齿轮齿面喷丸强化研究现状与展望(一)

~ 齿轮啮合时的疲劳和磨损是导致齿面失效的主要原因，严重影响了齿轮的整体性能。喷丸强化工艺作为一种有效的齿面强化方法，能够显著提升齿面的抗疲劳和耐磨损性能。

喷丸强化工艺可分为传统喷丸和新型喷丸两大类。传统喷丸包括气动式喷丸和离心式喷丸（又称抛丸），而新型喷丸则包括微粒喷丸、二次喷丸、振动喷丸等方法。

齿轮啮合过程中，弯曲疲劳是常见的疲劳失效形式。国内外研究人员普遍关注喷丸对齿根的强化效果，围绕齿根弯曲疲劳强度的研究较多，且多以实验为主。研究内容包括齿轮疲劳断面的表征分析、表面完整性参数与齿轮弯曲疲劳强度的相关性研究、齿轮裂纹扩展与弯曲疲劳寿命的分析预测、非金属夹杂物对齿轮弯曲疲劳性能的影响、喷丸工艺参数（覆盖率、喷丸强度等）对弯曲疲劳性能的影响、热处理方式对齿轮弯曲疲劳性能的影响等。大部分研究集中在变速器齿轮、差速器齿轮以及车桥齿轮上。

研究表明，齿轮弯曲疲劳寿命的提高很大程度上受表面完整性参数和喷丸工艺参数的影响。传统喷丸强化可以使齿轮在106循环次下的弯曲疲劳强度提高30%以上。重载齿轮通常为大模数齿轮，其轮齿厚度大，基本满足弯曲疲劳强度要求。因此，齿面疲劳与磨损是其主要损伤形式。近年来，加装缓速器的重载车桥主减速器螺旋锥齿轮副齿面磨损与疲劳失效问题日益突出，因此开展喷丸对齿面性能的影响研究显得尤为重要。

喷丸强化工艺是一种金属表面冷加工工艺，通过高速运动的介质（弹丸、激光束、水流等）冲击工件，在工件表层形成塑性变形层，并在工件表面留下凹坑。这种冲击导致工件表面发生拉伸变形，在凹坑下方被压缩的晶粒试图将工件表面恢复到初始状态，而拉伸的表面因不能完全复原，因此产生残余压应力场。喷丸强化工艺的物理意义实际上是工件吸收介质的部分能量后，产生塑性变形，从而改变工件表面性能。

喷丸强化机制主要包括应力强化机制和组织强化机制。应力强化机制是通过喷丸在工件表层引入残余压应力场，而组织强化机制则是通过喷丸引起工件显微组织的改变，如亚晶粒尺寸变小、位错密度增大、塑变诱导马氏体相变等。喷丸后工件表面粗糙度增大，称之为弱化效应。

喷丸强化工艺参数的选取以及工件材料的动态力学性能，决定了这些强化机制和弱化效应。喷丸强度过高会造成工件过喷，喷丸层深过大，工件表面以下会产生很高的拉应力，导致裂纹萌生。喷丸强度过低会造成工件欠喷，无法得到较大的残余压应力和组织强化层，不能提高工件疲劳应力。

材料的表面完整性决定其疲劳强度，相同条件下的表面完整性等级越高，材料的疲劳强度越高。同济大学高玉魁教授系统地研究了材料表面完整性的内涵，将表面完整性划分为表面状态与表面性能，其表征参量可归纳为：表面几何形状（表面形貌、加工纹理度、波度、表面粗糙度等）、表面力学特性（屈服强度、拉伸强度、显微硬度、残余应力等）、表面组织结构（组织、相结构、相含量等）以及针对电磁材料的导电、导磁性能和针对生物材料的生物相容性等方面。

工件喷丸后，表层残余应力、显微硬度、表面粗糙度以及微观组织结构对齿面使用性能的影响最为突出。

残余应力：研究表明，残余应力大小与被喷材料的硬度与强度成正比，材料越硬，喷丸效果越好，齿轮抗疲劳性能越好。最大残余应力值正比于材料抗拉强度（UTS）。在齿轮喷丸之前进行“渗碳+淬火”处理，其抗疲劳性能最好。

喷丸层深与喷丸工艺参数以及材料性能有关（主要指材料表面硬度）。在相同喷丸强度下，材料越软，残余应力层深越大。弹丸直径与速度越大，所产生的冲击能越大，工件的残余应力层深越大。残余应力层深是传递给受喷表面动能的函数，也是弹丸质量、喷丸时间、喷射速度的函数，喷丸残余应力层深存在临界值，即每一被喷表面的层深不超过被喷工件厚度的10%。

显微硬度：一般情况下，常用喷丸后材料的显微硬度值来表征材料冷作硬化特性。当弹丸硬度足够大时，工件材料硬度越大，残余压应力值越大，硬化层较浅。喷丸对较软材料的冷作硬化效果较明显，而且硬化层较厚；但对于高硬度工件材料（如淬硬钢、冷成型钢），会出现加工软化效应。

表面粗糙度：喷丸改变了齿轮表面粗糙度与表面形貌。喷丸能够去除机加工带来的齿面刀痕，当原始齿面非常粗糙，增大喷丸强度与覆盖密度可减小粗糙度，但可能会诱发齿面损伤。

微观组织：在淬火过程中不转变为马氏体的奥氏体称为残余奥氏体。渗碳齿轮钢通常含有约20%~30%的残余奥氏体，若喷丸前齿轮钢试样奥氏体含量较高，并不意味着喷丸后奥氏体转化量高，喷丸后并不一定能得到较高的残余压应力，残余应力很大程度上是由喷丸强度、覆盖率、弹丸直径等喷丸工艺参数决定的。

综上，塑性变形引起的晶粒细化和应变诱导相变是喷丸强化工艺中主要发生的微观结构变化，这是弹丸颗粒反复撞击工件表面而产生的累积的局部塑性应变的结果。喷丸强化工艺通过冷作硬化使表层残余奥氏体转变为马氏体。因此，可在不降低疲劳强度或提高脆性和缺口敏感性的前提下，提高材料的硬度和耐磨性。

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