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第 2 卷
2014 年
9 月刊
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第 2 卷- 2014 年 9 月刊
机车牵引齿轮受控喷丸工艺研究



表1:工艺参数


表2:未试样①至⑨残余应力及其分布

  某公司20世纪70年代末开始采用喷丸强化工艺,自主研发设计并制造了当时国内先进的重力式齿轮喷丸机,主要对DF4型货运机车牵引齿轮进行喷丸强化,经过30多年的经验积累,形成了自己的一套喷丸工艺,对机车齿轮疲劳寿命的提高曾起过重要作用。
  但是随着国民经济及铁路现代化的发展,对机车牵引齿轮可靠性及疲劳寿命要求进一步提高,传统的喷丸工艺已经无法满足重载货运机车牵引齿轮的强化要求,所以必须在喷丸技术上进行新的研究。

1. 齿轮喷丸关键要素分析

  在喷丸领域,设备、丸粒以及工艺俗称喷丸三要素,其是否有机结合将直接影响齿轮的喷丸强化效果。
  对于强化设备,必须具有足够的工艺可调节性及可控性。传统意义上的喷丸机通常是指重力式喷丸机,这种喷丸机不产生负压,仅仅依靠弹丸自身的重力自动流入喷嘴内,然后随高压空气喷射。这样喷射出的丸粒瞬时线速度较低,对经淬火处理的硬齿面齿轮强化能力差。目前采用的设备为数控气压式喷丸机,这种设备能够克服重力式喷丸机的缺点,弹丸与压缩空气直接混合压入喷嘴,丸粒瞬时线速度高,强化能力显著提升;同时,喷丸的自动化水平大幅度提升,人力成本明显降低。
  1996年编制的喷丸铁标中建议喷丸采用铸钢(铁)丸,且铸钢丸硬度为HRC45-50,铸铁丸硬度在HRC65以上。其主要针对DF4型货运机车采用中频感应最终热处理方式的牵引齿轮和要求不高、受力不大的齿轮,对于目前线路上广泛使用的重载货运机车渗碳淬火硬齿面齿轮的强化效果不明显。同时铸钢(铁)丸的材料大多数是选用废钢经过电炉熔炼钢水,然后离心铸造形成,这样生产出来的钢丸材料物理属性较差,杂质多,并且经常伴有缩松、裂纹、空心等缺陷,喷丸之后不能保证零件表面残余压应力场的均匀性,零件表面粗糙度也较喷丸前下降约两个等级,限制了喷丸的应用范围。
  经过广泛的调研、试验及批量使用,对于重载货运机车牵引齿轮推荐选用钝化钢丝切丸(强化钢丸)作为喷丸磨料,这种丸粒材料成分一致、物理缺陷少、不易破碎、损耗均匀,丸粒消耗率仅为铸钢(铁)丸的30%-60%,粉尘产生率非常低;同时硬度、圆度以及尺寸的一致性非常高,可控性很强。
  喷丸工艺是将喷丸气压、喷射距离、喷射角度及覆盖率等参数右击结合的工艺过程。中频感应齿轮或者要求不高、受力不大的齿轮喷丸,只需适当调整相关工艺参数就能达到喷丸强化效果。但对于渗碳淬火硬齿面齿轮,要得到较高的表面残余压应力就必须大幅度提高喷丸气压,但随着喷丸气压的增加,被喷零件表面的粗糙度也相应增加,这对于延长零件的疲劳寿命是非常不利的。
  为解决喷丸后齿面粗糙度下降过大及进一步提高喷丸表面的残余压应力,采用了复合喷丸工艺。在一次喷丸达到饱和强度之后再加一次强度相对较弱的喷丸,这种复合喷丸方式不仅能够巩固一次喷丸的残余压应力场,使表面残余压应力和组织结构进一步提高和优化,更主要的是其具有抛光的作用,能够显著降低喷丸后齿轮表面的粗糙度,是一种兼顾表面强化和抛光的复合喷丸处理方法。
  复合喷丸与一次喷丸相比,仅适当降低了喷丸的强度,不需要更换设备和弹丸,设备投资小、工艺操作简单、生产效率高,具有推广价值。
  长期以来,喷丸强度的检测方法主要是阿尔门试片测量弧高值方法,这种方法简单、经济,便于在生产现场操作,但是仅仅依靠弧高值无法描述喷丸之后的表面残余压应力场,无法对喷丸效果做出精确的评判。利用X射线应力仪,直接评判喷丸后的残余压应力场将是今后受控喷丸技术发展的方向。

2. 某型重载机车齿轮喷丸工艺参数选择

  齿轮材料:18CrNiMo7-6(EN10084);齿面硬度:HRC58-62;喷射部位:齿面及齿根。

2.1 试验方案

(1)设备:KX-2220P气压式喷丸机;
(2)丸粒:大奇牌强化钢丸;
(3)供筛选的工艺参数见表1。
(4)检测方法:借助X射线应力仪,结合电化学剥层技术,测量喷丸残余应力及其分布。测试执行ASTM E915-96和GB7704-87标准。

2.2 喷丸层残余应力及其分布

  利用X射线衍射与应力测定技术,测量上述齿轮试样的表面残余应力,结果见表2。
  从检测的数据可以看出,在一次喷丸的情况下,随着喷丸压力的提高,获得的表面残余压应力也增加。工艺⑥与⑤相比,仅仅增加了一次弱喷丸,其表面残余压应力增加了6%,最大残余压应力也较前一种工艺大。比较工艺⑥与⑤喷丸后的齿面粗糙度,经检测,增加弱喷丸的齿轮表面粗糙度为Ra0.845μm,较工艺⑤的Ra1.035μm减小了18.4%,具有抛光效果。比较⑥与⑦2种工艺,在增加了100%的覆盖率之后,齿轮的表面残余压应力增加了8%,说明喷丸覆盖率对齿轮强化的影响较大,铁标中推荐的100%-200%的喷丸覆盖率已经不能满足重载机车齿轮的喷丸要求,重载机车牵引齿轮喷丸覆盖率均不小于200%。
  经过复合喷丸之后,齿轮的表面残余压应力以及齿面粗糙度都得到不同程度的改善,同时,喷丸覆盖率对残余压应力影响明显,传统的覆盖率标准已经不能适合目前重载机车齿轮喷丸的需求。



淄博功力机械制造有限责任公司,徐淑宝
电话:+86.13655331489
邮箱:wackey@sohu.com
南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,唐亮
 
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