xué)成分、位置與尺寸，夾雜物主要以硫化錳為主，并包含了Al、Ca、Mg 元素，尺寸為0.03 mm，位于齒根表面下0.16 mm 深度處。Winkler 等[110]研究了20MnCr5 與18CrNiMo7-6 滲碳齒輪噴丸處理后的疲勞斷裂特性，研究表明，夾雜物尺寸與齒輪模數(shù)成正比，夾雜物所在斷裂面層深與齒輪模數(shù)成正比，但無論齒輪模數(shù)大小，夾雜物均位于滲碳層內(nèi)。Fuchs等[128]指出，高強度齒輪噴丸處理后，非金屬夾雜物面積與非金屬夾雜物所在層深之間無明顯的正比關(guān)系；此外，外部載荷和殘余壓應(yīng)力狀態(tài)不同，使得非金屬夾雜物外形各異，其附近表現(xiàn)出不同程度的應(yīng)力集中。根據(jù)文獻分析[107,129-130]，大多數(shù)齒輪噴丸后，齒根裂紋源位于非金屬夾雜物處，夾雜物數(shù)量越少，夾雜物越小，非金屬夾雜物處萌生裂紋的概率就越低，齒輪抗疲勞性能越好。因此，提高齒輪鋼清潔度極其重要。

圖23 齒輪鋼中典型非金屬夾雜物[128] Fig.23 Typical non-metallic inclusions in gear steels[128]: oblong manganese sulphide inclusion in a MnCr-alloyed steel; b) oblong aluminium oxide inclusion in a CrNiMo-alloyed steel; c) spherical aluminium oxide inclusion in a SAE 52100 steel

綜上，噴丸處理齒輪彎曲疲勞性能影響因素眾多，若要提高齒輪彎曲疲勞強度，需采取的措施包括：1）合理選取噴丸工藝參數(shù)，以提高殘余壓應(yīng)力、硬度，減小粗糙度；2）調(diào)整合金元素含量（增加鉬含量、降低硅含量），設(shè)計新型齒輪用鋼；3）齒輪在設(shè)計中應(yīng)考慮幾何形狀對疲勞的影響，盡可能減少應(yīng)力集中；4）控制熱處理帶來的缺陷（內(nèi)氧化、非馬氏體層、脫碳等）；5）通過降低鋼中氧含量來減少非金屬夾雜物，提高齒輪鋼潔凈度。此外，還要避免齒輪機加工（磨齒、剃齒）在齒根圓角處產(chǎn)生缺口，造成疲勞強度下降。

5.3 彎曲疲勞性能提升

一直以來，噴丸處理齒輪彎曲疲勞性能提升的幅度問題備受關(guān)注。為評估噴丸對齒輪彎曲疲勞性能的提升作用[131-133]，通常采用單齒彎曲疲勞測試試驗，由于該方法可有效避免點蝕、膠合、磨損等其他失效形式對彎曲疲勞性能測試的干擾，典型單齒彎曲疲勞試驗臺如圖24 所示[134]。由前述可知，齒輪彎曲疲勞影響因素眾多，因而噴丸后齒輪彎曲疲勞強度的提升不是一個恒定值。但通常情況下，在106循環(huán)次下，噴丸強化工藝可使齒輪彎曲疲勞強度提高30%以上[2]。另外，已有一些組織機構(gòu)和標準對噴丸處理齒輪彎曲疲勞強度提升幅度做出明確要求[2]，例如20%（勞氏船級社、挪威船級社）和15%（ANSI/AGMA 6032-A94 船用齒輪裝置標準）。AGMA 指出[7,17,135]，彎曲疲勞性能增加幅度不僅受噴丸工藝條件、材質(zhì)、表面狀態(tài)等影響，而且與最大載荷下齒輪的設(shè)計壽命有關(guān)。圖25 為某汽車滲碳齒輪噴丸前后的S-N曲線對比圖[11]，設(shè)計壽命分別為105、106、107時，噴丸后彎曲疲勞強度增加約10%、25%、50%。同時，圖25 表明，相同疲勞壽命下，噴丸齒輪可以承受更大的載荷；高周疲勞條件下，齒輪噴丸效果比較明顯[64-65,124]。另外，S-N曲線向左延伸逐漸相交于一點，由此說明，噴丸并不能有效提升材料靜強度。

圖24 疲勞試驗臺[134] Fig.24 Fatigue test rig[134]

圖25 噴丸前后S-N 彎曲疲勞壽命曲線對比[11] Fig.25 Comparison of S-N bending fatigue life curves before and after shot peening[11]

滲碳齒輪噴丸強化后，抗彎曲疲勞性能取決于殘余壓應(yīng)力分布與齒輪表面損傷之間的平衡[124]。此外，噴丸會改變齒輪失效模式，受彎曲疲勞約束的齒輪，噴丸后抗彎曲疲勞性能增加，而接觸疲勞將成為潛在失效模式[136]。

5.4 噴丸齒輪彎曲疲勞建模

為節(jié)約設(shè)計成本，建立齒輪噴丸后彎曲疲勞強度或壽命模型，一直備受科研人員青睞。Lee 等[64]基于有限元法，利用MSC. Fatigue 疲勞分析軟件對實際載荷條件（21 574.63 N）下的SCM 920 汽車錐齒輪疲勞壽命進行了建模。研究表明，未噴丸齒輪疲勞壽命為4.46×106循環(huán)次，噴丸后，齒輪疲勞壽命為1.0×1020循環(huán)次，實驗值與仿真值的誤差范圍為20%～30%。Mitsubayashi 等[122]將齒輪齒根簡化為缺口板件，用線性斷裂力學(xué)方法對滲碳齒輪噴丸強化后的疲勞裂紋擴展和疲勞強度進行了分析預(yù)測，但并未考慮裂紋閉合的影響。Benedetti 等[93]針對16MnCr5 滲碳齒輪，采用多軸疲勞準則，結(jié)合有限元分析，建立了滲碳齒輪與噴丸齒輪疲勞極限預(yù)測模型。研究發(fā)現(xiàn)，滲碳齒輪彎曲疲勞極限預(yù)測值準確性高，而滲碳齒輪噴丸后，疲勞極限預(yù)測值比實驗值低。Tobe 等[137]基于試驗，建立了關(guān)于殘余應(yīng)力與硬度的彎曲疲勞強度模型，如式(1)所示。

式中，σu為彎曲疲勞強度，Hc為心部硬度，Hs為齒根附近表面硬度，σR為齒根圓角表面殘余壓應(yīng)力。該模型適用于滲碳齒輪（5%誤差）和“滲碳+噴丸”齒輪（10%誤差），只考慮了殘余應(yīng)力、硬度與彎曲疲勞強度的定量關(guān)系，并未從微觀方面基于斷裂力學(xué)考慮裂紋萌生與擴展。

Inoue 等[29,79,86,89,138]在Tobe 等人研究的基礎(chǔ)上對模型進行了修正，如式(2)所示，誤差約為5%，但適用于滲碳齒輪和“滲碳+噴丸”齒輪。Y. Okada 等[100]針對SCr420H 變速器噴丸處理齒輪，建立了滲碳層深度H、殘余應(yīng)力峰值RSmax與疲勞強度σw（105循環(huán)次）的關(guān)系模型，如式(3)所示。Matsumoto 等[78]建立了滲碳齒輪噴丸后弧高值H與彎曲疲勞強度σw（105循環(huán)次）的關(guān)系，見式(4)。上述 Okada 與Matsumoto 通過擬合試驗點、回歸分析，得到彎曲疲勞模型，但只適用于特定試驗條件下的齒輪疲勞建模。Comandini 等[27]基于相對應(yīng)力梯度方法（RSG）與Eichlseder 模型，預(yù)測了Ni-Cr 高強度鋼齒輪齒根彎曲疲勞強度，該方法通用型較強，適用于其他噴丸工件彎曲疲勞性能預(yù)測。

從微觀方面，F(xiàn)uchs 等[107,128,130]基于Murakami 方程，在考慮齒根次表層非金屬夾雜物的條件下，建立了高強度優(yōu)質(zhì)鋼齒輪彎曲疲勞強度模型，如式(5)所示。

式中，σW為局部彎曲疲勞強度，σW=1.56（HV+ 120）/(S)1/6；HV 為裂紋萌生處硬度值；S為非金屬夾雜物主應(yīng)力方向投影面積；σA為等效局部疲勞強度；σm為局部平均應(yīng)力；M為平均應(yīng)力敏感系數(shù)；σRS為殘余應(yīng)力；ME為殘余應(yīng)力敏感系數(shù)。該模型僅對107循環(huán)次以下（包括107循環(huán)次）的彎曲疲勞強度建模有效，并且所建模型并沒有考慮ODA（光學(xué)暗區(qū)），因此模型精度有待提高。

根據(jù)文獻分析，齒輪噴丸后，彎曲疲勞建模主要包括兩種方法：一種是設(shè)計噴丸試驗并進行殘余應(yīng)力、硬度等參量表征試驗，擬合試驗數(shù)據(jù)點，采用回歸分析，建立彎曲疲勞強度（或壽命）與殘余應(yīng)力、硬度等參量的關(guān)系模型；第二種方法是基于理論模型（例如斷裂力學(xué)、多軸疲勞準則、有限元模型等），設(shè)計試驗，推導(dǎo)或仿真建立疲勞強度（或壽命）預(yù)測模型。齒輪噴丸后，彎曲疲勞建模需要考慮殘余應(yīng)力的影響、微觀組織演變以及齒輪服役中殘余應(yīng)力松弛等，難度較大，目前所建立的彎曲疲勞模型并不具有普適性。

6 總結(jié)與展望

噴丸強化工藝可提高齒輪殘余壓應(yīng)力與硬度，降低殘余奧氏體含量，進而提升齒輪彎曲疲勞性能，已被廣泛應(yīng)用于齒輪制造領(lǐng)域。齒輪常用噴丸方法包括氣動式噴丸與離心式噴丸。高周疲勞條件下，齒輪噴丸強化效果顯著。噴丸工藝仿真與工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究取得了一定的進展，但仍然不盡人意，主要表現(xiàn)在仿真模型過于簡化，噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化模型尚未建立。滲碳齒輪噴丸后，齒輪斷裂機制可能發(fā)生改變，尤其是高強度齒輪噴丸后，高周疲勞下齒根斷裂機制與滲碳齒輪相比明顯不同。滲碳齒輪噴丸后，抗彎曲疲勞性能受諸多因素影響。齒輪表層殘余應(yīng)力場與彎曲疲勞強度相關(guān)性較大，而微觀組織與疲勞強度之間的關(guān)系模型有待建立。噴丸后，齒輪彎曲疲勞建模主要是基于斷裂力學(xué)、多軸疲勞準則等理論，結(jié)合線性回歸、數(shù)據(jù)擬合、有限元等方法，通過設(shè)計試驗實現(xiàn)的，模型精確度有待提高，而且普適性有待完善。因此，針對上述問題，面向長壽命、低噪聲、高承載等高性能齒輪制造需求，今后應(yīng)加強以下研究：

1）齒輪噴丸“組織場-應(yīng)力場-表面形貌-疲勞強度-噪聲”相互關(guān)系模型有待建立?？刹捎?SEM- EBSD、TEM、XRD 等表征手段、以及齒輪嚙合性能試驗、模擬仿真技術(shù)和數(shù)學(xué)算法，研究建立“組織場-應(yīng)力場-表面形貌-疲勞強度-噪聲”數(shù)學(xué)模型。通過調(diào)控組織場、應(yīng)力場、表面形貌，對齒輪疲勞壽命、傳動性能進行主動設(shè)計，實現(xiàn)長壽命、低噪聲、高承載等高性能制造要求。

2）開發(fā)面向噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化與性能預(yù)測的工業(yè)軟件。通過試驗，建立齒輪噴丸數(shù)據(jù)庫，開發(fā)面向殘余應(yīng)力、粗糙度、晶粒尺寸、硬度、疲勞強度（彎曲疲勞與接觸疲勞強度）等預(yù)測和工藝參數(shù)（主要指噴丸強度）優(yōu)化的多功能集成軟件，對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本具有重要意義。

3）復(fù)合加工是未來高性能齒輪制造的發(fā)展方向。為滿足高性能齒輪制造要求，研究噴丸與其他工藝（化學(xué)/電解拋光、真空滲碳）復(fù)合加工，不同噴丸方法之間的復(fù)合加工（例如超聲-微粒噴丸、應(yīng)力-二次噴丸），不同彈丸類型的復(fù)合噴丸（例如鋼絲切丸-玻璃彈丸、鑄鋼丸-陶瓷彈丸），將會在高性能齒輪制造中發(fā)揮巨大作用。

4）新型噴丸系統(tǒng)開發(fā)及噴丸強化工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將會滿足高性能齒輪制造需求。面向日趨激烈的市場競爭，人們對齒輪殘余壓應(yīng)力穩(wěn)定性、微觀組織穩(wěn)定性、傳動性能以及疲勞強度等方面提出了更高的要求。在不改變齒輪材料和熱處理工藝的情況下，普通噴丸工藝往往難以滿足高性能齒輪制造要求，因此有望從噴丸設(shè)備方面進行突破。如在普通噴丸工藝的基礎(chǔ)上引入其他能場（例如熱場），開發(fā)經(jīng)濟適用的新型齒輪噴丸強化系統(tǒng)。另外，面向工業(yè)4.0，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、傳感器等技術(shù)，開發(fā)基于“數(shù)字孿晶”的新型齒輪噴丸系統(tǒng)，在物理世界與數(shù)字世界之間建立準實時聯(lián)系，最終實現(xiàn)高性能齒輪智能制造。