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干貨分享┃噴丸對(duì)齒輪接觸疲勞作用

發(fā)布時(shí)間:2022-07-12 | 來(lái)源:齒輪傳動(dòng) | 作者:何家文
   高精齒輪制造技術(shù)研討會(huì)每年舉辦一屆。研討內(nèi)容涉及齒輪加工先進(jìn)制造技術(shù)、新能源汽車自動(dòng)變速傳動(dòng)技術(shù)、高精密航空齒輪制造技術(shù)、精密減速器制造技術(shù)、齒輪精密熱處理與抗疲勞制造等議題,會(huì)議內(nèi)容兼顧齒輪行業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與需求,多角度交流齒輪行業(yè)技術(shù)成果與未來(lái)發(fā)展動(dòng)向。自首屆舉辦以來(lái),得到了企業(yè)的大力支持和積極響應(yīng)。

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本期分享

噴丸對(duì)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(duì)滑動(dòng)物體表面的微突體接觸形成應(yīng)力峰,致表面磨損或剝落如圖 1。按深度區(qū)分,磨損或點(diǎn)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(fā)生幾率,磨損或點(diǎn)蝕為多數(shù)。

  

 

  圖 3

  

 

  圖 4

  二、硬度和殘余應(yīng)力作用

  點(diǎn)蝕和剝落都由剪應(yīng)力引起,赫芝應(yīng)力在表下出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值是引發(fā)表下源的驅(qū)動(dòng)力,有裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。磨損在理論上也應(yīng)該有裂紋萌生,擴(kuò)展,但過(guò)程短且難區(qū)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(nèi)磨損量和硬度成正比如圖 5。

  

 

  圖 5

  三、接觸疲勞有自身強(qiáng)化作用

  接觸疲勞時(shí)相對(duì)滑動(dòng),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(xì)晶的白亮層,硬度比疲勞前提高一倍以上。圖 7 是鋼軌運(yùn)行不同里程的表面組織, 經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行逐漸形成白亮層。故硬度隨往復(fù)次數(shù)逐漸上升。

  

 

  圖6

  

 

  圖7

  四、噴丸既是強(qiáng)化也有損傷

  噴丸和接觸疲勞有相同硬化機(jī)理,掌握”度”成為利弊的關(guān)鍵。圖 8 為 20CrMnTi 滲碳齒輪噴丸前后的硬度和接觸疲勞強(qiáng)度。存在最佳噴丸強(qiáng)度,過(guò)高強(qiáng)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(yàn)的 S-N 圖, 按原始接觸疲勞限 1580MPa 計(jì),噴丸后提高近 15%。

  

 

  圖9

  圖10 是噴丸降低接觸疲勞壽命的實(shí)例。因?yàn)橛貌A鑷娡瑁瑖娡鑿?qiáng)度低,但接觸疲勞的載荷卻很高,噴丸未起強(qiáng)化作用,反使壽命下降。

  噴丸的負(fù)面影響是粗糙度提高,摩擦系數(shù)增加。當(dāng)今多用二次或多次噴丸,在保證強(qiáng)化的同時(shí),改善表面形貌。

  

 

 圖 10

  五、噴丸強(qiáng)化提高接觸疲勞機(jī)理

  接觸疲勞受剪應(yīng)力控制,為方便,此處用拉伸曲線說(shuō)明。周期載荷中有加載和卸載, 圖 11 曲線顯示在塑性區(qū),用原來(lái)載荷加載,不會(huì)使材料變形,而是進(jìn)入彈性安定狀態(tài)。只有高于原載荷才發(fā)生變形,出現(xiàn)棘輪效應(yīng)。即接觸疲勞的應(yīng)變是一個(gè)逐漸積累過(guò)程,積累到一定程度,塑性耗盡就發(fā)生磨損或剝落。

  

 

  圖 11

  正常情況下接觸疲勞的應(yīng)變積累有相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程如圖 12。噴丸強(qiáng)化可以很快達(dá)到飽和值如圖 13。強(qiáng)化后表面具有高屈服強(qiáng)度,改變棘輪效應(yīng)的發(fā)展過(guò)程,可以提高接觸疲勞壽命。

  

 

  圖12

  

 

  圖13

  表面強(qiáng)化的殘余壓應(yīng)力是三維水靜應(yīng)力,雖然測(cè)得的是正應(yīng)力,但也可抑制傾斜裂紋的擴(kuò)展。圖 14 是滾珠鋼的殘余壓應(yīng)力對(duì)接觸疲勞破壞幾率的作用。圖 15 是不同殘余奧氏體經(jīng)不同滾壓力滾壓后接觸疲勞強(qiáng)度值,具體數(shù)值歸納為圖 16。

  

 

  圖14

  

 

  圖15

  

 

  圖 16

  六、材質(zhì)對(duì)接觸疲勞作用

  剝落是裂紋萌生擴(kuò)展過(guò)程,疲勞裂紋選擇最薄弱部位延伸,如圖 17,強(qiáng)烈變形可以使組織均勻化。圖 18 是不同缺陷數(shù)的接觸疲勞失效幾率,經(jīng)表面均勻化,5 個(gè)缺陷的曲線可以和 1 個(gè)缺陷的曲線相重合。

  

 

  圖 17

  

 

  圖 18

  七、潤(rùn)滑液添加劑起重要作用

  齒輪一般在潤(rùn)滑條件下運(yùn)行,潤(rùn)滑油中的添加劑對(duì)接觸疲勞起關(guān)鍵作用。圖 19 是不同潤(rùn)滑狀態(tài),發(fā)生磨損多為邊界潤(rùn)滑如圖 20。潤(rùn)滑液中的添加劑在齒輪表面形成吸附膜或反應(yīng)膜如圖 21。

  

 

  齒輪用潤(rùn)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(qiáng)親和力,易于形成反應(yīng)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(wú)潤(rùn)滑下抗磨性遠(yuǎn)高于鋼,但用在有潤(rùn)滑的齒輪上,磨損量卻高于鋼,就是因?yàn)樘砑觿o(wú)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(huì)導(dǎo)致摩擦、磨損改變,圖 24 是在基礎(chǔ)潤(rùn)滑油中加 1%的不同添加劑,摩擦系數(shù)可能有成倍變化,且變化值隨外載而異。

  

 

  圖24

  目前國(guó)內(nèi)齒輪的接觸疲勞試驗(yàn)都是用臺(tái)架試驗(yàn),潤(rùn)滑成為影響結(jié)果的重要因素。雖然可以用相同的潤(rùn)滑油,但供油量,油品不同程度老化等因素導(dǎo)致的分散度不可忽略。

  

 

  2018高精齒輪制造技術(shù)研討會(huì)參會(huì)代表合影留念

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