噴丸強化是一種受控噴丸技術(shù)，不同于噴丸清理。噴丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、銹蝕和機械加工毛刺為目的。齒輪表面的噴丸強化主要是借助于高速運動的彈丸沖擊零件的表面，使其發(fā)生彈性塑性變形，從而產(chǎn)生殘余壓應力、加工硬化和組織細化等有利的變化，以提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪使用壽命的重要途徑。
一、噴丸強化機理及其作用
1.噴丸強化處理能改善零件表層的應力分布
噴丸后的殘余應力來源于表層不均勻的塑性變形和金屬組織相變，其中以不均勻的塑性變形為主。噴丸后，金屬表面產(chǎn)生大量凹坑形式的塑性變形，表層位錯密度大大增加，而且還出現(xiàn)亞晶界和晶粒細化現(xiàn)象。如圖1所示。經(jīng)噴丸處理后的齒輪表層殘留奧氏體有一部分將變成馬氏體，因相變時體積膨脹而產(chǎn)生壓應力，從而使得表層殘留奧氏體場向著更大的壓應力方向變化，因而提高了齒輪的疲勞強度。通過噴丸強化，又能消除熱處理應力，去除表面氧化皮，改善零件的缺口敏感性，并把容易發(fā)生零件失效的殘余應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?，有效地限制裂紋源的產(chǎn)生和擴展，較大幅度提高零件的疲勞壽命。
2.噴丸強化可使工件表面形成高的壓應力層
由于噴丸強化提高了表面壓應力而顯著改善其疲勞性能，對于承受高周波疲勞載荷的工件更為有效。噴丸強化形成的殘余壓應力可抵消部分外加載荷。噴丸時小尺寸球形鋼丸擊打工件表面而形成壓應力，每一彈丸的沖擊都會使金屬產(chǎn)生一定的塑性變形，最終表面不能完全回復而形成了永久的壓應力狀態(tài)。作為一種表面強化工藝，噴丸能在表面形成殘余壓應力相當于材料抗拉強度極限的55%~60%，而工件表面恰是容易萌生裂紋的地方。對于滲碳淬火齒輪，所形成的壓應力可達1177~1725MPa，可大大改善疲勞性能。壓應力層深度是噴丸強度（或噴丸能量）的函數(shù)，隨著彈丸尺寸或彈丸速度的增加而增加。
二、噴丸強化工藝參數(shù)
噴丸強化工藝對彈丸的形狀、尺寸和硬度等要求較高，用噴丸強度和表面覆蓋率來控制噴丸工藝，用殘余應力和疲勞試驗來檢測表面強化效果。噴丸強化工藝參數(shù)包括彈丸材料、彈丸直徑、彈丸速度、彈丸流量、噴射角度、噴射距離、噴丸時間和覆蓋率等，其中任何一個參數(shù)的變化都會不同程度影響噴丸強度，即影響強化效果。
（1）弧高試片
標準ALMEN弧高試片是綜合評價噴丸強化工藝參數(shù)的一種專用量規(guī)。它是用70號彈簧鋼制成，共有三種規(guī)格，代號分別為N、C、A，分別使用于3種不同噴丸強度要求的場合。
（2）弧高曲線
弧高曲線是在其它工藝參數(shù)固定情況下，同一種試片的噴丸弧高值隨噴丸時間（或噴丸次數(shù)）變化而變化的，標志著弧高值——時間相對關系的曲線。
（3）噴丸強度
噴丸強度通常采用弧高值測定法，其要點是用一定的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強度后的形狀變化來反映噴丸效果，具體操作是用阿爾門Almen試片（弧高度試片，一般硬度為44~50HRC），固定在夾具上，經(jīng)投射噴丸后再取下試片，然后用檢具（如阿爾門測量儀）測量彎曲弧的高度。噴丸強度的另一種檢驗方法為殘余應力檢測，即對強化噴丸后的工件進行殘余應力的檢測，具體的檢驗方法為X射線衍射法。
（4）表面覆蓋率
覆蓋率是指被處理工件表面經(jīng)噴丸處理后，彈丸壓痕面積與被噴工件表面積的比值。通常用百分數(shù)表示。測量要點是把阿爾門試片經(jīng)噴丸后放大約50倍，測量其彈丸壓痕面積。因很困難保證覆蓋率為100%，故實際上把98%的覆蓋率定義為全覆蓋率。對于產(chǎn)品圖樣要求300%的覆蓋率，通常用達到98%的有效覆蓋率所需噴丸時間的三倍來實現(xiàn)。
（5）彈丸質(zhì)量
彈丸質(zhì)量對強化效果影響很大，一般規(guī)律是：彈丸直徑小，工件表面殘余應力較高，但強化層較淺；彈丸直徑大，工件表面殘余應力較低，但強化層較深；彈丸硬度高，噴丸強度也高；彈丸直徑增加，噴丸強度也增加；彈丸速度增加，噴丸強度、表面壓應力和強化層深度三者增加。
（6）噴丸時間
在其他噴丸工藝參數(shù)不變的情況下，噴丸只有達到“飽和”時間或兩倍于“飽和”時間時可獲得最佳強化效果，通常強化時間不足比強化時間過度更為不利。因此，當發(fā)現(xiàn)強化時間低于規(guī)定時間內(nèi)，可以對該工件再進行一次補充強化。
三、噴丸強化技術(shù)的應用
1.提高滲碳齒輪表面硬度
例1：一汽熱處理分廠噴丸設備采用德國產(chǎn)TR5SVR—1型應力噴丸設備。噴丸工藝為：采用直徑為￠0.8mm鋼丸，噴丸時間9min，噴丸速度為2800r/min。齒輪材料為22CrMoH鋼，經(jīng)滲碳淬火及回火處理。噴丸強化處理后齒輪表層組織得到了細化，表層的殘留奧氏體含量比未經(jīng)噴丸處理工件的殘留奧氏體含量要低10%左右，在距離表面0.15mm范圍內(nèi)，變化量比較明顯；經(jīng)強化噴丸處理后的齒輪表面硬度提高了0.5~2HRC。
2.提高齒輪表面殘余壓應力并改善表層顯微組織
例2：桑塔納轎車變速器二檔從動齒輪，經(jīng)滲碳淬火、回火處理。噴丸采用葉輪式噴丸機，噴丸速度2900r/min，彈丸硬度57HRC。其噴丸試驗結(jié)果如下。
（1）噴丸件表層顯微硬度明顯提高，這是受到高的殘余壓應力、加工硬化和組織變化（細化）綜合作用的結(jié)果，其中殘留奧氏體的顯著減少對硬度提高也做出了貢獻。
（2）由于噴丸使工件表層中的殘留奧氏體變?yōu)轳R氏體，可用來提高表面硬度。馬氏體針明顯較未噴丸件細小致密，起到了細化馬氏體亞結(jié)構(gòu)的作用。有利于殘余應力的提高，從而提高了齒輪的疲勞性能。
3.提高齒輪的疲勞壽命
例3：一汽采用強化噴丸工藝對“解放”牌汽車變速器一擋齒輪進行疲勞壽命試驗，顯著提高了齒輪的疲勞壽命。如表1所示。為了提高“解放”牌主動螺旋齒輪的疲勞壽命采用大圓弧滾刀切齒，增大齒輪圓角可以使主動螺旋齒輪的壽命由20.83萬次提高到69.54萬次，如果再采用強化噴丸，可以使其疲勞壽命提高到210.9萬次。
例4：齒輪采用碳氮共滲后噴丸硬化提高接觸疲勞強度。如SCM420H鋼齒輪，經(jīng)通氨氣等進行碳氮共滲，隨著含氮量的增加，ΔHV（硬度降）提高，即抗回火性能提高，回火溫度可達300℃。解決了汽車用自動變速器AIT常規(guī)滲碳齒輪齒面接觸疲勞破壞問題。
四、噴丸強化新技術(shù)
1.齒輪的硬噴丸技術(shù)
（1）硬噴丸技術(shù)
硬噴丸不同于常規(guī)噴丸，而是采用700HV高硬度鋼丸進行高強度噴丸，并使A型試片產(chǎn)生0.6mm以上的弧高，形成較大的殘余壓應力，得到高的疲勞強度。適合于優(yōu)質(zhì)滲碳鋼（如DSG1鋼，Si含量降至0.15%以下，而使內(nèi)氧化現(xiàn)象及非馬氏體大為減少；降低晶界脆性元素P的含量＜0.015%，提高Mo含量至0.4%而使?jié)B層韌性大為改善），它在消除內(nèi)氧化等滲碳缺陷及保證滲層韌性方面效果較好。
（2）兩次噴丸（雙噴丸）技術(shù)
對于滲碳淬火硬度在600HV以上齒輪，較難通過正常噴丸達到較高壓應力。為此采用二次噴丸硬化提高疲勞強度，即首先采用700HV高硬彈丸進行高強度噴丸（如0.6mm鋼丸），并使A型試片產(chǎn)生0.6mm以上的弧高，獲得一定深度的表面強化層，然后再用細小的低強度小彈丸（如0.08mm鋼丸）進行一次低強度噴丸，可在工件表面和次表面形成殘余壓應力。第二次噴丸的目的就是減輕表面加工硬化，改善表面粗糙度，提高表面壓應力，即進一步提高齒輪的疲勞性能。此項技術(shù)屬于冷作處理。
2.硬噴丸新工藝應用
例1：直齒輪，材料DSG1（化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為0.20C、＜0.15Si、0.70Mn、＜0.015P、0.015S、1.00Cr及0.40Mo）和SCM420，經(jīng)滲碳淬火、回火處理。最后采用離心式噴丸機及￠0.8mm鑄鋼丸（化學成分為0.85C—1Si—1Mn）進行噴丸，噴丸強度分別為0.45mmA和0.7mmA弧高。前者屬于常規(guī)噴丸，而后者屬于硬噴丸。齒輪疲勞試驗是在電流消耗式齒輪疲勞試驗機上進行。
（1）噴丸處理參數(shù)及檢驗結(jié)果
試驗齒輪噴丸處理參數(shù)如表2所示。通過表2可以看出，硬噴丸齒輪的齒根疲勞強度高于常規(guī)噴丸。硬噴丸齒輪表面硬度和殘余壓應力提高而殘留奧氏體和內(nèi)氧化程度降低。
（2）硬噴丸、小彈丸噴丸及二次噴丸的比較
經(jīng)過噴丸處理的工件，其最大殘余壓應力值是位于表面下面約0.05mm處，而表面卻低于這個值，為解決此缺陷，采用細小彈丸（直徑＜0.1mm）進行低強度噴丸處理。三種噴丸工藝參數(shù)如表3所示。
硬噴丸處理得到最高表面硬度，其次是二次噴丸和小彈丸噴丸。小彈丸噴丸使齒輪表面得到非常高的壓應力，達到1.2GPa。而二次噴丸處理得到最高的疲勞強度。同滲碳淬火后齒輪相比較疲勞強度提高到1.5倍。滲碳狀態(tài)的齒輪留有切齒刀痕，經(jīng)過噴丸處理后全部消失，齒輪表面粗糙度得到改善。由于加工刀痕有可能成為應力集中部位，因此噴丸處理時加工表面的改善也是提高疲勞強度的一個原因。
五、彈丸
1.彈丸及其質(zhì)量要求
齒輪經(jīng)過化學熱處理后，表面硬度多數(shù)已達到58~63HRC，在進行噴丸強化時，應采用高于或等于表面硬度的彈丸來進行噴丸強化處理，以保證表面的殘余壓應力數(shù)值和表面強化層深度。此外，彈丸尺寸的選擇應保證齒輪的根部得到強化，在進行噴丸強化過程中，由于選擇的彈丸直徑過大常常導致小半徑的齒根部位得不到噴射強化。為此，應確保彈丸直徑小于齒根半徑的一半。
由于鋼丸質(zhì)量對強化效果影響很大，國家標準中已經(jīng)對鋼丸的金相組織、化學成分、最小密度、硬度偏差給出嚴格的規(guī)范。
彈丸在使用過程中，不斷破損，需及時補充新彈丸，彈丸合格數(shù)量應保持在80%以上，為此可選用不同規(guī)格的篩網(wǎng)加以控制，以確保噴丸強化效果。由于破碎的彈丸帶有尖角，容易使工件表面產(chǎn)生許多微小的尖切口，從而降低強化效果。因此，在生產(chǎn)過程中應將破碎彈丸篩選掉。
彈丸尺寸選擇原則：①當對表面粗糙度有要求時，應盡量采用較小鋼丸。②當工件帶有內(nèi)、外圓角及溝槽時，彈丸直徑尺寸應小于內(nèi)、外圓角半徑及槽的寬度。③保證彈丸球面形狀尺寸均勻。
2.鋼絲切丸
采用預鈍化鋼絲切丸技術(shù)生產(chǎn)的新一代表面清理和強化的優(yōu)質(zhì)丸料，不僅鋼丸硬度均勻、尺寸均勻、壽命長，而且生產(chǎn)中粉塵產(chǎn)生率低，可稱之為綠色、環(huán)保鋼丸，可應用于齒輪噴丸強化處理等。
3.強韌性彈丸及其化學配方
（1）用于噴丸的彈丸
一般采用鑄鋼型或切線型，鑄鋼彈丸一般用水霧化方法生產(chǎn)，并調(diào)質(zhì)到392~513HV，對于硬噴丸處理，要求彈丸硬度達700HV左右。
（2）新型鋼丸
采用快冷離心霧化方法改善中碳鑄鋼枝晶鑄造組織。同時要求碳含量不低于0.5%，其Mn、S、P含量也均有降低，其化學成分如表4所示，噴丸處理時，彈丸流率為0.75kg/s，噴射速度為106m/s，噴丸后弧高為1.0mmA。作為高強韌性彈丸的第二選擇是高碳預處理過的高強度切線彈丸，尺寸范圍為￠0.8mm，為了得到700HV左右的高硬度，其碳含量增加至0.8%，其化學成分如表5所示。
六、噴（拋）丸設備
1.吊鉤式拋丸清理機
該設備采用4臺Q034型拋丸器，拋丸機主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。
2.MP815型吊掛式拋丸強化清理機
單鉤承重800kg，工件最大尺寸￠800mm（直徑）×1500mm（高），拋丸器直徑350mm，最大拋丸量2×10400kg，電機功率2×11kg，轉(zhuǎn)速2960r/min。可通過變頻調(diào)速對齒輪進行強化噴丸處理。
3.齒輪用先進的數(shù)控噴丸機
齒輪數(shù)控噴丸機是實現(xiàn)高精度強化的專用機械，有數(shù)控機械手噴丸機和數(shù)控機器人噴丸機。如“吉川”牌JCK型數(shù)控噴丸設備。
（1）數(shù)控噴丸機的主要構(gòu)成
由噴丸室體、噴槍運行機構(gòu)、工件運行機構(gòu)、彈丸回收機構(gòu)、彈丸分離機構(gòu)、噴丸機構(gòu)、除塵機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等部分組織。
（2）齒輪數(shù)控噴丸機的控制部分
主要包括：①噴槍運動控制，通過數(shù)控機械手或機器人控制噴槍運行，使其在噴丸過程中按指定要求執(zhí)行運動過程。因此，要求高的定位與重復定位精度。②工件運動控制，是指工件在噴丸過程中旋轉(zhuǎn)、位移等運動的控制。③噴丸壓力控制，噴丸壓力的數(shù)字閉環(huán)控制，控制精度一般在±2%以內(nèi)。④彈丸流量控制，彈丸流量的數(shù)字閉環(huán)控制，控制精度一般在±5%以內(nèi)。⑤彈丸的自動回收與分離，噴丸灑落的彈丸被自動回收；回收的彈丸經(jīng)過丸粉分離、尺寸分選、形狀分選三級分選，循環(huán)使用。⑥自動噴丸，實現(xiàn)自動加丸、連續(xù)噴丸功能。⑦控制軟件，程序儲存/調(diào)用；系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視；噴丸飽和曲線自動生成；系統(tǒng)故障報警顯示；易損件工作顯示等。⑧環(huán)保，噪音指標；粉塵排放指標。
七、噴丸強化問題及解決方法
1.選擇彈丸的合理性問題
齒輪經(jīng)過化學熱處理后，表面硬度大多已達到58~63HRC，在對其進行噴丸強化時，采用的彈丸大多為45~52HRC，這一方面容易導致齒輪噴丸區(qū)域得不到充分的強化，另一方面彈丸在噴射撞擊零件時，由于硬度低而易破碎或變形。對此可選擇高硬度鑄鋼丸或切絲鋼丸。
2.表面覆蓋率的檢測問題
表面覆蓋率是指零件而不是檢測噴丸強度用的弧高度試片（Almen試片），因此在實際生產(chǎn)中若采用弧高度試片的表面覆蓋率來對零件設計噴丸工藝，將導致齒輪表面覆蓋率達不到應有的要求。弧高度試片的硬度為44~50HRC，與齒輪表面的硬度58~63HRC相比差的較多，因此齒輪噴丸達到100%的覆蓋率所需要的時間要長于弧高度試片達到100%覆蓋的時間。
3.噴丸強度選擇問題
（1）在實際噴丸過程中并非噴丸強度越高，齒輪的噴丸強化效果越好。這是由于：一方面是噴丸強度越高，沖擊力越大，彈丸的破碎率就越高；另一方面是噴丸強度較高時，表層組織在大的彈丸離心力作用下會遭到一定程度的損壞，其粗糙度加大，可能產(chǎn)生微小裂紋使殘余應力有所下降。因此，選擇適合的噴丸參數(shù)最重要。噴丸強度過低將無法得到較大的殘余壓應力和足夠深的表面強化層；噴丸強度太高易產(chǎn)生表面裂紋或齒輪硬化層的剝落等問題。
（2）齒輪在滲碳淬火及回火后往往因存在內(nèi)氧化軟層而在噴丸強化處理后易產(chǎn)生應力集中，成為疲勞裂紋源的起點，尤其在內(nèi)氧化嚴重情況下。對此只有采取有效控制以減少內(nèi)氧化層的方法，才能使強化噴丸真正提高齒輪的疲勞強度。
（3）噴丸強化只適用于滲碳或碳氮共滲后經(jīng)淬火的工件及其他高硬度工件的表面清理。硬度＜40HRC及形狀復雜的工件不易采用噴丸清理。當滲碳淬火后，表層有嚴重的網(wǎng)狀碳化物時，噴丸處理后，表面容易出現(xiàn)微裂紋。
