抛丸机应力

抛丸强化是目前汽车行业改善齿轮疲劳寿命的常用手段之一，其原理是利用高速弹丸对齿轮表面进行冲击，使轮齿表层在一定深度内生成残余压应力，用来抵消部分外加负荷导致的拉应力，从而抑制或延迟裂纹的萌生和扩展。因此，它可以显著提高轮齿的抗弯曲疲劳寿命，改善接触疲劳特性。抛丸强化效果表达式为：

B=F（P，M，R，V，Q，H，T，α）

式中：B——抛丸效果；

P——抛打工件表面性能；

M——弹丸材料；

R——弹丸尺寸；

V——抛丸速度；

Q——单位时间内抛丸量；抛丸机应力

H——弹丸与工件表面距离；

T——抛丸时间；

α——抛丸角度。

在轮齿材料及热处理指标选定的前提下，弹丸工艺选择是得到合理残余压应力层的关键因素之一。本文就如何选择弹丸工艺参数从而得到合理强化效果展开论述。

1.试验条件和方法

（1）齿轮材料和抛丸前状态

齿轮材料为低碳合金钢，锻后等温正火，经渗碳淬回火处理后表面硬度≥650HV1。

（2）试验用设备及检测方法

强化设备采用机械离心式抛丸机；硬度检测采用维氏硬度计；残余应力检测采用xstress3000型X射线应力分析仪，因材料为铁素体型合金钢，检测晶面为（211）。检测执行ASTM-E915—2010、EN15305—2008、GB7704—2008及GFT4010—2008标准。

2.弹丸的选择

（1）弹丸硬度确定

强化零件用弹丸硬度一般等于或略高于零件本身硬度，硬度不能太高，否则容易导致本体损伤。本文齿轮齿面和齿根硬度检测如图1所示。从图中可知，齿轮表层硬度在700HV1以上，根据市场能够提供的弹丸，我们选定弹丸名义硬度在（700±30）HV1。

（2）丸料直径选择

齿根过渡圆弧处是应力集中点，裂纹萌生往往从此处开始，因此作为抛丸强化效果检验位置（见图2）。本文齿轮齿根过渡圆弧半径为0.85mm，为达到强化效果，必须有足够的弹丸抛射到该位置，因此选择丸料名义直径为0.6mm、0.8mm两种规格的钢丸进行验证。

3.结果与分析

（1）相同工艺条件下弹丸直径对残余应力的影响

图3、图4分别为φ0.6mm和φ0.8mm弹丸在相同工艺条件下得到的齿根残余应力分布结果；图5为两种弹丸作用下5次检测结果的平均值比较。从图中可以得知，两种弹丸作用下相同深度残余压应力值差别略有区别，且最大压应力值所处深度有所不同，φ0.6mm弹丸的最大压应力值在距表面约40μm处；而φ0.8mm弹丸的最大压应力值在距表面约50μm处。附表是两种钢丸的单个重量，可以看到，W0.8mm≈2W0.6mm；P=MV，在速度一定的情况下，质量是决定动量大小的因素，因此φ0.8mm弹丸所能产生的变形会更大些，深度更深。

从图5还可以看到，两种弹丸得到的应力趋势基本一致，但最表层φ0.8mm弹丸所得残余压应力更低，意味着所能抵御外力的能力更弱，更容易被突破产生裂纹。

图3 Φ0.8mm弹丸残余应力结果

图4 Φ0.6mm弹丸残余应力结果

图5 两种弹丸残余应力平均值对比

两种钢丸的单个重量

（2）相同工艺条件下弹丸直径对齿面粗糙度的影响

图6是两种弹丸作用力得到的齿面粗糙度结果，抛丸前的齿面粗糙度基本一致；抛丸后，φ0.6mm弹丸得到的结果要明显优于φ0.8mm弹丸。齿面粗糙度影响变速器噪声，粗糙度越小越好。

图6 两种弹丸作用力得到的齿面粗糙度结果

4.结语

抛丸后的残余应力主要来源于表层不均匀的塑性变形，在零件参数允许的范围内，尺寸越大，弹丸消耗相应会更少，成本更低，但需要综合考虑弹丸对零件残余应力和齿面粗糙度的影响，需根据试验结果选择合适的弹丸。抛丸机应力

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