收藏本站| 联系我们| 网站地图 欢迎光临青岛鼎铸重工有限公司!
咨询热线: 15269204777

热门关键词: 通过式抛丸机,履带式抛丸机,吊钩式抛丸机,路面抛丸机

当前位置: 主页 > 新闻资讯 >

工程机械螺旋锥齿轮抛喷丸机强化工艺及试验研究

文章出处:本站   责任编辑:admin    发布时间:2019-01-05 11:41     点击数:-   【

摘要: 通过对装载机驱动桥螺旋锥齿轮样件进行抛喷丸机强化试验,研究了该齿轮齿面及齿根的抛喷丸机强化效果,找出抛喷丸机工艺参数中对抛喷丸机效果影响显著的参数,寻求合理的抛喷丸机强化工艺参数组合。通过模拟重载工况,在恒定扭矩及转速条件下进行加速疲劳台架试验,验证抛喷丸机强化工艺可提高螺旋锥齿轮的疲劳寿命。在不改变齿轮设计结构的情况下,从工艺角度提高齿轮强度,减少设计成本,为抛喷丸机强化工艺应用于工业生产奠定基础。

0、引言:

  随着装载机使用要求的不断提高,对驱动桥主传动螺旋锥齿轮的承载要求也越来越高。由于主传动螺旋锥齿轮在正常情况下的失效形式为齿面点蚀、剥落和齿根断裂,因此,齿面失效和齿根断裂是提高齿轮承载能力亟待解决的问题。从企业自身来讲,要求在不改变现有结构尺寸的基础上,进一步提高螺旋锥齿轮的得以应用。

 承载能力,在这种背景下,抛喷丸机强化工艺现有齿轮抛喷丸机强化工艺多用于汽车行业,以碳氮共渗齿轮齿面接触疲劳强度研究为主。张恒华等人 研究了抛喷丸机强化对轿车用新型齿轮钢表面应力状态的影响,得知抛喷丸机强化工艺可以使工件次表层峰值应力明显增大,当工艺参数数值提高到一定程度研究时,工件表面残余应力不再增加; 汪新衡等人了强力抛喷丸机对合金渗碳齿轮表面接触疲劳强度的影响,证明该工艺方法可提高齿轮齿面硬度,有效提高齿轮表面接触疲劳强度; 褚东宁等人后桥主动齿轮抛喷丸机强化工艺及设备,得知经强化抛喷丸机处理后,齿轮平均寿命提高约 40% ; 孙艳等人[9]研究了强化抛喷丸机对渗碳齿轮表面接触疲劳裂纹形成与扩展的影响,得出利用该工艺方法可显著提高齿轮齿面疲劳强度的结论。

  工程机械行业以大扭矩、重工况著称,抛喷丸机强化工艺是否适用于装载机驱动桥螺旋锥齿轮,需要进一步试验研究。本文通过对 20CrMnTi 螺旋锥齿轮样件成品进行抛喷丸机强化处理,对螺旋锥齿轮齿面及齿根抛喷丸机强化效果进行研究,通过台架试验得出主传动螺旋锥齿轮承载能力提高的程度,同时为抛喷丸机强化工艺应用于工业生产奠定基础。

1、试验样件及试验设备:

  试验采用 4 组同批次生产的某型装载机( 功率为162kW、工作质量为 16 500kg) 驱动桥螺旋锥齿轮副( 每组齿轮副含主动、被动齿轮各 1 个) ,其详细参数如表 1 所示。螺旋锥齿轮副的材料为 20CrMnTi,经渗碳淬火处理后在 KXS-2000P 气动抛喷丸机机上进行抛喷丸机强化处理,螺旋锥齿轮副渗碳工艺参数如表 2 所示。

 

 

表 1

螺旋锥齿轮副参数

 
         

部件

齿数

模数

齿宽 / mm

压力角 / ( °)

         

主动齿轮

9

10 929

73

22 5

被动齿轮

37

10 929

73

22 5

         

 

表 2

螺旋锥齿轮副渗碳工艺参数

     

炉区

温度 / 

碳势 / %

1

470

无碳势

2

930

1 0

3

930

1 0

4

920

0 9

5

850

0 8

6

850

0 05

推料周期为 50min; 淬火油温为 90  ; 回火温度为 180 

样件检测所用试验设备如下: 表面硬度( 硬度梯度) 通过 Everone MH6 硬度计检测,试验力为 0. 5N; 渗层深度、渗层碳化物和渗层残奥通过 AXiovert 40 MAT金相显微镜检测; 齿面及齿根表层残余压应力借助Proto-iXRD 型 X 射线应力分析仪来检测,测试执行ASTM-E915-2010 及EN-15305-2008标准。

 

2、工艺参数选择及样件检测方法:

 分别选用 4 组螺旋锥齿轮样件进行对比试验:对第 1 组样件进行普通抛丸( 采用抛丸机 Q3710,功率为 35kW) 处理; 对第 2、第 3、第 4 组样件进行抛喷丸机强化工艺处理,抛喷丸机强化工艺参数如表 3 所示,抛喷丸机强度定义参照 JB / T 10174 标准,样件检测方法如表4 所示。

 

表 3 抛喷丸机强化工艺参数

 

样件编号

弹丸材料

弹丸硬度 / HC

弹丸规格 / mm

抛喷丸机强度

抛喷丸机覆盖率 / %

           

2

钢丝切丸

45  50

0 9

0 5  0 6mm

180

3

钢丝切丸

50  55

0 9

0 4  0 5mm

180

4

钢丝切丸

55  60

0 9

0 5  0 6mm

180

 

 

表 4  样件检测方法

     

3

抛喷丸机强化试验结果及分析

               
                   

检测项目

 

检测位置

       

按表 3 所示抛喷丸机强化工艺参数对螺旋锥齿轮样件进

             

表层残余压应力

齿根凹齿面凸齿面三处表面及次表

 

抛喷丸机强化处理,按表 4 所示样件检测方法对样件进行检

 

层下 50μm 处

     
       

测,得到样件表层残余压应力结果样件渗层显微组织分析

渗层显微组织

齿轮表面

       

表面硬度

齿轮表面齿根处

     

结果,以及样件硬度梯度结果分别如表 5  表 7 所示

     

表 5

样件表层残余压应力结果

   
             

样件编号

部件

深度 / μm

齿根残余压应力 / MPa

凹齿面残余压应力 / MPa

凸齿面残余压应力 / MPa

                 

1

主动齿轮

0

 

 85 4

 

 62 8

 90 2

   

50

 

 262 7

 

 270 2

 252 0

2

主动齿轮

0

 

 615 3

 

 592 5

 584 6

   

50

 

 961 7

 

 936 0

 917 9

3

主动齿轮

0

 

 593 1

 

 585 4

 563 5

   

50

 

 990 5

 

 968 3

 952 1

4

主动齿轮

0

 

 675 2

 

 632 8

 640 9

   

50

 

 1 078 6

 

 1 023 0

 1 012 3

1

被动齿轮

0

 

 44 3

 

 57 0

 39 6

   

50

 

 216 4

 

 243 2

 231 8

2

被动齿轮

0

 

 583 7

 

 571 3

 579 7

   

50

 

 940 3

 

 928 6

 922 4

3

被动齿轮

0

 

 570 9

 

 549 4

 556 2

   

50

 

 974 2

 

 940 7

 930 4

4

被动齿轮

0

 

 618 2

 

 594 4

 580 2

   

50

 

 997 8

 

 968 5

 973 6

 

   

表 6

样件渗层显微组织分析结果

 
           

样件编号

部件

检测位置

渗层深度 / mm

碳化物级别

残奥组织级别

           

1

主动齿轮

齿面

1 70

1

2

   

齿根

1 35

1

3

2

主动齿轮

齿面

1 95

1

1

   

齿根

1

 50

1

1

3

主动齿轮

齿面

1

 90

1

1

   

齿根

1

 60

1

1

4

主动齿轮

齿面

1

 95

1

1

   

齿根

1

 75

1

1

1

被动齿轮

齿面

1

 70

1

2

   

齿根

1

 40

1

3

2

被动齿轮

齿面

1

 96

1

1

   

齿根

1

 65

1

1

3

被动齿轮

齿面

1

 97

1

1

   

齿根

1

 65

1

1

4

被动齿轮

齿面

2

 0

1

1

   

齿根

1 70

1

1

             

 

表 7 样件硬度梯度结果

 

样件

部件

检测

     

距表面不同距离时的样件硬度结果 / HV

     

编号

位置

                   

0 2mm

0 4mm

0 6mm

0 8mm

1 0mm

1 2mm

1 4mm

1 6mm

1 8mm

2 0mm

 
                         

1

主动齿轮

齿面

706 0

678 0

676 7

697 8

656 4

645 5

608 6

571 8

509 1

   

齿根

687 1

687 1

697 8

646 7

619 8

587 1

532 7

440 3

2

主动齿轮

齿面

719 3

720 6

715 3

705 7

695 6

683 9

643 2

615 7

580 0

525 9

   

齿根

720 2

718 5

710 2

699 8

690 3

650 6

610 6

509 3

3

主动齿轮

齿面

720 3

719 8

714 8

708 3

685 3

676 6

651 2

620 2

576 0

522 3

   

齿根

719 4

715 6

708 3

700 4

675 7

649 3

605 7

510 3

4

主动齿轮

齿面

718 6

725 7

728 6

711 6

697 8

681 9

649 1

616 4

584 0

530 9

   

齿根

724 3

715 8

704 6

700 5

691 1

652 8

606 4

518 6

1

被动齿轮

齿面

693 8

693 8

691 1

683 2

667 7

631 3

615 3

573 8

534 4

   

齿根

701 9

700 5

689 8

663 9

637 1

626 6

557 0

499 2

2

被动齿轮

齿面

720 4

729 6

705 7

685 6

685 2

653 4

615 7

623 4

575 3

550 6

   

齿根

738 2

717 2

707 4

693 8

690 8

670 2

633 6

573 8

512 5

3

被动齿轮

齿面

721 5

725 3

715 8

680 8

675 3

659 3

609 6

615 6

565 2

549 4

   

齿根

735 6

715 4

710 3

690 5

686 9

676 1

646 8

580 9

530 4

4

被动齿轮

齿面

722 8

731 5

708 8

689 8

687 1

660 4

650 8

625 5

577 8

558 9

   

齿根

740 3

720 2

717 4

700 8

697 8

685 2

658 6

631 3

580 5

                         

 

由表 5  表 7 所示可知,经抛喷丸机强化处理后的螺

变为马氏体组织,降低了残奥组织级别,且马氏体组

旋锥齿轮齿面及齿根表层残余压应力明显高于未喷

织的增加提高了样件的表面硬度,最终实现样件应力

丸强化的螺旋锥齿轮; 渗层显微组织得到改善,残奥

强化组织强化和相变强化的目的

组织级别降低 ( 见表 6 ) ; 样件表面硬度值得到提高

在同样抛喷丸机强化工艺条件下,工艺参数的选择直

( 见表 7这是由于强化抛喷丸机过程中,弹丸反复打击

接影响抛喷丸机效果,由表 5 和表 7 所示可以看出,本文第

材料表面,使得材料表面附近形成塑性变形层合理

组螺旋锥齿轮样件的表层残余压应力表面硬度优

地引入表面塑性变形层可以在材料表面形成残余压

于第 2 组和第 3 组,说明第 4 组抛喷丸机强化工艺参数相

应力场,使表面显微组织变形,将表面残余奥氏体转

对较优

 

4、台架试验及分析:

  台架试验意在分析抛喷丸机强化螺旋锥齿轮较普通抛丸螺旋锥齿轮寿命的提高幅度,因此,以螺旋锥齿轮损坏作为寿命终止指标,而不必考虑齿轮的实际损坏部位。

 根据表 5 测试结果,选择零件表面残余压应力值高的第 4 组试件所用抛喷丸机强化工艺参数作为台架试验用螺旋锥齿轮加工参数。试验模拟真实的重载工况 ( 实际工况的输出扭矩为 78 892N·m) ,采用加速疲劳试验。根据螺旋锥齿轮在重载工况下运转的时间所占设计寿命的比例,参考疲劳损伤原理,从而最终确定出试验输出扭矩。螺旋锥齿轮台架试验条件如表 8 所示,抛喷丸机强化螺旋锥齿轮台架试验结果如表 9所示。

 

表 8 螺旋锥齿轮台架试验条件

 

台架试

台架试验输出

台架试验终

台架试验螺旋

验试件

扭矩 / ( N·m)

止条件定义

锥齿轮寿命

       

普通抛丸和

110 367

螺旋锥齿轮损

螺旋锥齿轮损

抛喷丸机强化

 

坏为止

坏 ( 断齿 ) 时

螺旋锥齿

   

主动齿轮循

轮各 3 对

   

环次数

       

 

表 9

抛喷丸机强化螺旋锥齿轮台架试验结果

         

工艺

试件

试验扭矩 /

螺旋齿轮

损坏

方案

编号

N·m)

寿命 / 万次

齿轮

           

普通抛丸

1

110 367

35

 57

主动齿轮

普通抛丸

2

110 367

31

 76

主动齿轮

普通抛丸

3

110 367

41

 4

主动齿轮

抛喷丸机强化

1

110 367

61

 92

被动齿轮

抛喷丸机强化

2

110 367

54

 60

被动齿轮

抛喷丸机强化

3

110 367

58

 75

主动齿轮

   由表 9 所示可知,普通抛丸螺旋锥齿轮的台架疲劳寿命平均为 36. 24 万次,抛喷丸机强化螺旋锥齿轮的台架疲劳寿命平均值为 58. 42 万次,平均寿命提高了61% 。试验结果显示普通抛丸螺旋锥齿轮损坏部位均为主动齿轮,抛喷丸机强化螺旋锥齿轮的损坏部位为主动齿轮或被动齿轮。这是由于螺旋锥齿轮采用等强度设计,其加工精度、装配累积误差等因素对强度均有影响,且在选择试件时存在随机性,所以是主动齿轮还是被动齿轮先损坏即损坏先后顺序及其失效模式具有不确定性。

  综上所述可知,采用抛喷丸机强化工艺可以使螺旋锥齿轮平均寿命提高 61% ,因此,无需改变现有结构设计即可达到提高螺旋锥齿轮承载能力的目的。

5、结语:

1) 抛喷丸机强化工艺可使装载机驱动桥螺旋锥齿轮齿面及齿根硬度和强度大大提高,从而达到使螺旋锥齿轮应力强化、组织强化和相变强化的目的。

2) 抛喷丸机强化工艺能使螺旋锥齿轮平均寿命提高61% ,无需改变现有齿轮结构设计,即可实现提高齿轮的承载能力,从而减少设计成本,为抛喷丸机强化工艺应用于工业生产奠定基础。

 某企业生产的螺旋锥齿轮采用抛喷丸机强化工艺后,三包期内故障率累积下降 65. 9% ,有效地改善了产品质量,提高了市场竞争力,节约了成本。