齒輪強化：強度

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汽車設計工程師們已經充分了解利用強化工藝能大幅度延長傳動零件的安全使用壽命。通常，強化被視作一道熱處理后的工序，對于一些關鍵部件，如環形齒輪，行星齒輪，強化是生產工藝中最后一個重要步驟。
強化的原理，就是金屬表面受到高速金屬顆粒束的連續捶擊，即在其表面導入一個壓應力。基于這個機制，好像看來找一臺可以進行強化的機器并不困難。然后，事實證明過早的傳動失效和產品退貨，讓不少齒輪廠商不得不重新審視這道看似簡單的加工工藝。
噴丸強化的機理和效果
金屬介質（鋼珠或切絲丸）的連續撞擊，造成零件表面的塑性形變。該效果延伸到形成壓應力的表面層之下的區域，抵消那里原有的拉應力。殘余壓應力延緩疲勞裂紋的形成，從而提高零件的抗疲勞強度，延長疲勞壽命。
/ \+ H& ?! c/ O" f熱處理后，齒輪表面受到的連續強化介質的捶擊，將殘余奧氏體轉化成馬氏體。這能增加材料硬度。
+ e" C% l  t, O9 r% g就齒輪而言，最大的剪切應力出現在齒根部和過渡區圓角部位。齒輪驅動面和齒面邊緣承受不斷增加的載荷。因此，齒輪強化重點部位是
- 驅動面
% n; D- b  f) ~- 齒面邊緣
- 齒根部位
每種齒輪，要求的強化強度和覆蓋率不盡相同，要根據其實際應用而定。覆蓋率是個目測的過程，而強化強度則需要通過一種特制的彈簧鋼試片（稱為阿爾門試片）進行測定。
強度測試
零件校正工具（PVT），設計用于將試片固定于一些特定位置。試片在這些位置時，可以模擬零件需要進行強度測定的區域。
% a6 R5 M2 Y* y# b2 b- s/ m- t根據不同應用，強度范圍可在0.015-0.030 （”A” Scale），覆蓋率可在100%至200%。
可通過幾種不同方式達到以上齒輪強化效果，每種方式各有優點，
# U2 e1 Y' ]/ Z' v6 n4 m8 t0 T- 離心力拋頭式拋丸強化
- 壓縮空氣噴嘴式噴丸強化
" R8 n$ G4 W0 B% x7 E" ^3 {2 j. X- 混合式（拋丸+噴丸）
2 c* }) E! D8 g, X, `' `" e9 a介質拋射類型
# a& {' I! w: W$ }. Y' Y5 p如果以產量列為主要考量因素，離心力拋頭拋射方式是最理想的。拋頭拋射器產生的介質流可以單位時間內覆蓋較大的面積。然后，該工藝受限于齒輪尺寸。對于較小型的齒輪，其齒根部位狹窄，那就需要用多個拋頭，固定在不同的角度，才能達到要求的覆蓋率。
" b; H2 m. E6 F6 x. t/ d另一種方式，即利用多個壓力式噴嘴，對特定的齒根區域直接且更精確的噴射，以達到所需的覆蓋率。
5 d9 u; \+ }" g, L$ l. ^6 h! P這兩種強化方式都普遍應用于齒輪生產中，相對而言，噴丸強化應用更為廣泛些，因為它在技術和精確度方面較為優勢。
第三種噴丸和拋丸混合式強化系統，盡管其應用較不普遍，但它的優勢在于同一臺機器，既能利用拋頭拋射，以保證較高的產能，又可利用一個壓力噴嘴，對特定區域進行集中性地、更為精準地噴丸強化。
  E, C0 z+ v) ]: h( F" U, ~工藝參數
無論使用哪種強化技術，它們的最終目的都是為了以一種持續、恒定、高重復性方式達到所需的強度。因此，很重要的一點是必須充分了解哪些關鍵參數會影響最后的強化效果。這些參數包括
離心式拋頭強化：
- 拋頭
- 拋頭功率
- 葉片速度
- 拋射角度
0 J  E( v4 M4 r; _) \# J+ C- 拋頭位置
6 e$ n6 J) Q' E9 \' \0 ~& a- 定向套移動
. g6 e5 w4 i: H, q; Q# @以上這些參數都會影響最終的強化效果：
- 拋頭直徑決定了介質丸粒被切向拋出的速度。一個17.5” 直徑的拋頭比一個14”直徑拋頭在同一拋頭轉速下，能產生更大的切向射速，因而達到更高的強化強度
- 拋頭馬力決定了被拋射出去的介質數量
- 拋頭尺寸和拋頭轉速決定了可達到的介質射速和因而取得的強度。維爾貝萊特（集團）的拋丸強化設備裝有變頻器，能控制和改變拋頭轉速和介質射速
! z9 c( A  m# J( Y- 拋頭通常永久且牢固地固定在拋丸室內的特定位置上。如需要改變拋射方式，可通過調節定向套的設定。定向套的位置決定了介質被拋頭射出時確鑿的方向和角度。
2 P  I9 t" J  f- n8 F+ b壓力噴嘴式噴丸強化：
- 噴嘴
' x& [# ]- e* H4 W, _- 噴嘴尺寸
- 噴射壓力
5 R+ X1 {$ c( W' }  u- 噴嘴角度
$ o0 Q$ P0 c9 X+ @- 噴嘴移動
4 `/ v; t% H# o: a! h3 \# Y4 ]- 多個噴嘴
以上這些參數都會影響最終的強化效果：
4 {9 H5 N! H) Y: F- 在較為復雜嚴密的齒輪強化噴丸系統中，噴嘴的壓力是由一個閉路式反饋調控器控制。發生任何偏離預設的壓力值時，系統會觸發警報，自動關閉機器。
- 噴嘴尺寸決定了被噴射到零件表面的丸料數量，介質射出后產生的能量都直接用于取得所需的強度。
- 將噴嘴置于多軸機械手上，實現噴嘴的可控性地擺動及轉動，以滿足零件任何形狀，不同部位的噴射需要。根據待強化齒輪的輪廓，預設噴嘴的移動走線和距離，達到高度精確和高可重復性的工藝要求。

注意：
( A3 a5 A6 `, o9 j9 h' t如要同時噴丸強化一組行星齒輪和環形齒輪，必須注意到這兩種齒輪齒根角度是不同的。因此，需要依靠不同的、獨立的噴嘴設定以達到兩種齒輪各自所需的強化效果。維爾貝萊特（集團）的強化設備為兩種齒輪提供特定的噴嘴底座。其他工藝參數如
- 丸流流速
# S: c4 T  H/ o' ]- 介質顆粒大小
- 顆粒尺寸是否均勻、一致
- 流量控制閥（磁閥）能控制介質丸流流速，在拋丸強化設備中，該磁閥安裝于拋頭喂料一側；在噴丸強化設備中，該磁閥安裝于壓力罐出口。
- 振動篩篩分出尺寸過大，合適或尺寸過小的丸粒。使用兩個振動篩能確保每次強化過程中恒定、均勻尺寸的介質。
, Y% Z  a: Q" Q% F  G8 x- 鋼丸（或切絲）大小是決定強化覆蓋率和生產周期時間的關鍵因素。較小的丸粒能在零件表層產生較高的應力；較大的丸粒能影響工件較深的區域，在那里達到所需應力水平，鋼丸的直徑必須小于齒輪最小過渡區圓角直徑的一半
總結：
在過去幾年里，齒輪強化技術和設備發展迅速，原來應用于飛機起落架強化的最復雜、精密的強化工藝已復制到對于齒輪的強化加工。其共同點，都在于對強化結果的一致恒定性，工藝的高可控性和高重復性有越來越嚴苛的要求。
機械工藝和精密的流程監控相結合，為強化生產提供極大的靈活度和柔性，以取得滿意的零件強化效果。
當今的汽車工程師們已越來越傾向利用拋丸-噴丸結合式的系統，來同時滿足工藝和產量的需要。