噴丸強化在新能源汽車軸齒上的應用

張峻崢，陳超榮，謝佳峻，郭成宇

(廣州汽車集團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環境的日益惡化，新能源汽車開發已成為各國汽車業積極探索的焦點。其中，電池、電驅、電控三電系統則是各大主機廠在新能源汽車開發中迫切需要掌握的核心技術。純電新能源電驅系統具有高轉速、高效率、輕量化等特征。據統計，現有80%以上電驅系統最高轉速均達到10 000～18 000 r/min。高轉速、高效率的電驅系統，對差減箱中起減速、傳動作用的軸齒提出更高的機械性能和技術要求[1-2]。

某單擋純電動新能源汽車減速箱的傳動系統和輸入軸模型見圖1和圖2，其中輸入軸起將電機高轉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，輸入軸由四部分結構組合而成：前/后軸承安裝位、齒輪、花鍵。

圖1 一擋純電汽車減速箱傳動模型 圖2 輸入軸模型

按照CAE仿真校核結果，輸入軸的齒輪部位彎曲和接觸安全因子均低于1.1，需局部強化處理。輸入軸的齒輪參數如改變將導致布置包絡及速比的改變。結合過往經驗及生產設備現狀，采取在輸入軸的齒輪表面噴丸進行強化。

1 噴丸強化原理及效果評價

(1)噴丸強化原理

噴丸強化又叫精控噴丸，是一種冷處理工藝，工件表面在小的圓形球體的打擊下產生屈服，在釋放原有殘余應力的同時，根據所處理的材料不同產生一定殘余壓應力[3-4]。這種壓應力能夠降低工作應力，獲得較好的動力特性。噴丸強化一方面使零件表面產生塑性變形，從而在表層下形成一種殘余壓應力；另一方面導致材料內部組織結構和亞晶粒細化，促使殘余奧氏體向馬氏體轉變[5]。這種效果將使得零件表層獲得加強，并能有效阻止疲勞、腐蝕疲勞、應力腐蝕裂紋、氫化裂紋、磨損、擦傷、孔隙侵蝕等。

(2)噴丸強化效果評價

目前，針對噴丸強化效果評價，應用最廣的是弧高值測試法，其方法及要求參照SAE J442a和SAE 443標準。其主要內容是：用特定規格的彈簧鋼試片，通過檢測噴丸前后試片的形狀變化反映噴丸效果。汽車行業中一般選用A型阿爾門(Almen)試片。對阿爾門試片進行單面噴丸時，表層會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，用專用阿爾門量規測定其拉伸形變量(即弧高值)。

噴丸效果另一種評價方法是測量噴丸后工件的殘余壓應力。殘余應力的測量方法可參照SAE J784a標準中推薦的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量位置應當在齒根的寬度中央，照射區域必須集中在齒根圓角的中心，不能橫向延伸超出規定的齒根圓角表面深度的測量點，照射區域大小可通過直光速和適當遮蓋齒根表面實現控制。同時規定，在每個受檢齒輪上，最少要任選兩個齒進行測量評估，且兩齒相隔180°。因現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力測試作為檢測依據。

過去，噴丸工藝參數主要依靠經驗和不斷的臺架疲勞循環試驗確認?，F在，國內已經有不少學者和行業從業者借助ANSYS、DEFORM等仿真軟件進行強化噴丸過程的仿真模擬、殘余應力計算，實現噴丸工藝參數的初步選擇[6]。

2 試樣材料及技術要求

(1)噴丸試樣材料及表面性能

輸入軸材料為SAE8620H，其化學成分如表1所示，為低碳合金鋼，主要應用于齒輪軸類零件。

表1 SAE8620H鋼的化學成分(質量分數)%

根據輸入軸關鍵生產工藝流程圖(見圖3)，噴丸前工件熱處理為滲碳淬火狀態。磨齒后，其齒面表面硬度檢測結果見圖4。據抽樣檢測，表面維氏硬度換算成洛氏硬度基本上在59～61.5HRC，滿足設計要求58～63HRC。

圖3 輸入軸關鍵生產工藝流程

圖4 輸入軸齒面硬度分布情況

(2)輸入軸噴丸技術要求

輸入軸噴丸區域定義為圖5中S區域，即齒寬40.5 mm范圍強化噴丸。對于選擇區域F，除圖紙要求外，一般為1～2 mm寬噴丸的過渡區。對于遮蔽防護區M，即花鍵、軸承安裝位，則需要嚴格的保護。

圖5 輸入軸噴丸區域定義

輸入軸噴丸強化區域為齒面和齒根部分。因為齒輪模數及數量限制，噴丸過程中存在丸粒濺射噴至齒面，故對節圓齒面和齒根均進行檢測，但以齒根位置檢測點1作為其是否合格的主要標準。殘余應力值要求的檢測點位置及深度見表2，規定單齒各檢測2個點，每點至少3個不同深度。

表2 輸入軸齒面測量深度殘余應力要求

3 噴丸強化夾具及工藝

(1)噴丸強化設備及夾具設計

噴丸設備采用某國產行星轉臺式噴丸設備，它有兩個噴槍頭，其噴丸氣壓、旋轉速度、噴丸時間等相關參數可實現微機控制。選用GS40鋼丸，其粒度0.3 mm左右，硬度55～62HRC。參照圖5所示的輸入軸噴丸區域定義，設計帶有保護軸承、花鍵部位噴丸夾具(見圖6)。

(2)噴丸強化飽和曲線及噴丸表面狀態

按照標準噴丸強化操作流程，將帶工件夾具固定在噴丸設備回轉臺上，在氣壓為0.4 MPa、丸粒流量為1.81 kg/min、旋轉速度30 r/min、噴槍移動速度為1 000 mm/min等條件下進行噴丸飽和曲線測試。經在工件涂色熒光檢測可達到覆蓋率200%以上，計算得出輸入軸噴丸強化曲線見圖7。

由圖7可知：單件噴丸時間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，則噴丸時間為2t即2.48 min。據此，輸入軸強噴標準工藝為：噴丸時間t為2.48 min/件，弧高值0.37～0.45，噴丸前后對比如圖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試噴丸強度試驗的Amen試片固定位置應保證與待噴齒輪的齒面在同一高度及角度范圍內，否則有可能造成工件實際弧高值與測試的飽和曲線不符。

圖6 輸入軸強噴夾具實物

圖7 輸入軸噴丸強化飽和曲線

圖8 輸入軸齒面噴丸前后照片

輸入軸噴丸前后齒面狀態目測也存在差異。選用3組磨齒后輸入軸測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比如表3，發現噴丸后粗糙度呈現增大趨勢，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，必須重點關注齒輪需表面強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 殘余應力測試結果

為確認輸入軸強噴的效果及實際應力情況，采用Proto-LXRD 型X 射線應力分析儀對齒面和齒根位置進行殘余應力檢測。要求：測量同一根輸入軸的均布A、B、C三個齒的齒根、齒面殘余應力值。三個齒的齒根和齒面殘余應力沿層深分布情況如圖9所示。

圖9 輸入軸噴丸強化齒面、齒根沿層深殘余應力分布曲線

由圖9可知：輸入軸試樣噴丸后，其齒根和齒根表面產生壓應力。比如，A齒的齒根，其殘余應力大小由表面深度10 μm 的-820 MPa到30 μm的-935 MPa，說明噴丸改善了輸入軸噴丸區域的應力狀態分布，提高了其彎曲和接觸疲勞壓應力。

同時，殘余壓應力隨著層深呈現一定規律變化，隨層深增加，壓應力增大。如圖9所示：在30～50 μm附近，出現殘余壓應力峰值；隨后，呈現減弱趨勢。因為輸入軸所用的齒輪鋼經滲碳淬火，屈服強度較大，不易發生塑性變形。在噴丸強度一定的條件下，其塑性變形而成的殘余層深基本不變。當然，齒面強噴后產生壓應力大于齒根位置。這主要是因為鋼丸噴射方向與齒根位置基本垂直，而射入齒根的鋼丸部分直射和折返射形成對齒面多次強化效果。

最后，輸入軸裝機在整車進行相關耐久測試，拆解后表面未出現明顯磨損痕跡(見圖10)，證明輸入軸的齒面經噴丸強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 結束語

(1)輸入軸齒面進行噴丸強化處理，改變了其滲碳淬火磨齒后的應力狀態，且由磨齒的拉應力變為壓應力，可有效提高齒輪的彎曲和接觸應力因子；

(2)對于待強化的零件，需合理設計噴丸強化工裝和工藝，關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出現不同的殘余壓應力，且其與噴丸工藝的飽和曲線有一定關系。