表面完整性是評價零件表面質(zhì)量的一個重要指標，一方面包括表面紋理變化，例如表面硬度、表面粗糙度等，另一方面包括物理性質(zhì)變化，例如微觀組織等。其中殘余應力是物理性質(zhì)變化中的一個重要特征量。經(jīng)過表面強化后，齒輪表面產(chǎn)生的殘余壓應力可以有效延緩疲勞裂紋的萌生時間，并抑制現(xiàn)有裂紋的擴展，進而延長零件的使用壽命。由于噴丸實際操作的研究周期長、成本高，且難以深入研究強化機理，因此大量學者采用有限元數(shù)值仿真對傳動齒輪進行殘余壓應力的預判斷，為揭示噴丸強化機理提供了理論指導。通過計算機軟件模擬不同參數(shù)下齒輪中殘余應力的分布，確定達到最優(yōu)噴丸強化效果的不同類型的參數(shù)大小。隨著模擬仿真技術的發(fā)展，噴丸數(shù)值仿真分析的對象也從簡單靶材變?yōu)閺碗s三維材料模型，從單一有限元分析變?yōu)橛邢拊碗x散元耦合分析。噴丸仿真模擬結果能夠給予噴丸試驗一些指導作用，可以有效避免大量的重復試驗，減少浪費，因此本文將探討噴丸仿真中不同參量對傳動齒輪表面殘余壓應力的影響。1、噴丸速度關于強力噴丸對齒輪表面完整性的影響，Hua等基于Fuhr等對重載車輛傳動軸噴丸進行了研究，研究表明，在彈丸初速度為80~200m/s條件下，與速度為80m/s相比，當速度為160m/s時齒輪表面的最大殘余壓應力至少提高了2倍，經(jīng)噴丸處理后，齒輪表面平均疲勞壽命提高約31.5倍，噴丸前疲勞裂紋的延緩擴展過程占整體疲勞壽命的60%，剩余40%為加速擴展過程，這將導致齒輪的服役壽命大幅縮減，但是噴丸后的裂紋延緩擴展部分增至80%，疲勞壽命得到大幅提高，因此得出入射速度越大、噴丸后引入的殘余壓應力越大的結論。Dias等深入研究發(fā)現(xiàn)，在0.35mm的彈丸直徑下，隨著彈丸速度從60m/s增大到180m/s，傳動齒輪表面最大殘余壓應力值達到了960MPa，此時噴丸速度為100m/s，裂紋擴展速率降至10?3mm/cyc，疲勞裂紋擴展壽命提高幅度可達23%。王玖等在單一速度下進行了研究，結果如圖1所示。圖10.35mm彈丸直徑和不同噴丸速度下鋼板殘余應力沿厚度分布結果研究發(fā)現(xiàn)，隨著彈丸速度的增大，傳動齒輪表面的殘余壓應力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此王玖等否認了文獻中提出的單一增大的結論，他們認為通過單一參數(shù)選取的最優(yōu)殘余壓應力層不符合實際需求，實際上噴丸速度還受噴丸中的彈丸流量以及噴丸壓力等設備參數(shù)的影響，因此對噴丸速度與殘余壓應力進行研究需要綜合其他噴丸參數(shù)。王玖等對重載車輛的傳動齒輪進行了噴丸，研究發(fā)現(xiàn)，適當提高齒輪表面的噴丸速度，噴丸強度會相應增大，強化效果也會相應提高。但當噴丸速度過高時，彈丸的破碎率會顯著增大，強化后的效果反而會出現(xiàn)減弱的現(xiàn)象，得出高強度與高速度的組合也未必會產(chǎn)生顯著強化效果的結論。綜上可知，當彈丸直徑不同時，最佳彈丸速度也會不同，在相同彈丸直徑或者強度下，殘余壓應力會隨著入射速度的增大而趨于特定的飽和殘余壓應力值。當噴丸速度過大時，沖擊產(chǎn)生的能量也會過大，當齒面達到最大形變量后，隨著速度的增大，齒輪表面的形變量已飽和，由于塑性變形影響著殘余壓應力的形成，相對應的表面殘余壓應力不再提高，當彈丸撞擊齒輪后，它在反彈路程中將遇到正向噴射的彈丸。除此之外，當速度過大時，兩者相撞會改變正向彈丸的沖擊路線，使實際撞擊的粒子量減少，最后沖擊的能量和強度也隨著減小。因此，噴丸強化效果并不是持續(xù)隨著入射速度的增大而增強，而是存在一個變化范圍。上述仿真分析結果表明，在其他參數(shù)相同的條件下，傳動部件表面殘余壓應力隨著入射速度的增大而呈現(xiàn)先增大后飽和的趨勢，通常噴丸的入射速度不會超過200m/s，在與其他參數(shù)耦合的情況下，具體的彈丸速度要依據(jù)表面完整性的需求而定。2、噴丸角度研究結果表明，影響殘余壓應力層最主要的因素是噴丸角度，主要原因包括：1)當彈丸以一個角度θ(θ<90°)撞擊齒面時，齒輪表面的彎曲以及彈丸流撞擊表面的角度都會使θ減小，使噴丸后的真實效果不能達到預期，噴丸角度對凹坑尺寸有較大影響，當θ等于90°時，球形丸料會產(chǎn)生一個圓形的凹坑，如果θ小于90°,則凹坑是橢圓的；2)在周長相等的橢圓和圓工況下，圓的面積要大于橢圓面積，形成圓形彈坑將會使噴丸面積更大，撞擊齒面面積越大，單位時間內(nèi)傳導的能量就越多，形成的殘余壓應力越大，又因為圓的直徑大于橢圓短軸，因此撞擊后產(chǎn)生的殘余壓應力層深度更大，所以大入射角度會影響殘余應力場的分布和幅值，在實際噴丸中為了得到最佳的表面強化效果，應盡量使彈丸入射方向與零件表面呈垂直狀態(tài)，高殘余壓應力的引入會使齒輪表面致密化，導致原有空位消失，形成微裂紋閉合，90°的入射角度能最大化減小晶粒之間的間距，阻礙裂紋的擴展。3、彈丸直徑目前，機械噴丸強化標準丸粒直徑尺寸為0.2~3.4mm。徐剛等對某重載車輛傳動齒輪表面進行機械噴丸強化，結果顯示，隨著彈丸直徑從0.28mm增到1.16mm，表面殘余壓應力從173MPa增到216MPa，并在1.16mm的直徑條件下，殘余壓應力層深度可達最大值125μm，裂紋最大擴展速率降低約12%，這是因為彈丸直徑的增大會加劇軸表面核心材料的彈性變形，因此增大彈丸直徑后，表面強化效果會得到明顯加強。孟慶帥等在噴丸速度為60m/s，彈丸直徑分別為0.4、0.6、0.8、1.0mm的4種工況下，對傳動齒輪噴丸后嚙合表面最大殘余壓應力值進行了分析，結果如圖2所示。圖2不同彈丸直徑噴丸強化后靶材深度方向的殘余應力分布云圖當彈丸直徑為0.4mm時，噴丸產(chǎn)生的殘余壓應力及其深度和最大殘余壓應力及其深度分別為280MPa、0.2mm、785MPa、0.05m，而在彈丸直徑為1.0mm時，表面可以在深度為0.49mm處獲得510MPa的殘余壓應力，在深度為0.18mm處獲得946MPa殘余壓應力，因此隨著彈丸直徑的增大，齒輪表層為壓應力，內(nèi)部為拉應力，最大壓縮殘余應力出現(xiàn)在次表面，壓縮殘余應力層的尺寸和深度隨著彈丸直徑的增大而增大，內(nèi)部的拉應力區(qū)域也隨之變大，經(jīng)過彈丸高速沖擊后傳動齒輪引入的彈坑隨著彈丸直徑的增大而增大，在z軸上的位移也隨之增大。文獻對不同彈丸直徑下齒輪表面殘余應力沿厚度方向的分布情況進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，彈丸直徑越大，越容易引入較高的殘余壓應力，與1.0~1.7mm的直徑相比，在直徑2mm的工況下可以產(chǎn)生550MPa的殘余壓應力，并且在距離表面深度方向上，殘余壓應力的范圍也隨直徑的增大而增大，在達到最大應力值后，逐漸下降并趨于平穩(wěn)，避免了表面出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，在疲勞裂紋由淺向深的擴展過程中，最大擴展速率降幅約為36.7%。因此，噴丸強化層對齒輪裂紋擴展起到抑制作用。在0.2~3.4mm的彈丸尺寸范圍內(nèi)，彈丸直徑越大，傳動齒輪表面引入的殘余壓應力及其深度越大，齒輪抗疲勞強度的提高效果越顯著，使用壽命越長。雖然選用直徑較大的彈丸會產(chǎn)生較大的殘余壓應力層，齒輪表面的彈坑也較深，但當齒輪在z軸方向的位移過大時，齒輪表面容易損傷。因此，傳統(tǒng)噴丸手段所使用的彈丸直徑一般不超過2mm，撞擊后的彈丸坑連接而成的淺小裂紋為非擴展裂紋，齒面的主裂紋平行于表面繼續(xù)擴展，分叉裂紋再次發(fā)生分叉向下擴展，從而使裂紋擴展的速率減小。此外，噴丸最佳效果是殘余應力水平大約為齒輪表面變形層的屈服強度的一半，如果直徑過大，與對齒輪表面進行過多的噴丸工藝相比，將會削弱齒輪表面的延展性，并使齒輪產(chǎn)生自行退火或者殘余應力松弛的傾向。4、彈丸材質(zhì)噴丸強化中的彈丸類型一般有鑄鐵丸、陶瓷丸、鑄鋼丸、玻璃丸、不銹鋼丸。按材質(zhì)密度從大到小的順序依次為鑄鋼、陶瓷、玻璃。通常情況下，鋼制彈丸密度大，會使噴丸后引入的殘余壓應力變大。研究表明，隨著彈丸材質(zhì)密度的增大，撞擊后形成的殘余壓應力層深也在增大，并且坑深的大小較多依賴于彈丸密度的大小。Chen等研究了微粒子表面噴丸處理技術，研究表明，不同材質(zhì)的彈丸對齒面的影響效應是不同的，鋼制彈丸噴射撞擊后產(chǎn)生的最大彈坑直徑為83~109μm，該尺寸遠遠大于陶瓷和玻璃材質(zhì)形成的彈坑直徑，并且鋼制彈丸引入了較大的殘余壓應力，噴覆后導致彈丸表面硬度能達到(205.32±4.11)HV，比玻璃材質(zhì)和陶瓷材質(zhì)的分別高出14HV和3HV。王強等在Chen研究的基礎上，進一步通過表面形貌測繪進行了觀察，研究發(fā)現(xiàn)，鋼制丸噴丸后的齒輪表面起伏程度遠遠大于陶瓷丸的，且鑄鋼丸達到最大殘余應力580MPa所需的時間要短于陶瓷丸達到最大殘余壓應力550MPa所需的時間。雖然鋼質(zhì)彈丸會引入較高的殘余壓應力，但是在噴丸后會使表面整潔度降低，因此目前越來越多地將鋼制+陶瓷彈丸的復合噴丸方式應用于齒輪表面強化，這樣既可以在鋼制彈丸工況下產(chǎn)生均勻且較深較大的殘余壓應力，使殘余奧氏體含量變化明顯，又可以使齒輪表面粗糙度降低、表面硬度提高。然而陶瓷丸價格昂貴，破碎率高，這可能會導致正在進行噴丸強化的材料上出現(xiàn)不是由于車輛使用中摩擦磨損而產(chǎn)生的微小裂紋，同時因為陶瓷丸的質(zhì)量較小，必須使用更高的壓力才能達到效果，容易引起機械故障。目前市面上更多是以鋼制彈丸為主進行強化，后續(xù)進行拋光，因此，鋼制材料如何提高表面光整度是未來研究的一大方向。上述文獻表明，在選擇彈丸材質(zhì)時，與玻璃和陶瓷材質(zhì)的彈丸相比，鋼制彈丸可以產(chǎn)生較高的殘余壓應力，鑄鋼作為固體噴丸強化介質(zhì)，噴丸強化效果是絕對明顯的。同時，通過控制含碳量、熱處理和制造工藝，可以獲得所需的硬度、韌性、延性、近球形形狀和低成本。在相同體積和速度下，鋼制彈丸密度最大，對應的質(zhì)量最大，經(jīng)過高速沖擊后產(chǎn)生的動能最大，齒輪表面發(fā)生的塑性變形量最大，強化效果最好。但是由于彈丸高速撞擊齒輪表面時，會與零件表面發(fā)生一定的摩擦，彈丸材質(zhì)將對零件表面粗糙度等產(chǎn)生影響，而表面粗糙度等完整性會對引入的殘余壓應力產(chǎn)生影響，因此，需要根據(jù)齒輪表面需求，選取合適的彈丸材質(zhì)，同時在陶瓷材質(zhì)彈丸的設計過程中進行改善，以降低成本及提高質(zhì)量。5、彈丸覆蓋率表面覆蓋率是零件經(jīng)過噴丸處理后在表面所留下彈坑的面積占總面積的百分比。根據(jù)覆蓋面積可以得到覆蓋率公式，如式(1)所示。式中：η為表面覆蓋率;d為彈坑直徑;L為區(qū)域邊長。彈坑直徑和區(qū)域邊長主要受彈丸直徑、彈丸數(shù)量的影響。Qin等從覆蓋率的角度對傳動齒輪嚙合表面激光噴丸后的表面殘余應力進行了研究。他們認為，隨著覆蓋率的提高，表面最大殘余壓應力和硬度逐漸增大，相比于100%覆蓋率產(chǎn)生的100MPa殘余壓應力，1000%覆蓋率下的傳動齒輪表面可以產(chǎn)生1095.8MPa的殘余壓應力，并且殘余壓應力層深度也更大，表面硬度從700HV提高到850.1HV，齒輪表面的較大塑性應變導致零件表面產(chǎn)生高密度位錯。Wu等認為，噴丸覆蓋率越高，抗疲勞強度越高，硬度越大，磨損率越小。接著他們通過試驗方法，對Tiako等的研究進行驗證，仿真結果顯示，覆蓋率與殘余壓應力有著線性關系，在覆蓋率從100%到400%的增長過程中，表面殘余壓應力從628MPa增大至705MPa，塑性變形層深度達1mm，齒面硬度提高了19%，高程度的表面納米化和高數(shù)值的殘余壓應力耦合作用阻礙了裂紋的快速擴展。但后續(xù)研究發(fā)發(fā)現(xiàn)，200%的覆蓋率可以在0.42mm處產(chǎn)生547MPa的殘余壓應力，但是在覆蓋率從150%到200%的提高過程中，最大殘余壓應力的增長速率減小，如圖3所示。圖3噴丸凹坑的殘余應力疊加的效果在大覆蓋率的工況下，噴丸齒輪的疲勞壽命均約為未噴丸齒輪的2.5倍。分析文獻可知，由于噴丸形成的殘余壓應力層位置比成形與強化聯(lián)合作用形成的殘余壓應力層位置要更加靠近齒輪表層附近，而噴丸引入的殘余壓應力對提高裂紋擴展疲勞壽命起著主導作用，因此，當最大殘余壓應力的增長速率減小到0時，最大殘余壓應力達到飽和，相應覆蓋度也達到最大極限，這是因為噴丸覆蓋率對殘余應力的影響也會隨著噴丸速度的變化而變化。在實際噴丸過程中，一般所使用的噴丸覆蓋率較高，這將導致引入的單個殘余應力在同一區(qū)域重疊。因此，殘余壓應力場也會加強，這意味著高覆蓋率的噴丸會引入一個連續(xù)的表面壓應力層，但是因為噴丸是一個冷加工表面技術，所以隨著噴丸行為的加載，齒輪表面的冷作硬化現(xiàn)象