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機(jī)車(chē)牽引齒輪受控噴丸工藝研究

文章出處：本站編輯：拋丸機(jī)發(fā)表時(shí)間：2015-04-15 10:34:03

摘要：從受控噴丸設(shè)備、丸粒及工藝三要素等方面著手，闡述了受控噴丸的發(fā)展及重要性，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明重載機(jī)車(chē)齒輪受控噴丸工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇。

某公司20世紀(jì)70年代末開(kāi)始采用噴丸強(qiáng)化工藝，自主研發(fā)設(shè)計(jì)并制造了當(dāng)時(shí)海內(nèi)提高前輩的重力式齒輪噴丸機(jī)，主要對(duì)DF₄型貨運(yùn)機(jī)車(chē)牽引齒輪進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，經(jīng)由30多年的經(jīng)驗(yàn)積累，形成了自己的一套噴丸工藝，對(duì)機(jī)車(chē)齒輪疲憊壽命的進(jìn)步曾起過(guò)重要作用。

但是跟著國(guó)民經(jīng)濟(jì)及鐵路現(xiàn)代化的發(fā)展，對(duì)機(jī)車(chē)牽引齒輪可靠性及疲憊壽命要求進(jìn)一步進(jìn)步，傳統(tǒng)的噴丸工藝已經(jīng)無(wú)法知足重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)牽引齒輪的強(qiáng)化要求，所以必需在噴丸技術(shù)長(zhǎng)進(jìn)行新的研究。

1、齒輪噴丸樞紐要素分析：

在噴丸領(lǐng)域，設(shè)備、丸粒以及工藝俗稱噴丸三要素，其是否有機(jī)結(jié)合將直接影響齒輪的噴丸強(qiáng)化效果。

對(duì)于強(qiáng)化設(shè)備，必需具有足夠的工藝可調(diào)節(jié)性及可控性。傳統(tǒng)意義上的噴丸機(jī)通常是指重力式噴丸機(jī)，這種噴丸機(jī)不產(chǎn)生負(fù)壓，僅僅依賴彈丸自身的重力自動(dòng)流入噴嘴內(nèi)，然后隨高壓空氣噴射。這樣噴射出的丸粒瞬時(shí)線速度較低，對(duì)經(jīng)淬火處理的硬齒面齒輪強(qiáng)化能力差。目前采用的設(shè)備為數(shù)控氣壓式噴丸機(jī)，這種設(shè)備能夠克服重力式噴丸機(jī)的缺點(diǎn)，彈丸與壓縮空氣直接混合壓入噴嘴，丸粒瞬時(shí)線速度高，強(qiáng)化能力明顯晉升；同時(shí)，噴丸的自動(dòng)化水平大幅度晉升，人力本錢(qián)顯著降低。

1996年編制的噴丸鐵標(biāo)中建議噴丸采用鑄鋼（鐵）丸，且鑄鋼丸硬度為HRC45-50，鑄鐵丸硬度在HRC65以上。其主要針對(duì)DF₄型貨運(yùn)機(jī)車(chē)采用中頻感應(yīng)終極熱處理方式的牽引齒輪和要求不高、受力不大的齒輪，對(duì)于目前線路上廣泛使用的重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)滲碳淬火硬齒面齒輪的強(qiáng)化效果不顯著。同時(shí)鑄鋼（鐵）丸的材料大多數(shù)是選用廢鋼經(jīng)由電爐熔煉鋼水，然后離心鍛造形成，這樣出產(chǎn)出來(lái)的鋼丸材料物理屬性較差，雜質(zhì)多，并且常常伴有縮松、裂紋、空心等缺陷，噴丸之后不能保證零件表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的平均性，零件表面粗拙度也較噴丸前下降約兩個(gè)等級(jí)，限制了噴丸的應(yīng)用范圍。

經(jīng)由廣泛的調(diào)研、試驗(yàn)及批量使用，對(duì)于重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)牽引齒輪推薦選用鈍化鋼絲切丸(強(qiáng)化鋼丸）作為噴丸磨料，這種丸粒材料成分一致、物理缺陷少、不易破碎、損耗平均，丸粒消耗率僅為鑄鋼（鐵）丸的30%-60%，粉塵產(chǎn)生率非常低；同時(shí)硬度、圓度以及尺寸的一致性非常高，可控性很強(qiáng)。

噴丸工藝是將噴丸氣壓、噴射間隔、噴射角度及籠蓋率等參數(shù)右擊結(jié)合的工藝過(guò)程。中頻感應(yīng)齒輪或者要求不高、受力不大的齒輪噴丸，只需適當(dāng)調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)就能達(dá)到噴丸強(qiáng)化效果。但對(duì)于滲碳淬火硬齒面齒輪，要得到較高的表面殘余壓應(yīng)力就必需大幅度進(jìn)步噴丸氣壓，但跟著噴丸氣壓的增加，被噴零件表面的粗拙度也相應(yīng)增加，這對(duì)于延長(zhǎng)零件的疲憊壽命長(zhǎng)短常不利的。

為解決噴丸后齒面粗拙度下降過(guò)大及進(jìn)一步進(jìn)步噴丸表面的殘余壓應(yīng)力，采用了復(fù)合噴丸工藝。在一次噴丸達(dá)到飽和強(qiáng)度之后再加一次強(qiáng)度相對(duì)較弱的噴丸，這種復(fù)合噴丸方式不僅能夠鞏固一次噴丸的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，使表面殘余壓應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)步和優(yōu)化，更主要的是其具有拋光的作用，能夠明顯降低噴丸后齒輪表面的粗拙度，是一種兼顧表面強(qiáng)化和拋光的復(fù)合噴丸處理方法。

復(fù)合噴丸與一次噴丸比擬，僅適當(dāng)降低了噴丸的強(qiáng)度，不需要更換設(shè)備和彈丸，設(shè)備投資小、工藝操縱簡(jiǎn)樸、出產(chǎn)效率高，具有推廣價(jià)值。

長(zhǎng)期以來(lái)，噴丸強(qiáng)度的檢測(cè)方法主要是阿爾門(mén)試片丈量弧高值方法，這種方法簡(jiǎn)樸、經(jīng)濟(jì)，便于在出產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操縱，但是僅僅依賴弧高值無(wú)法描述噴丸之后的表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，無(wú)法對(duì)噴丸效果做出精確的評(píng)判。利用X射線應(yīng)力儀，直接評(píng)判噴丸后的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)將是今后受控噴丸技術(shù)發(fā)展的方向。

2、某型重載機(jī)車(chē)齒輪噴丸工藝參數(shù)選擇：

齒輪材料：18CrNiMo7-6（EN10084）；齒面硬度：HRC58-62；噴射部位：齒面及齒根。

2.1、試驗(yàn)方案：

（1）設(shè)備：KX-2220P氣壓式噴丸機(jī)；

（2）丸粒：大奇牌強(qiáng)化鋼丸；

（3）供篩選的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工藝參數(shù)

試樣編號(hào)	噴丸工藝參數(shù)				檢測(cè) 部位
試樣編號(hào)	噴丸氣壓 /MPa	噴射距離/mm	噴射角度/(°)	籠蓋率 /%	檢測(cè) 部位
①	未噴丸	125	≥40	- - -	齒根
②	未噴丸	125	≥40	- - -	齒面
③	0.20	125	≥40	100	齒根
④	0.25	125	≥40	100	齒根
⑤	0.30	125	≥40	100	齒根
⑥	0.30	125	≥40	100（再加1次0.10MPa弱噴丸）	齒根
⑦	0.30	125	≥40	200（再加1次0.10MPa弱噴丸）	齒根
⑧	0.30	125	≥40	200（再加1次0.10MPa弱噴丸）	齒面
⑨	0.35	125	≥40	100（再加1次0.10MPa弱噴丸）	齒根

（4）檢測(cè)方法：借助X射線應(yīng)力儀，結(jié)合電化學(xué)剝層技術(shù)，丈量噴丸殘余應(yīng)力及其分布。測(cè)試執(zhí)行ASTM E915-96和GB7704-87尺度。

2.2、噴丸層殘余應(yīng)力及其分布：

利用X射線衍射與應(yīng)力測(cè)定技術(shù)，丈量上述齒輪試樣的表面殘余應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 未試樣①至⑨殘余應(yīng)力及其分布

層深 /μm	殘余應(yīng)力/MPa
	①	②	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧	⑨
	齒根	齒面	齒根	齒根	齒根	齒根	齒根	齒面	齒根
0	-346.4	-105.8	-769.0	-803.6	-831.5	-884.7	-958.3	-847.4	-902.9
10	-281.7	-191.2	-967.5	-1035.2	-1072.4	-1117.0	-1156.8	-1043.1	-1118.5
25	-258.2	-224.0	-1125.7	-1163.5	-1209.2	-1236.4	-1272.3	-1151.4	-1265.8
50	-233.5	-258.6	-1148.3	-1195.0	-1227.5	-1248.8	-1263.0	-1130.7	-1287.2
75	-221.8	-234.5	-1055.9	-1124.3	-1168.3	-1145.5	-1214.5	-1091.5	-1251.0
100	-215.3	-201.3	-884.4	-978.4	-1072.6	-1050.3	-1131.1	-958.3	-1182.3
150	-208.0	-217.2	-526.1	-655.9	-785.0	-815.6	-871.4	-672.8	-941.5
200	/	/	-142.5	-342.3	-494.7	-527.2	-582.7	-401.2	-659.7
250	/	/	/	-103.6	-242.9	-221.4	-311.3	-128.7	-364.2

從檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以看出，在一次噴丸的情況下，跟著噴丸壓力的進(jìn)步，獲得的表面殘余壓應(yīng)力也增加。工藝⑥與⑤比擬，僅僅增加了一次弱噴丸，其表面殘余壓應(yīng)力增加了6%，最大殘余壓應(yīng)力也較前一種工藝大。比較工藝⑥與⑤噴丸后的齒面粗拙度，經(jīng)檢測(cè)，增加弱噴丸的齒輪表面粗拙度為Ra0.845μm，較工藝⑤的Ra1.035μm減小了18.4%，具有拋光效果。比較⑥與⑦2種工藝，在增加了100%的籠蓋率之后，齒輪的表面殘余壓應(yīng)力增加了8%，說(shuō)明噴丸籠蓋率對(duì)齒輪強(qiáng)化的影響較大，鐵標(biāo)中推薦的100%-200%的噴丸籠蓋率已經(jīng)不能知足重載機(jī)車(chē)齒輪的噴丸要求，重載機(jī)車(chē)牽引齒輪噴丸籠蓋率均不小于200%。

3、結(jié)束語(yǔ)：

經(jīng)由復(fù)合噴丸之后，齒輪的表面殘余壓應(yīng)力以及齒面粗拙度都得到不同程度的改善，同時(shí)，噴丸籠蓋率對(duì)殘余壓應(yīng)力影響顯著，傳統(tǒng)的籠蓋率尺度已經(jīng)不能適合目前重載機(jī)車(chē)齒輪噴丸的需求。

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