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 摘要：本文介绍了验证弧齿锥齿轮强化抛喷丸技术的过程，通过对某型号装载机产品驱动桥的弧齿锥齿轮副的失效原因分析，确定轮齿的弯曲疲劳强度不足，采用强化抛喷丸工艺，经过台架及整机可靠性试验等过程，提升强度及寿命，达到预期效果。对提高齿轮强度及寿命有*定的借鉴作用。本文由抛丸机厂家整理

图1 大螺旋锥齿轮失效模式

  抛喷丸强化工艺在提高工件可靠性和耐久性方面效果显著，在航空、航天、汽车、机车、汽轮机、船舶、机械等各行业中被广泛应用。

 装载机是牵引型底盘传动，随着市场对装载机产品的耐用性和可靠性要求的提高，对承担主要动力传动的驱动桥的质量和可靠性的要求随之提高，单纯通过加大弧齿轮锥齿副的尺寸来保证要求，受制于整车对桥包及桥壳尺寸的限制，为此，从齿轮制造的工艺着手，对前桥主传动齿轮抛喷丸强化工艺进行了研究，提升强度及使用寿命。由于装载机作为工程施工机械的特殊性，为了确认其通过抛喷丸强化能够增强性能的可行性，必须对其应用进行试验验证。

1、 抛喷丸强化概述：

   抛喷丸强化的过程就是将高速运动的弹丸流喷向零件表面的过程。用于提高零件的抗疲劳及耐应力腐蚀能力，运作机理是利用高速运动的弹丸（60 ～ 110m/s）流连续冲击被强化工件表面，迫使靶材表面和表层（0.10～ 0.85mm）在循环性变形过程中发生以下变化：（1）显微组织结构发生改性；（2）非均匀的塑变外表层引入残余压应力，内表层产生残余拉应力；（3）外表面粗糙度发生变化（RaRz）。通过使用抛喷丸强化工艺，可提高材料 / 零件疲劳断裂抗力，防止疲劳失效，塑性变形与脆断，提高疲劳寿命。通过抛喷丸强化，*般可提高疲劳寿命 1 ～ 3 倍，甚至可提高几十倍。在飞机制造及维修、汽轮机、发电机等大量采用，是*种特殊的工艺方法。

2、当前齿轮存在问题：

2.1、研究零件的质量特性及相关信息：

    研究零件的质量特性及相关信息如表 1。

2.2、当前齿轮失效模式：

  研究齿轮存在较高的外部反馈率，主要失效方式为崩齿、断齿。经失效分析研究，失效原因为抗疲劳强度不足，失效件模式如图 1，为解决强度不足的问题，开展应用抛喷丸强化工艺试验及可靠性验证。

3、抛喷丸强化工艺：

3.1、抛喷丸强化工艺参数：

 经分析研究，使用以下抛喷丸强化工艺参数，抛喷丸强度：0.45 ～ 0.55mmA，覆盖率 200%；弹丸要求：预钝化钢丝切丸 CW-23，硬度 HRC55 ～ 60。

3.2、抛喷丸强化方式：

   表1   零件的质量特性及相关信息

零件名称		材料	模数		表面硬度	芯部硬度		齿面粗糙度		重量/kg
主动螺旋锥齿轮		20CrMnTiH5	11	HRC58-64		HRC33-45		Ra1.6		6.9
大螺旋锥齿轮		20CrMnTiH3	11							23.63

喷射距离设置为 100 ～ 150mm，喷射角度应垂直于受喷零件表面。

3.3、抛喷丸强化参数检测：

  层深及残余应力检测。弧齿锥齿轮强化抛喷丸后的外观效果如图 2。

图 2   强化抛喷丸后齿轮效果

采用 ASTM-E915-2010、EN15305-2008 及 GB7704-2010 等标准规定的方法，进行残余应力检测。使用电解抛光机型号 Proto-8818, 饱和 NaC1 水电解液，数显千分表检测电解抛光深度，检查结果见表 2，其中负值应力代表压应力。

表2   残余应力检测表

齿轮编号	层深/µm		残余应力/MPa
		齿根	凹齿面	凸齿面
NO1	5	-748.6	-1027.2	-720.4
	50	-1027.2	-964.8	-993.2
NO2	5	-740.5	-715	-706.7
	50	-1019.7	-987.2	-945.9
NO3	5	-751.3	-733.6	-717
	50	-1042	-1015.2	-963.6
NO4	5	-736.8	-710.4	-728.3
	50	-1013.6	-979.1	-967.8
NO5	5	-761.9	-725	-752.4
	50	-1040.5	-986.3	-1008.7
NO6	5	-749.3	-737.9	-723.1
	50	-1025.7	-975.4	-991.5

经过强力抛喷丸后表面 5μm 残余压应力达到约 700MPa， 次 表 层 50μm 残 余 压 应 力 达 到 约1000MPa，较强力抛喷丸前提高 300% 以上，强化参数符合预期要求。

4、试验：

4.1、台架试验：

台架对比试验方案如表 3。

表3 台架对比试验方案

桥号	螺旋齿轮类型		初始输入扭矩/Nm	试验方案试验至螺旋齿轮损坏为止
1#	普通型		4450	（输入法兰循环次数要求在20-50万次之间）
2#	普通型		4450	试验至螺旋齿轮损坏为止输入法兰循环次数超过50万次螺旋齿轮未坏，输入扭
3#	抛喷丸强化		4450	矩增加10%（4895Nm），继续试验至螺旋齿轮损坏或者100 万次停止试验
4#	抛喷丸强化		4895	试验至螺旋齿轮损坏为止或者输入循环次数达到100 万次停止试验

4.2、台架试验参数及结果：

 使用驱动桥专业疲劳寿命试验台，分别对装配有抛喷丸强化型和普通型两种弧齿锥齿轮的前桥总成进行加载试验，完成了各 2 套共 4 套桥总成试验，试验结果寿命，经分析计算，抛喷丸强化后的弧齿锥齿轮齿轮平均寿命提高 361.3%，预计强化抛喷丸后的弧齿锥齿轮的外反馈率下降约 78.3%。

4.3、整机可靠性试验参数及结果：

  根据台架试验的结论，策划进行了小批量实际工况验证，较后进入批量实施，进入稳定期后考查期外反馈率下降为原来的 1/34.3 倍，取得满意效果。

5、 结语：

 由于硬齿面齿轮的基体硬度较高，只能通过强化抛喷丸的方法进行强化，通过强化抛喷丸试验及检测分析，优化抛喷丸工艺，可以达到强化抛喷丸的目的。根据试验研究和验证的结果可知，应用合适的强化抛喷丸工艺，所达到的抛喷丸效果可有效提升弧齿锥齿轮的强度，大幅提升齿轮寿命和可靠性，是提升装载机驱动桥承载能力的有效方法。本文由抛丸机厂家整理