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        干貨分享┃噴丸對齒輪接觸疲勞作用

        發布時間:2022-07-12 | 來源:齒輪傳動 | 作者:何家文
           高精齒輪制造技術研討會每年舉辦一屆。研討內容涉及齒輪加工先進制造技術、新能源汽車自動變速傳動技術、高精密航空齒輪制造技術、精密減速器制造技術、齒輪精密熱處理與抗疲勞制造等議題,會議內容兼顧齒輪行業上下游產業鏈的發展與需求,多角度交流齒輪行業技術成果與未來發展動向。自首屆舉辦以來,得到了企業的大力支持和積極響應。

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        本期分享

        噴丸對齒輪接觸疲勞作用

          --西安交大 何家文

          

         

          一、接觸疲勞的磨損和剝落

          相對滑動物體表面的微突體接觸形成應力峰,致表面磨損或剝落如圖 1。按深度區分,磨損或點蝕深度約 10μ,剝落深度 20-100μ,如圖 2。

          

         

          圖 1

          

         

          圖 2

          圖3 顯示磨損形貌和剝落裂紋。圖 4 是齒輪接觸疲勞不同失效形式發生幾率,磨損或點蝕為多數。

          

         

          圖 3

          

         

          圖 4

          二、硬度和殘余應力作用

          點蝕和剝落都由剪應力引起,赫芝應力在表下出現剪應力峰值是引發表下源的驅動力,有裂紋萌生和擴展過程。磨損在理論上也應該有裂紋萌生,擴展,但過程短且難區分,一般看作表面材料的移除,主要取決于硬度。滲碳齒輪硬度范圍內磨損量和硬度成正比如圖 5。

          

         

          圖 5

          三、接觸疲勞有自身強化作用

          接觸疲勞時相對滑動,表面剪切變形,和噴丸、滾壓作用相似。圖 6 是中碳鋼表面接觸疲勞后生成細晶的白亮層,硬度比疲勞前提高一倍以上。圖 7 是鋼軌運行不同里程的表面組織, 經長期運行逐漸形成白亮層。故硬度隨往復次數逐漸上升。

          

         

          圖6

          

         

          圖7

          四、噴丸既是強化也有損傷

          噴丸和接觸疲勞有相同硬化機理,掌握”度”成為利弊的關鍵。圖 8 為 20CrMnTi 滲碳齒輪噴丸前后的硬度和接觸疲勞強度。存在最佳噴丸強度,過高強度造成損傷,降低壽命。

          

         

          圖8

          圖9 是齒輪噴丸后接觸疲勞試驗的 S-N 圖, 按原始接觸疲勞限 1580MPa 計,噴丸后提高近 15%。

          

         

          圖9

          圖10 是噴丸降低接觸疲勞壽命的實例。因為用玻璃丸噴丸,噴丸強度低,但接觸疲勞的載荷卻很高,噴丸未起強化作用,反使壽命下降。

          噴丸的負面影響是粗糙度提高,摩擦系數增加。當今多用二次或多次噴丸,在保證強化的同時,改善表面形貌。

          

         

         圖 10

          五、噴丸強化提高接觸疲勞機理

          接觸疲勞受剪應力控制,為方便,此處用拉伸曲線說明。周期載荷中有加載和卸載, 圖 11 曲線顯示在塑性區,用原來載荷加載,不會使材料變形,而是進入彈性安定狀態。只有高于原載荷才發生變形,出現棘輪效應。即接觸疲勞的應變是一個逐漸積累過程,積累到一定程度,塑性耗盡就發生磨損或剝落。

          

         

          圖 11

          正常情況下接觸疲勞的應變積累有相當長的過程如圖 12。噴丸強化可以很快達到飽和值如圖 13。強化后表面具有高屈服強度,改變棘輪效應的發展過程,可以提高接觸疲勞壽命。

          

         

          圖12

          

         

          圖13

          表面強化的殘余壓應力是三維水靜應力,雖然測得的是正應力,但也可抑制傾斜裂紋的擴展。圖 14 是滾珠鋼的殘余壓應力對接觸疲勞破壞幾率的作用。圖 15 是不同殘余奧氏體經不同滾壓力滾壓后接觸疲勞強度值,具體數值歸納為圖 16。

          

         

          圖14

          

         

          圖15

          

         

          圖 16

          六、材質對接觸疲勞作用

          剝落是裂紋萌生擴展過程,疲勞裂紋選擇最薄弱部位延伸,如圖 17,強烈變形可以使組織均勻化。圖 18 是不同缺陷數的接觸疲勞失效幾率,經表面均勻化,5 個缺陷的曲線可以和 1 個缺陷的曲線相重合。

          

         

          圖 17

          

         

          圖 18

          七、潤滑液添加劑起重要作用

          齒輪一般在潤滑條件下運行,潤滑油中的添加劑對接觸疲勞起關鍵作用。圖 19 是不同潤滑狀態,發生磨損多為邊界潤滑如圖 20。潤滑液中的添加劑在齒輪表面形成吸附膜或反應膜如圖 21。

          

         

          齒輪用潤滑液添加劑主要為極壓抗磨型,如二烷基二硫代磷酸鋅,圖 22。硫、磷和鋼表面有很強親和力,易于形成反應膜。

          

         

          圖22

          圖 23 是金剛石鍍膜和鋼的磨損量比較。金剛石比鋼硬幾倍,無潤滑下抗磨性遠高于鋼,但用在有潤滑的齒輪上,磨損量卻高于鋼,就是因為添加劑無法在金剛石表面形成減磨膜所致。

          

         

          圖23

          添加劑的少量變化會導致摩擦、磨損改變,圖 24 是在基礎潤滑油中加 1%的不同添加劑,摩擦系數可能有成倍變化,且變化值隨外載而異。

          

         

          圖24

          目前國內齒輪的接觸疲勞試驗都是用臺架試驗,潤滑成為影響結果的重要因素。雖然可以用相同的潤滑油,但供油量,油品不同程度老化等因素導致的分散度不可忽略。

          

         

          2018高精齒輪制造技術研討會參會代表合影留念

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