噴丸結(jié)合光整加工修復齒面失效

■江蘇新瑞齒輪系統(tǒng)有限公司 （江蘇常州 213000） 蔡君康

風電齒輪箱齒輪在產(chǎn)生齒面磨損、點蝕和銹蝕等失效模式后，存在質(zhì)量隱患，若繼續(xù)長期使用下去，將會發(fā)展成不可修復的失效模式，例如齒面嚴重點蝕、膠合甚至齒面剝落等。因此，尋求一種快捷、經(jīng)濟實用的解決方案，對齒輪箱運維服務非常重要。

1. 齒輪可修復失效模式分析

齒輪的失效模式多種多樣，按使用情況大體可以分為兩類：一類是損壞嚴重，直接導致零件無法繼續(xù)使用；另一類則是出現(xiàn)了缺陷卻能繼續(xù)使用，但若任由缺陷繼續(xù)惡化，仍會有損壞的隱患。對于第二類情況，可以通過一些修復措施，去除已經(jīng)出現(xiàn)的缺陷，從而保證零件能夠繼續(xù)使用。下面對幾種可修復失效模式及其產(chǎn)生的原因進行分析。

（1）齒面磨損 齒面磨損是齒輪傳動中最常見的一種失效模式，如圖1所示。齒面嚙合處潤滑條件不好，不能形成保護油膜，齒面間發(fā)生硬對硬接觸，齒面損傷；嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)（如砂粒、切屑等），齒面出現(xiàn)劃傷，留下劃痕。由于齒輪自身在強度方面并不存在問題，因此對齒面進行適當?shù)奶幚?，去除損傷處表面的凸起點，再改善齒面潤滑條件，提高潤滑油的清潔度，即可有效防止齒面磨損程度的加重。

圖1 齒面磨損

（2）點蝕 點蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一，如圖2所示。輪齒受力后，齒面接觸處將產(chǎn)生循環(huán)變化的接觸應力，在接觸應力反復作用下，輪齒表層或次表層出現(xiàn)不規(guī)則的細線狀疲勞裂紋，疲勞裂紋逐漸擴展，使齒面金屬脫落而形成麻點狀凹坑，即為點蝕。在點蝕現(xiàn)象出現(xiàn)早期，若能及時修復齒面凹坑，提高齒面接觸強度，并改善齒面潤滑條件，將能夠防止點蝕程度的惡化，大大延長齒輪的使用壽命。

圖2 齒面輕微點蝕

（3）齒面銹蝕 1.5MW風力發(fā)電機組增速箱中的某個零部件出現(xiàn)故障，且未能及時解決，導致風機長時間停機。很多早期的齒輪箱未配備空氣濾清器或者配備了但沒有定期更換，致使齒輪箱內(nèi)有水蒸氣進入。而齒輪箱一旦停止運轉(zhuǎn)，齒輪件得不到齒輪油潤滑，在很短的時間內(nèi)就會產(chǎn)生銹斑。圖3所示為該增速箱行星輪齒表面銹蝕情況。

圖3 齒面銹蝕

上述幾種齒輪失效模式，雖然不會立即表現(xiàn)為齒輪損壞，但如果繼續(xù)長期使用下去，很可能會向嚴重點蝕、齒面膠合甚至剝落等趨勢發(fā)展。這類齒輪零件本身在材質(zhì)、制造方面沒有缺陷，只是因齒面疲勞強度降低或客觀因素等引起了損傷隱患。如果做報廢處理，著實有些浪費。如果采取一些有效的修復措施，則既能消除齒面的缺陷，又能改善齒面強度，對齒輪維護來說，是一種既經(jīng)濟實惠又安全可靠的方法。

2. 強化噴丸

強化噴丸工藝主要是將高速彈丸噴射到鋼鐵零件表面，使其表面層在彈丸的沖擊作用下發(fā)生塑性變形，由此產(chǎn)生強化及表面壓應力，使鋼鐵零件的抗疲勞性能及耐應力腐蝕抗力均得到改善。噴丸一方面使零件表面發(fā)生彈性變形，同時也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯，使材料表面發(fā)生加工強化。

噴丸對表面形貌和性能的影響主要表現(xiàn)在改變零件的表面硬度、表面粗糙度、抗應力腐蝕和剝落腐蝕能力及零件的疲勞壽命。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發(fā)生循環(huán)塑性變形。根據(jù)材料性質(zhì)和狀態(tài)的不同，噴丸后材料的表層將發(fā)生以下變化：硬度變化、組織結(jié)構(gòu)的變化、相轉(zhuǎn)變、表層殘余應力場的形成及表面粗糙度的變化等。

（1）改善材料表面性能 強化噴丸過程中，當微小球形鋼丸高速撞擊受噴工件表面時，使工件表層材料產(chǎn)生彈、塑性變形，撞擊處因塑性變形而產(chǎn)生一壓坑，撞擊導致壓坑附近的表面材料發(fā)生徑向延伸。當越來越多的鋼丸撞擊到受噴工件表面時，工件表面越來越多的部分因吸收高速運動鋼丸的動能而產(chǎn)生塑性流變，使表面材料因塑性變化而產(chǎn)生的徑向延伸區(qū)域越來越大，發(fā)生塑性變形的表面逐步連接成片，則使工件表面逐步形成一層均勻的塑性變形層。強化噴丸對提高齒輪的齒面接觸強度和齒根彎曲強度有很明顯的效果。圖4和圖5分別是德國動力傳輸工程研究協(xié)會（FVA）和采埃孚公司（ZF）進行試驗所得出的數(shù)據(jù)，從圖4中的σ-N曲線看，在經(jīng)過107周次應力循環(huán)后，強化噴丸齒輪相對滲碳未噴丸齒輪約提高齒面接觸疲勞強度35%；從圖5數(shù)據(jù)圖解可知，強化噴丸齒輪相對未噴丸齒輪約平均提高齒根彎曲疲勞強度40%。

（2）影響滲碳齒輪表層殘余應力 噴丸使工件表面形成殘余應力的原因：當高速鋼丸撞擊到試樣表面時，撞擊處產(chǎn)生塑性變形而殘余一壓坑，當越來越多的鋼丸撞擊到試樣表面時，則會在試樣表層產(chǎn)生一層均勻的塑性變形層，由于塑性變形層的體積膨脹會受到來自未塑性變形近鄰區(qū)域的限制，因此整個塑性變形層受到一壓應力。

圖4 噴丸對齒面接觸疲勞強度的影響

圖5 噴丸對齒根彎曲疲勞強度的影響

殘余壓應力及其分布對齒輪疲勞壽命有較大的影響，而噴丸強化工藝的優(yōu)劣將直接影響殘余應力的大小及其分布。圖6所示為在各個不同階段進行噴丸處理產(chǎn)生的殘余應力比較。

（3）影響零件的表面粗糙度 強化噴丸會引起零件受噴表面的塑性變形，使零件的表面粗糙度發(fā)生變化。噴丸對材料表面粗糙度的影響通常在表面粗糙度值Ra=0.6～20μm內(nèi)。在不改變工藝參數(shù)的條件下，材料原始表面粗糙度值越高，噴丸后的R a值越大。生產(chǎn)實踐證明，一般情況下，噴前表面粗糙度值R a＞6.3μm，則噴丸會提高或維持原表面粗糙度值；如果原始表面粗糙度值R a≤6.3μ m，則噴丸后表面粗糙度值會有所降低。在生產(chǎn)實踐中，要想獲得較理想的噴丸表面，應從以下幾方面著手：①提供較好的原始表面質(zhì)量，表面粗糙度值Ra應≤6.3μm。②選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力。③在大直徑鋼丸噴丸強化后，采用較小鋼丸低壓力（不能改變噴丸強度值）覆蓋一次，可達到較好的表面粗糙度質(zhì)量。

3. 光整

圖6 噴丸對齒面殘余應力的影響

光整加工是指以降低零件表面粗糙度值、提高表面形狀精度和增加表面光澤為主要目的的研磨和拋光加工。由于齒輪零件的特殊性，研磨不適用，所以更主要的是采取拋光方法。拋光采用游離式磨料拋光形式，即使磨料（見圖7）相對齒輪發(fā)生不重復的軌跡運動，從而對齒輪進行微切削，再配合化學溶劑的作用，使得齒輪表面的凸起迅速被去除，從而降低齒面的表面粗糙度值。

齒輪的光整加工工藝可以降低齒面的表面粗糙度值，進而提高其使用性能和壽命，大幅度降低齒面的嚙合噪聲。

（1）工藝特點 ①降低表面粗糙度值。在拋光過程中，磨粒會磨掉加工表面的尖峰，從而降低表面粗糙度值，表面粗糙度值Ra可達0.8μm以下。②提高表面耐磨性。經(jīng)光整加工后的表面，摩擦系數(shù)減小，耐磨性也得到了提高。③提高耐疲勞強度。在適量壓力下的拋光，使被加工表面存在著少量殘余應力，這種應力有利于提高工件表面的疲勞強度。④提高精度。在研磨、拋光時，由于磨粒極小，在低速、低壓運動時，逐漸將表面的尖峰磨掉，因此可穩(wěn)定地獲得高精度的表面。

（2） 應用實例以某1 500kW風力發(fā)電機組增速箱行星輪齒面修復為例，由圖3可以看出，由于風機發(fā)生故障，齒輪箱長時間未運轉(zhuǎn)，行星輪齒面已經(jīng)出現(xiàn)大面積銹斑，為此采用噴丸結(jié)合光整工藝方法，如圖7所示。具體操作：首先對行星輪齒面進行強化噴丸，去除銹斑，然后對噴丸后的輪齒表面進行超精拋光，齒面的銹斑完全被去除，表面質(zhì)量較原來也有所提高，通過測定，表面粗糙度值Ra=0.6μm，如圖8所示。

圖7 噴丸去除銹斑

圖8 拋光光整后的齒面

4. 結(jié)語

噴丸強化和光整加工工藝由于具有實施方便、強化效果顯著及耗能低等優(yōu)點，所以在機械加工行業(yè)應用非常廣泛，但大多是單一應用在零件制造過程中。本文通過對噴丸和光整工藝機理及其特點的分析，認為將這兩種工藝優(yōu)勢結(jié)合起來修復齒面早期失效是行之有效的?，F(xiàn)在很多齒輪制造企業(yè)不再局限于單一的噴丸或光整技術(shù)的應用，而是開始傾向于將兩種技術(shù)優(yōu)勢進行結(jié)合，以滿足其特定的生產(chǎn)加工要求。未來，噴丸結(jié)合拋光光整工藝應用到齒輪箱運維服務中，必將得到行業(yè)的重視，其應用也會越來越廣泛，有助于提高齒輪生產(chǎn)行業(yè)的整體水平。

專家點評

齒輪的失效模式多種多樣，存在質(zhì)量隱患。可以通過有效的修復措施，改善齒面強度，保證其繼續(xù)使用。本文針對可修復失效模式的齒輪工藝進行分析，尋求一種經(jīng)濟實用的解決方案。綜合運用噴丸和光整工藝優(yōu)勢修復齒輪早期失效，消除齒面磨損、點蝕和銹蝕等缺陷，延長齒輪使用壽命，對于齒輪維護來說，是一種經(jīng)濟實用的改善方法。