齿轮作为机械传动中不可或缺的部件，承载能力直接决定其使用寿命。因此，如何有效提升齿轮的承载能力是当前齿轮制造过程中亟需解决的问题。为提升齿轮的承载能力，可从齿轮钢冶炼开始强化其性能。实践表明，齿轮失效的形式主要包括点蚀、剥落、断裂等，导致上述问题的主要原因为齿轮钢表面材料的应力集中和强度不足。为在齿轮钢冶炼阶段提升其表面质量，可采取喷丸强化、光整加工及表面热处理等工艺。本文重点对喷丸强化的工艺参数进行试验研究，最终达到提升齿轮钢表面质量的目的。
一、基础研究
齿轮作为传动部件，具有传动比稳定、效率高以及承载能力高的特点，被广泛应用于船舶、风电、航空等领域。喷丸工艺主要用于对齿轮重点零部件的强化处理，最终达到提升齿轮表面强度的目的。齿轮钢在喷丸冲击的作用下，其材料表面会出现弹塑性变形;当喷丸的冲击力卸载后，齿轮钢的弹性变形小，并在其表面形成了弹性残余压应力层。
从本质上讲，喷丸强化的工作原理为：弹丸在压缩空气下的作用下进行加速，并以高速的状态对齿轮钢表面造成冲击，从而对齿轮钢起到强化的效果。本文将基于数值模拟仿真手段研究喷丸强化对齿轮钢表面完整性的影响，进而得出在齿轮钢冶炼过程中喷丸强化其表面完整性的最佳工艺参数。
喷丸强化的基础是具有足够速度的弹丸，本文采用如图 1 所示的气动系统来形成高速的弹丸。
如图 1 所示，在空气压缩机的作用下将一定压力的空气送入储气罐中，通过压力控制阀对输出的空气压力进行控制，将空气的压力势能转化为动能，从而实现对弹丸的加速。图 1 中的喷管为文丘里喷管，包括入口段、收缩段、喉部段及扩张段。基于 CFD-FEM 数值模拟软件对喷丸的工艺过程进行建模，所构建的数值模拟仿真模型如图 2 所示。
基于图 2 的数值模拟仿真模型重点对喷丸工艺参数对齿轮钢冶炼后表面完整性的影响进行研究。
二、喷丸工艺参数对齿轮钢表面完整性的数值模拟研究
重点开展弹丸速度、弹丸直径、喷射角度以及二次喷丸对齿轮钢表面质量的影响研究。
弹丸速度对齿轮钢表面质量的影响
基础条件：弹丸喷射距离为 200 mm，弹丸直径为 0.6 mm，弹丸流量为 5 kg/min;在上述条件下通过改变喷丸气压实现对弹丸速度的控制，重点对弹丸速度为 51 m/s、71 m/s、86 m/s 和 95 m/s 对应齿轮钢表面的残余应力进行仿真分析，仿真结果如图 3 所示。
从图 3 中可以看出，在距离齿轮钢表面深度小于 0.05 mm 时，随着弹丸速度的增加，对应的齿轮钢表面的残余应力几乎不变。当弹丸速度从 51 m/s 增加至 95 m/s 时，齿轮钢表面的最大残余应力从 1 178 MPa增加至 1 265 MPa，而且对应距齿轮钢表面的深度从 0.06 mm 增加至 0.08 mm，对应的残余应力深度从 0.17 mm 增加至 0.23 mm。
综合分析可得，随着弹丸速度的增加，齿轮钢最大残余应力的深度位置和残余压应力层的深度增加。当弹丸速度从 86 m/s 增加至 95 m/s 时，对应残余应力增加幅度减小。因此，综合效果确定最佳弹丸速度为 86 m/s，对应的气压为 0.4 MPa。
弹丸直径对齿轮钢表面质量的影响
仿真条件：弹丸喷射距离为 200 mm，气压为 0.5 MPa，流量为 5 kg/min，分别对弹丸直径为 0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm 和 1.0 mm 四种情况下对应齿轮钢表面残余应力的变化进行仿真分析，仿真结果如图 4 所示。
从图 4 中可以看出，随着弹丸直径从 0.4 mm 增大至 1.0 mm，对应所冶炼形成齿轮钢的表面残余应力从 756 MPa 下降至 378 MPa，降幅达 50%;次表面的最大残余应力从 1 263 MPa(距表面深度 0.06 mm)降低至 1 171 MPa(距表面深度 0.14 mm)，降幅为 7%;残余压应力层和最大残余应力的深度分别由 0.17 mm 和 0.06 mm 增加至 0.35 mm 和 0.14 mm。
综合分析可得，随着弹丸直径的增加，齿轮钢表面的残余应力和次表面最大残余应力均下降，其中齿轮钢表面残余应力下降幅度非常大;但对应的残余正应力层和最大残余应力深度均减小。因此，综合齿轮钢表面质量和残余应力的强度要求，将弹丸直径确定为 0.6 mm。
三、齿轮钢工业冶炼试验分析
在上述仿真分析的基础上，对基本确定的齿轮钢工业冶炼过程中的最佳喷丸工艺进行验证。在试验中采用型号为 MT25-G80Ⅱ/1/R 的气动式数控喷丸机对齿轮钢进行强化。在实际试验中，为了避免喷丸与齿轮钢接触出现微小的裂纹，而且还要保证强化后齿轮钢的残余应力保持一定水平，所采用的弹丸硬度低于待冶炼的齿轮钢的表面硬度。在实际强化中采用的喷丸工艺参数如表 1 所示。
基于上述冶炼过程中的齿轮钢进行强化处理，并采用便携式 X 射线衍射仪对强化后齿轮钢的残余应力指标进行测量，以验证上述喷丸工艺有效性。基于便携式 X 射线衍射仪对未喷丸、100%喷丸覆盖率以及 200%喷丸覆盖率对应的轴向残余应力和切向残余应力进行测试，对测试结果进行统计后得出如图 5 所示的结论。
由图 5 可知，喷丸前后齿轮钢的轴向残余应力和切向残余应力的分布趋势一致。从整体来看，100%喷丸覆盖率和 200%喷丸覆盖率对应的齿轮钢残余应力差异不明显。采用未喷丸的工艺时，在深度达到 0.035 mm 以后对应残余应力在 200 MPa 左右，而且相对稳定;采取喷丸工艺后，在深度为 0.06 mm 时的残余应力最大达到 1 150 MPa，随着表面深度的增加对应残余应力减小，并在表面深度为 0.2 mm 时达到 200 MPa 左右。
四、结论
1)在对喷丸工艺基础原理进行分析的基础上，通过数值模拟手段对弹丸直径和弹丸速度对齿轮钢表面质量的影响进行仿真分析，为后续齿轮钢冶炼工艺的试验奠定基础，得出了最佳弹丸速度为 86 m/s，对应的气压为 0.4 MPa，弹丸直径确定为 0.6 mm。
2)通过试验研究可知，齿轮钢在冶炼过程中采用喷丸工艺可改善其表面质量，对应齿轮钢残余应力增大，最大可达 1 150 MPa，远大于未喷丸的 200 MPa。
参考文献略.