在汽車生產(chǎn)過程中，工程師們已普遍利用噴丸強(qiáng)化工藝來提高傳動(dòng)零部件的使用壽命(圖1)。通常，這些零部件在熱處理后進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，尤其是一些關(guān)鍵零部件，如齒圈和行星齒輪等，噴丸強(qiáng)化是生產(chǎn)制造的最后一道非常必要的工序。

　　噴丸強(qiáng)化的原理和效果

　　噴丸強(qiáng)化工藝即采用高速噴射的鋼丸顆粒撞擊金屬零件表面，使工件表面材料發(fā)生彈塑性變形并呈現(xiàn)較高的殘余壓應(yīng)力。因?yàn)榻饘俳橘|(zhì)(鋼丸或切絲丸)在高速撞擊零件表面時(shí)，會(huì)使表面產(chǎn)生塑性變形，這一變形將延伸到材料表層，在表層下產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，從而抵消零件制造時(shí)產(chǎn)生的不良拉應(yīng)力(圖2)。該殘余壓應(yīng)力延緩了零件疲勞斷裂的形成，從而延長(zhǎng)了零件的安全使用壽命。對(duì)于汽車傳動(dòng)部件中最關(guān)鍵的齒輪部件，在熱處理工序之后，采用噴丸強(qiáng)化工藝使其表面接受連續(xù)丸粒撞擊，還可將其齒面材料晶相組織中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，從而增加齒面硬度。

　　強(qiáng)度測(cè)量

　　單就齒輪而言，其最大的剪切應(yīng)力出現(xiàn)在齒根部和齒輪過渡區(qū)的圓角半徑處，而齒輪的兩個(gè)齒面——主動(dòng)面和從動(dòng)面，在工作時(shí)都承受著不斷增加的負(fù)載，因此，齒輪強(qiáng)化的重點(diǎn)就在于對(duì)這些部位的強(qiáng)化：主動(dòng)面、從動(dòng)面、齒根部位。從強(qiáng)化要求來看，主要包括強(qiáng)度和覆蓋率兩大參數(shù)，當(dāng)然，不同的齒輪有不同的要求，必須根據(jù)其最終應(yīng)用環(huán)境來確定。

　　圖2 拋丸強(qiáng)化工藝的原理

　　覆蓋率可以通過目測(cè)觀察，而強(qiáng)度則需利用阿爾門試片進(jìn)行測(cè)量。

　　零件校對(duì)工具(PVT)被設(shè)計(jì)用來將測(cè)試試片置于一些特定位置，在這些試片可模擬零件有強(qiáng)度要求且必須進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試的區(qū)域位置,根據(jù)不同應(yīng)用，齒輪的強(qiáng)化一般要求是強(qiáng)度范圍0.015～0.03(在等級(jí)“A”上)，覆蓋率為100%～200%。

　　三種噴丸強(qiáng)化工藝

　　噴丸強(qiáng)化工藝有以下3種方式：離心力拋丸強(qiáng)化、壓縮空氣噴丸強(qiáng)化、混合式(噴嘴和拋頭)。

　　從產(chǎn)量方面考慮，大批量生產(chǎn)中，離心力拋丸強(qiáng)化優(yōu)于另外兩種方式。離心力拋丸強(qiáng)化工藝中，鋼丸在離心力的作用下從葉輪軸上的孔溢出到葉片上，再由高速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片沿固定角度拋出(圖3)，單位時(shí)間內(nèi)，拋丸丸流覆蓋的面積大于噴嘴噴丸，但拋丸強(qiáng)化的應(yīng)用受限于待處理齒輪的尺寸，如果是強(qiáng)化小齒輪且齒根部面積狹小，就需要多個(gè)拋頭固定在不同角度，以達(dá)到所需的強(qiáng)化效果。壓縮空氣式噴丸強(qiáng)化必須利用多個(gè)噴嘴(圖4)，對(duì)準(zhǔn)齒面、齒根的特定部位，使丸流更集中、目標(biāo)更確定，可達(dá)到精確強(qiáng)化的效果。混合式噴丸強(qiáng)化盡管應(yīng)用比較少，但它的優(yōu)勢(shì)在于在一臺(tái)設(shè)備上集合了拋丸強(qiáng)化的高產(chǎn)量和噴丸強(qiáng)化的高精確度和可控性等優(yōu)勢(shì)。

　　工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)化效果的影響

　　無論哪種強(qiáng)化技術(shù)，目的都是要獲得一個(gè)持續(xù)恒定、可重復(fù)的強(qiáng)化強(qiáng)度，因此，必須了解工藝過程中哪些關(guān)鍵變量會(huì)影響到最后的強(qiáng)化結(jié)果。對(duì)于離心力式拋丸強(qiáng)化，拋頭、拋頭轉(zhuǎn)速、拋射速度、拋射角度(涉及拋頭位置、定向套移動(dòng)等)等工藝變量會(huì)影響到最終強(qiáng)化效果。對(duì)于直接壓力式噴丸強(qiáng)化，噴嘴、噴嘴尺寸、噴射壓力、噴射角度(涉及噴嘴移動(dòng)、多個(gè)噴嘴)等變量會(huì)影響最終強(qiáng)化效果。

　　圖3 適于大批量生產(chǎn)的離心力拋丸強(qiáng)化

　　1、在離心力拋丸強(qiáng)化中，拋頭工藝變量對(duì)強(qiáng)化效果的影響

　　□ 拋頭直徑?jīng)Q定了鋼丸介質(zhì)從一定角度被拋射出去時(shí)的速度。在同樣的拋頭轉(zhuǎn)速下，直徑大的拋頭產(chǎn)生的強(qiáng)化強(qiáng)度更高。

　　□ 拋頭的功率決定了單位時(shí)間內(nèi)被打出去的鋼丸數(shù)量。

　　□ 拋頭采用變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過改變電機(jī)的頻率可以改變拋頭的轉(zhuǎn)速，從而改變鋼丸拋出的初速度。

　　□ 拋頭通常都被永久地固定在拋丸室的特定位置，但可以通過調(diào)整定向套的位置來改變拋射方向。定向套的位置最終決定了鋼丸被拋頭拋射出去的角度。

　　2、直接壓力式噴丸強(qiáng)化中工藝變量對(duì)強(qiáng)化效果的影響

　　□ 噴丸強(qiáng)化中的噴射壓力類似于拋丸強(qiáng)化中的拋頭速度，壓力越大，強(qiáng)度越大。對(duì)于復(fù)雜的齒輪強(qiáng)化，通常在一個(gè)封閉環(huán)路內(nèi)，通過一個(gè)比例調(diào)節(jié)器監(jiān)控噴嘴壓力，如果出現(xiàn)任何偏離預(yù)先設(shè)定的壓力值，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，指示關(guān)閉機(jī)器。

　　□ 噴嘴尺寸的大小決定了鋼丸介質(zhì)被噴射到零件表面的數(shù)量。對(duì)于噴丸強(qiáng)化工藝，最重要的因素就是要取得精確的方向性，目標(biāo)準(zhǔn)確，鋼丸被無誤差地打到零件表面指定點(diǎn)，達(dá)到所需的強(qiáng)度。

　　□ 安裝在多軸機(jī)械手上的噴嘴可實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，該機(jī)械手在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)控制器的協(xié)助下操縱噴嘴的移動(dòng)，讓噴嘴沿零件的外緣和內(nèi)部路線運(yùn)動(dòng)，比如沿行星齒輪和齒輪圈的輪廓進(jìn)行噴射，可達(dá)到均勻一致、重復(fù)性高的強(qiáng)化效果。

　　當(dāng)同時(shí)對(duì)一組行星齒輪和齒圈進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，必須特別注意它們的齒根角度是不同的，因此，對(duì)于噴丸強(qiáng)化各個(gè)噴嘴位置的設(shè)定十分關(guān)鍵，合理的設(shè)置才能達(dá)到理想的齒輪、齒圈強(qiáng)化效果。

　　影響噴丸強(qiáng)化結(jié)果的其他工藝參數(shù)還包括：鋼丸的流量、鋼丸的尺寸、尺寸的一致性等。

　　圖4 壓縮空氣式噴丸強(qiáng)化

　　丸料的流量由一個(gè)專門的流量控制閥控制。在拋丸強(qiáng)化設(shè)備中，該控制閥被安裝在拋頭進(jìn)料區(qū)，通過調(diào)節(jié)流量控制閥的開口大小來調(diào)節(jié)經(jīng)過該閥進(jìn)入拋頭的鋼丸流量，而在噴丸強(qiáng)化設(shè)備中，丸料控制被閥安裝在壓力罐出口區(qū)。

　　鋼丸的尺寸需具備較高的一致性。強(qiáng)化設(shè)備中采用一個(gè)振動(dòng)篩對(duì)丸料進(jìn)行過濾，確保鋼丸尺寸一致，從而達(dá)到穩(wěn)定的強(qiáng)化效果。

　　鋼丸(或切絲)的尺寸會(huì)直接影響覆蓋率和強(qiáng)化時(shí)間，一般規(guī)律是： 鋼丸直徑小，工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較高，但強(qiáng)化層較淺;鋼丸直徑大，工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較低，但強(qiáng)化層較深;當(dāng)然，鋼丸的直徑必須小于齒輪過渡區(qū)的圓角半徑。

　　結(jié)語(yǔ)

　　噴丸強(qiáng)化工藝發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍將越來越廣。現(xiàn)在，通過采用精密的自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)工藝參數(shù)實(shí)施同步監(jiān)控，噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)的柔性程度已經(jīng)得到了極大的增強(qiáng)，從而可以獲得更加理想的零件強(qiáng)化效果。隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車工程師也將不再局限于單一的拋丸強(qiáng)化或噴丸強(qiáng)化，新的混合式系統(tǒng)能將兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，以滿足更多用戶特定的生產(chǎn)要求。