喷丸强化在传动系统中的应用

2019-06-16阳新元吴红美

设备管理与维修 2019年14期

关键词：喷丸花键试片

阳新元，吴红美

（1.直升机传动技术重点实验室，湖南株洲 412002；2.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

0 引言

机械工程技术人员在设计零件过程中，很多时候对零件的哪个部位喷丸及如何选择确定喷丸参数，感到困惑。从喷丸强化机理、喷丸参数确定及典型应用分析等3 方面论述，以期对零件的喷丸设计提供借鉴。

1 喷丸强化机理

喷丸强化的过程就是高速运动的弹丸流连续向零件表面喷射的过程，这使金属表面层产生极为强烈的塑性变形，形成一层很薄的密布无数光滑半球坑的冷作硬化层（其深度约为0.07～0.5 mm），也叫表面强化层。在此层内发生2 种变化：从应力状态上看，表层形成较高的残余压应力；从组织结构上看，亚晶粒发生极大的细化。上述变化将会提高零件的室温和高温疲劳强度、提高抗应力腐蚀性能和摩擦腐蚀性能[1]。

2 工程上喷丸强化设计参数的确定

喷丸强化的效果和质量的表征指标主要有喷丸的强度、覆盖率和喷丸后零件的表面粗糙度值。在设计图样中对喷丸强化的应用涉及喷丸区域、丸粒的规格、喷丸强度、覆盖率、喷射角。

2.1 零件喷丸区域

根据喷丸强化机理，喷丸强化应用在零件承受较高交变应力部位，以提高疲劳性能，如传动系统主传动链齿轮及承受大交变应力的机匣腿部；或应用在喷涂区、镀层区和焊接区，抵消其产生的拉应力。

2.2 丸粒的选择

2.2.1 丸粒种类

喷丸强化用的弹丸常用的一般有铸铁丸、铸钢丸、钢丝切制钢丸、不锈钢丸、玻璃丸，其中最常用的丸粒有铸铁丸、铸钢丸、玻璃丸、不锈钢丸。

各种丸粒由自身材料特点决定其使用范围。铸铁丸由于在喷丸过程中易于破碎，且损耗量大，已逐渐被钢丸替代。不锈钢丸可长时间保存。目前国内常用丸粒为钢制丸粒。玻璃丸也容易破碎，通常用于有色金属零件喷钢丸后清理铁屑，防止腐蚀。

2.2.2 丸粒尺寸

丸粒规格一般按标准选取，通常有14 种规格：70 号、110号、130 号、170 号、190 号、230 号……930 号，对应的丸粒直径分别为：0.18 mm、0.28 mm、0.33 mm、0.43 mm、0.48 mm、0.58 mm……2.36 mm。

在选择丸粒尺寸时，应考虑以下因素：零件的形状；圆角、槽或孔的尺寸；喷丸强度要求；光洁度（在相等强度条件下，使用大丸粒会产生较好光洁度，然而，完成可达区域所要求的时间随丸粒尺寸的增加而迅速增加）；小丸粒可以较快地完成可达区域；对铝用高强度喷击时不应该用小丸粒。

根据标准，丸粒直径推荐按ST100-84-09 表Ⅱ，但同时必须考虑连接、开槽或孔的尺寸。一般丸粒直径不大于连接半径的一半；如果丸粒要穿过槽或孔，则该小球的直径不超过槽口或孔直径的1/4。对有色金属来说，达到同样的喷丸强度，考虑选较大尺寸的丸粒。

丸粒大小由上述综合因素决定，有时为了降低成本，尽量减少丸粒规格和材料，同一型号的零件尽可能选用同一规格的丸粒，举例见表1。

表1 丸粒尺寸选择分析

2.2.3 丸粒的硬度

丸粒硬度选择，应考虑工件材料的硬度。应使用硬度大于或接近零件喷丸区硬度的丸粒，因为这样可在较短时间内达到所需的强化效果，而且能得到满意的压应力层。否则，延长喷丸时间将降低零件表面精度。目前国内常用钢丸粒硬度分为HRC=42/52 和HRC=55/65 两种。

2.3 喷丸强度

喷丸强化的效果和质量的表征指标中强度最为重要。对于任何一种金属材料，要获得最佳的喷丸强度，应通过一系列试验才能得出。但是这种系统试验不仅花钱，而且试验周期冗长，这在工程实际中很难实施。在实际生产中，通常制定相应的喷丸技术规范，如ST100-84-09，根据零件的材料、尺寸、力学性能等或参照同类零件的喷丸来确定零件的喷丸强度，这样得到的是平均强度。

在对零件喷丸前，先进行采用标准弧高度试片的阿尔门（Almen）试验（弧高度试验）。弧高度试片分为A 型、C 型和N型，分别用于测量不同喷丸强度，A 型试片用于测量弧高值≥0.1 mm 而≤0.6 mm，N 型试片用于测量弧高值＜0.1 mm，C型试片用于测量弧高值＞0.6 mm，3 种试片的换算关系为：1A≈3.3N，1C≈3A。阿尔门弧高试片喷丸后的弧高度值用来度量喷丸强度，零件喷丸强度值后带试片型号，如0.3 mmA 表示喷丸强度的弧高值为0.3 mm，用A 型试片进行工艺试验。一旦试片试验的工艺参数（丸粒速度、丸粒流量、喷射时间、喷嘴到零件表面距离等工艺参数）达到喷丸强度要求，则该工艺参数将应用于零件喷丸。

2.4 覆盖率

喷丸强化后的表面弹丸坑占据的面积与总面积的比值称为表面覆盖率，以百分比表示。为了具备较高的抗疲劳破坏能力和抗应力腐蚀破坏能力，喷丸强化表面要求覆盖率达到或超过100%。一般钢和钛制零件的喷丸覆盖率为200%，轻合金零件的喷丸覆盖率为100%。

2.5 喷射角

喷射角是丸粒束向工件表面喷射的角度，有效喷丸强度与喷射角的正弦成正比，垂直喷射效率最高，因此丸粒喷射尽可能与喷射区垂直。如果受零件形状的影响，工艺上无法达到垂直喷射，也要保持尽可能大的喷射角，以保证高的喷射效率。在阿尔门试片进行喷丸强度试验时也应保持此喷射角。

3 喷丸强化的应用分析

根据上述喷丸强化机理和喷丸强化参数的确定方法，对传动系统型号中典型的喷丸应用见表2。

表2 传动系统喷丸的典型应用

某花键材料为TC4 钛合金，强度裕度很小，属高应力区，因此需喷丸；根据零件硬度≤35 HRC 和花键齿根圆角R0.4，选择硬度为HRC=42/52 的丸粒直径不大于连接半径的一半70 号钢丸；由于担心喷丸后残留钢末，腐蚀零件，因此选择玻璃丸清理；根据法兰盘材料强度和齿厚最小3.25 mm，选择喷丸强度为0.006～0.010A（喷丸强度选择详见STA100-84-09）；钛合金零件覆盖率选择200%；喷射角根据花键齿面角度、喷射效率及工艺的实施可能性确定。

某机匣腿部的喷丸参数确定方法基本与某花键一致。需特别说明的是为了减少丸粒规格，选用230 号丸粒，该机匣材料为铝合金，覆盖率选100%。

某镀镍铬区受较大的弯曲疲劳应力，材料为40CrNiMoA钢。由于镀镍铬，会对零件表面产生拉应力，为了抵消其影响，需对该区域喷丸。喷丸参数确定方法基本与某花键一致。由于零件为钢制件，因此喷丸后无需用玻璃丸清理。

某齿轮材料为低碳合金钢，渗碳后齿面硬度58～63 HRC。为了提高轮齿的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，需对齿面进行喷丸。喷丸参数确定方法基本与某花键一致，丸粒硬度与齿面硬度相当。