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噴丸強化在新能源汽車軸齒上的應(yīng)用

發(fā)布時間:2020.03.17    點擊數(shù): 91505
      針對某新能源輸入軸上仿真安全因子偏低的齒輪進行噴丸強化,結(jié)合其噴丸強化重點區(qū)域進行了有效的工裝和噴丸飽和曲線工藝設(shè)計。同時,對噴丸后的齒面粗糙度以及規(guī)定位置進行了殘余應(yīng)力測試。噴丸后的輸入軸應(yīng)力合格及滿足整車耐久測試要求,確認合理的噴丸能有效改善軸齒的應(yīng)力狀態(tài),提高其彎曲和接觸安全系數(shù)。
 
       隨著全球能源和生態(tài)環(huán)境的日益惡化,新能源汽車開發(fā)已成為各國汽車業(yè)積極探索的焦點。其中,電池、電驅(qū)、電控三電系統(tǒng)則是各大主機廠在新能源汽車開發(fā)中迫切需要掌握的核心技術(shù)。純電新能源電驅(qū)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)速、高效率、輕量化等特征。據(jù)統(tǒng)計,現(xiàn)有80%以上電驅(qū)系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速均達到10000~18000r/min。高轉(zhuǎn)速、高效率的電驅(qū)系統(tǒng),對差減箱中起減速、傳動作用的軸齒提出更高的機械性能和技術(shù)要求。某單擋純電動新能源汽車減速箱的傳動系統(tǒng)和輸入軸模型見圖1和圖2,其中輸入軸起將電機高轉(zhuǎn)速扭矩傳遞給中間軸組件軸齒、差速器直至輪端的作用。其中,輸入軸由四部分結(jié)構(gòu)組合而成: 前/后軸承安裝位、齒輪、花鍵。
 
 
 
圖1 一擋純電汽車減速箱傳動模型       圖2 輸入軸模型
 
 
 
       按照CAE仿真校核結(jié)果,輸入軸的齒輪部位彎曲和接觸安全因子均低于1.1,需局部強化處理。輸入軸的齒輪參數(shù)如改變將導(dǎo)致布置包絡(luò)及速比的改變。結(jié)合過往經(jīng)驗及生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀,采取在輸入軸的齒輪表面噴丸進行強化。
 
 
 
噴丸強化原理及效果評價
 
(1) 噴丸強化原理
 
       噴丸強化又叫精控噴丸,是一種冷處理工藝,工件表面在小的圓形球體的打擊下產(chǎn)生屈服,在釋放原有殘余應(yīng)力的同時,根據(jù)所處理的材料不同產(chǎn)生一定殘余壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力能夠降低工作應(yīng)力,獲得較好的動力特性。噴丸強化一方面使零件表面產(chǎn)生塑性變形,從而在表層下形成一種殘余壓應(yīng)力; 另一方面導(dǎo)致材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和亞晶粒細化,促使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。這種效果將使得零件表層獲得加強,并能有效阻止疲勞、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕裂紋、氫化裂紋、磨損、擦傷、孔隙侵蝕等。
 
(2) 噴丸強化效果評價
 
       目前,針對噴丸強化效果評價,應(yīng)用最廣的是弧高值測試法,其方法及要求參照SAEJ442a 和SAE443 標(biāo)準。其主要內(nèi)容是: 用特定規(guī)格的彈簧鋼試片,通過檢測噴丸前后試片的形狀變化反映噴丸效果。汽車行業(yè)中一般選用A型阿爾門(Almen) 試片。對阿爾門試片進行單面噴丸時,表層會在彈丸作用下參與拉伸形變,朝向噴丸的那面形成球面彎曲。噴丸后取下試片,用專用阿爾門量規(guī)測定其拉伸形變量( 即弧高值) 。
       噴丸效果另一種評價方法是測量噴丸后工件的殘余壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力的測量方法可參照SAEJ784a 標(biāo)準中推薦的X射線衍射法:X射線的入射和衍射束必須平行于齒輪的齒根,圓柱直齒輪和圓柱螺旋齒輪上的測量位置應(yīng)當(dāng)在齒根的寬度中央,照射區(qū)域必須集中在齒根圓角的中心,不能橫向延伸超出規(guī)定的齒根圓角表面深度的測量點,照射區(qū)域大小可通過直光速和適當(dāng)遮蓋齒根表面實現(xiàn)控制。同時規(guī)定,在每個受檢齒輪上,最少要任選兩個齒進行測量評估,且兩齒相隔180°。因現(xiàn)有汽車齒輪大部分齒面的齒形齒向均采用磨齒工藝,而將齒根位置的噴丸殘余應(yīng)力測試作為檢測依據(jù)。
 
       過去,噴丸工藝參數(shù)主要依靠經(jīng)驗和不斷的臺架疲勞循環(huán)試驗確認?,F(xiàn)在,國內(nèi)已經(jīng)有不少學(xué)者和行業(yè)從業(yè)者借助ANSYS、DEFORM 等仿真軟件進行強化噴丸過程的仿真模擬、殘余應(yīng)力計算,實現(xiàn)噴丸工藝參數(shù)的初步選擇。
 
 
 
試樣材料及技術(shù)要求
 
 
( 1) 噴丸試樣材料及表面性能
 
輸入軸材料為SAE8620H,其化學(xué)成分如表1所示,為低碳合金鋼,主要應(yīng)用于齒輪軸類零件。
 
 
       根據(jù)輸入軸關(guān)鍵生產(chǎn)工藝流程圖(見圖3),噴丸前工件熱處理為滲碳淬火狀態(tài)。磨齒后,其齒面表面硬度檢測結(jié)果見圖4。據(jù)抽樣檢測,表面維氏硬度換算成洛氏硬度基本上在59~61.5HRC,滿足設(shè)計要求58~63HRC。
 
 
( 2) 輸入軸噴丸技術(shù)要求
 
      輸入軸噴丸區(qū)域定義為圖5中S區(qū)域,即齒寬40.5mm范圍強化噴丸。對于選擇區(qū)域F,除圖紙要求外,一般為1~2mm寬噴丸的過渡區(qū)。對于遮蔽防護區(qū)M,即花鍵、軸承安裝位,則需要嚴格的保護。
 
 
       輸入軸噴丸強化區(qū)域為齒面和齒根部分。因為齒輪模數(shù)及數(shù)量限制,噴丸過程中存在丸粒濺射噴至齒面,故對節(jié)圓齒面和齒根均進行檢測,但以齒根位置檢測點1作為其是否合格的主要標(biāo)準。殘余應(yīng)力值要求的檢測點位置及深度見表2,規(guī)定單齒各檢測2個點,每點至少3個不同深度。
 
 
 
 
噴丸強化夾具及工藝
 
 
(1) 噴丸強化設(shè)備及夾具設(shè)計
 
噴丸設(shè)備采用某國產(chǎn)行星轉(zhuǎn)臺式噴丸設(shè)備,它有兩個噴槍頭,其噴丸氣壓、旋轉(zhuǎn)速度、噴丸時間等相關(guān)參數(shù)可實現(xiàn)微機控制。選用GS40鋼丸, 其粒度0.3mm左右,硬度55~62HRC。參照圖5所示的輸入軸噴丸區(qū)域定義,設(shè)計帶有保護軸承、花鍵部位噴丸夾具(見圖6) 。
 
圖6 輸入軸強噴夾具實物
 
(2) 噴丸強化飽和曲線及噴丸表面狀態(tài)
 
       按照標(biāo)準噴丸強化操作流程,將帶工件夾具固定在噴丸設(shè)備回轉(zhuǎn)臺上,在氣壓為0.4MPa、丸粒流量為1.81kg/min、旋轉(zhuǎn)速度30r/min、噴槍移動速度為1000 mm/min 等條件下進行噴丸飽和曲線測試。經(jīng)在工件涂色熒光檢測可達到覆蓋率200%以上,計算得出輸入軸噴丸強化曲線見圖7。由圖7可知:單件噴丸時間t為1.24min,其覆蓋率為150%以上,弧高值維持在0.35以上;200%以上覆蓋率,則噴丸時間為2t即2.48min。據(jù)此,輸入軸強噴標(biāo)準工藝為:噴丸時間t為2.48min/件,弧高值0.37~0. 45,噴丸前后對比如圖8所示。噴丸前,砂輪磨齒痕跡可辨,表面較亮; 噴丸后,磨齒痕跡已完全被鋼丸覆蓋,為鋼丸本色。需要注意的是用于測試噴丸強度試驗的Amen 試片固定位置應(yīng)保證與待噴齒輪的齒面在同一高度及角度范圍內(nèi),否則有可能造成工件實際弧高值與測試的飽和曲線不符。
 
 
 
輸入軸噴丸前后齒面狀態(tài)目測也存在差異。
 
       選用3組磨齒后輸入軸測試噴丸前后粗糙度變化,其齒面硬度分別為59.3HRC、60.5HRC、61HRC。齒面噴丸前后粗糙度對比如表3,發(fā)現(xiàn)噴丸后粗糙度呈現(xiàn)增大趨勢,滿足齒面要求小于Ra0.8μm。另噴丸后,表面硬度越高的輸入軸,其粗糙度越小。因此,必須重點關(guān)注齒輪需表面強噴的表面硬度及磨齒后粗糙度。
 
 
 
 
殘余應(yīng)力測試結(jié)果
 
       為確認輸入軸強噴的效果及實際應(yīng)力情況,采用Proto-LXRD型X射線應(yīng)力分析儀對齒面和齒根位置進行殘余應(yīng)力檢測。要求:測量同一根輸入軸的均布A、B、C三個齒的齒根、齒面殘余應(yīng)力值。三個齒的齒根和齒面殘余應(yīng)力沿層深分布情況如圖9 所示。
 
圖9 輸入軸噴丸強化齒面、齒根沿層深殘余應(yīng)力分布曲線
 
 
       由圖9可知: 輸入軸試樣噴丸后,其齒根和齒根表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。比如,A齒的齒根,其殘余應(yīng)力大小由表面深度10μm的-820MPa到30μm的-935MPa,說明噴丸改善了輸入軸噴丸區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)分布,提高了其彎曲和接觸疲勞壓應(yīng)力。
        同時,殘余壓應(yīng)力隨著層深呈現(xiàn)一定規(guī)律變化,隨層深增加,壓應(yīng)力增大。如圖9所示: 在30~50μm附近,出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力峰值; 隨后,呈現(xiàn)減弱趨勢。因為輸入軸所用的齒輪鋼經(jīng)滲碳淬火,屈服強度較大,不易發(fā)生塑性變形。在噴丸強度一定的條件下,其塑性變形而成的殘余層深基本不變。當(dāng)然,齒面強噴后產(chǎn)生壓應(yīng)力大于齒根位置。這主要是因為鋼丸噴射方向與齒根位置基本垂直,而射入齒根的鋼丸部分直射和折返射形成對齒面多次強化效果。
       最后,輸入軸裝機在整車進行相關(guān)耐久測試,拆解后表面未出現(xiàn)明顯磨損痕跡(見圖10) ,證明輸入軸的齒面經(jīng)噴丸強化后滿足整車使用性能需求。
 
 
圖10 整車耐久拆解的噴丸輸入軸
 
(1) 輸入軸齒面進行噴丸強化處理,改變了其滲碳淬火磨齒后的應(yīng)力狀態(tài),且由磨齒的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,可有效提高齒輪的彎曲和接觸應(yīng)力因子;
 
(2) 對于待強化的零件,需合理設(shè)計噴丸強化工裝和工藝,關(guān)注噴丸前后零件的表面硬度和粗糙度變化;
 
(3)噴丸后齒輪的齒根和齒面會出現(xiàn)不同的殘余壓應(yīng)力,且其與噴丸工藝的飽和曲線有一定關(guān)系。
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