張峻崢，陳超榮，謝佳峻，郭成宇

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

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(diǎn)。其中，電池、電驅(qū)、電控三電系統(tǒng)則是各大主機(jī)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(jì)，現(xiàn)有80%以上電驅(qū)系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速均達(dá)到10 000～18 000 r/min。高轉(zhuǎn)速、高效率的電驅(qū)系統(tǒng)，對(duì)差減箱中起減速、傳動(dòng)作用的軸齒提出更高的機(jī)械性能和技術(shù)要求[1-2]。

某單擋純電動(dòng)新能源汽車減速箱的傳動(dòng)系統(tǒng)和輸入軸模型見圖1和圖2，其中輸入軸起將電機(jī)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(dòng)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(qiáng)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(yàn)及生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀，采取在輸入軸的齒輪表面噴丸進(jìn)行強(qiáng)化。

1 噴丸強(qiáng)化原理及效果評(píng)價(jià)

(1)噴丸強(qiáng)化原理

噴丸強(qiáng)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(shí)，根據(jù)所處理的材料不同產(chǎn)生一定殘余壓應(yīng)力[3-4]。這種壓應(yīng)力能夠降低工作應(yīng)力，獲得較好的動(dòng)力特性。噴丸強(qiáng)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(xì)化，促使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變[5]。這種效果將使得零件表層獲得加強(qiáng)，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(qiáng)化效果評(píng)價(jià)

目前，針對(duì)噴丸強(qiáng)化效果評(píng)價(jià)，應(yīng)用最廣的是弧高值測(cè)試法，其方法及要求參照SAE J442a和SAE 443標(biāo)準(zhǔn)。其主要內(nèi)容是：用特定規(guī)格的彈簧鋼試片，通過檢測(cè)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(duì)阿爾門試片進(jìn)行單面噴丸時(shí)，表層會(huì)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(cè)定其拉伸形變量(即弧高值)。

噴丸效果另一種評(píng)價(jià)方法是測(cè)量噴丸后工件的殘余壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力的測(cè)量方法可參照SAE J784a標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(cè)量點(diǎn)，照射區(qū)域大小可通過直光速和適當(dāng)遮蓋齒根表面實(shí)現(xiàn)控制。同時(shí)規(guī)定，在每個(gè)受檢齒輪上，最少要任選兩個(gè)齒進(jìn)行測(cè)量評(píng)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(cè)試作為檢測(cè)依據(jù)。

過去，噴丸工藝參數(shù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和不斷的臺(tái)架疲勞循環(huán)試驗(yàn)確認(rèn)。現(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(jìn)行強(qiáng)化噴丸過程的仿真模擬、殘余應(yīng)力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)噴丸工藝參數(shù)的初步選擇[6]。

2 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。

表1 SAE8620H鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

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(cè)結(jié)果見圖4。據(jù)抽樣檢測(cè)，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(jì)要求58～63HRC。

圖3 輸入軸關(guān)鍵生產(chǎn)工藝流程

圖4 輸入軸齒面硬度分布情況

(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40.5 mm范圍強(qiáng)化噴丸。對(duì)于選擇區(qū)域F，除圖紙要求外，一般為1～2 mm寬噴丸的過渡區(qū)。對(duì)于遮蔽防護(hù)區(qū)M，即花鍵、軸承安裝位，則需要嚴(yán)格的保護(hù)。

圖5 輸入軸噴丸區(qū)域定義

輸入軸噴丸強(qiáng)化區(qū)域?yàn)辇X面和齒根部分。因?yàn)辇X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(duì)節(jié)圓齒面和齒根均進(jìn)行檢測(cè)，但以齒根位置檢測(cè)點(diǎn)1作為其是否合格的主要標(biāo)準(zhǔn)。殘余應(yīng)力值要求的檢測(cè)點(diǎn)位置及深度見表2，規(guī)定單齒各檢測(cè)2個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)至少3個(gè)不同深度。

表2 輸入軸齒面測(cè)量深度殘余應(yīng)力要求

3 噴丸強(qiáng)化夾具及工藝

(1)噴丸強(qiáng)化設(shè)備及夾具設(shè)計(jì)

噴丸設(shè)備采用某國產(chǎn)行星轉(zhuǎn)臺(tái)式噴丸設(shè)備，它有兩個(gè)噴槍頭，其噴丸氣壓、旋轉(zhuǎn)速度、噴丸時(shí)間等相關(guān)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制。選用GS40鋼丸，其粒度0.3 mm左右，硬度55～62HRC。參照?qǐng)D5所示的輸入軸噴丸區(qū)域定義，設(shè)計(jì)帶有保護(hù)軸承、花鍵部位噴丸夾具(見圖6)。

(2)噴丸強(qiáng)化飽和曲線及噴丸表面狀態(tài)

按照標(biāo)準(zhǔn)噴丸強(qiáng)化操作流程，將帶工件夾具固定在噴丸設(shè)備回轉(zhuǎn)臺(tái)上，在氣壓為0.4 MPa、丸粒流量為1.81 kg/min、旋轉(zhuǎn)速度30 r/min、噴槍移動(dòng)速度為1 000 mm/min等條件下進(jìn)行噴丸飽和曲線測(cè)試。經(jīng)在工件涂色熒光檢測(cè)可達(dá)到覆蓋率200%以上，計(jì)算得出輸入軸噴丸強(qiáng)化曲線見圖7。

由圖7可知：?jiǎn)渭娡钑r(shí)間t為1.24 min，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(shí)間為2t即2.48 min。據(jù)此，輸入軸強(qiáng)噴標(biāo)準(zhǔn)工藝為：噴丸時(shí)間t為2.48 min/件，弧高值0.37～0.45，噴丸前后對(duì)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(cè)試噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)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(shí)際弧高值與測(cè)試的飽和曲線不符。

圖6 輸入軸強(qiáng)噴夾具實(shí)物

圖7 輸入軸噴丸強(qiáng)化飽和曲線

圖8 輸入軸齒面噴丸前后照片

輸入軸噴丸前后齒面狀態(tài)目測(cè)也存在差異。選用3組磨齒后輸入軸測(cè)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(duì)比如表3，發(fā)現(xiàn)噴丸后粗糙度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，滿足齒面要求小于Ra0.8 μm。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(diǎn)關(guān)注齒輪需表面強(qiáng)噴的表面硬度及磨齒后粗糙度。

表3 輸入軸噴丸前后粗糙度變化

4 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

為確認(rèn)輸入軸強(qiáng)噴的效果及實(shí)際應(yīng)力情況，采用Proto-LXRD 型X 射線應(yīng)力分析儀對(duì)齒面和齒根位置進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)。要求：測(cè)量同一根輸入軸的均布A、B、C三個(gè)齒的齒根、齒面殘余應(yīng)力值。三個(gè)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(qiáng)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10 μm 的-820 MPa到30 μm的-935 MPa，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(shí)，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30～50 μm附近，出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力峰值；隨后，呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。因?yàn)檩斎胼S所用的齒輪鋼經(jīng)滲碳淬火，屈服強(qiáng)度較大，不易發(fā)生塑性變形。在噴丸強(qiáng)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(qiáng)噴后產(chǎn)生壓應(yīng)力大于齒根位置。這主要是因?yàn)殇撏鑷娚浞较蚺c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(duì)齒面多次強(qiáng)化效果。

最后，輸入軸裝機(jī)在整車進(jìn)行相關(guān)耐久測(cè)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(qiáng)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

5 結(jié)束語

(1)輸入軸齒面進(jìn)行噴丸強(qiáng)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(duì)于待強(qiáng)化的零件，需合理設(shè)計(jì)噴丸強(qiáng)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(huì)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。