喷丸结合光整加工修复齿面失效 - 副本

风电齿轮箱齿轮在产生齿面磨损、点蚀和锈蚀等失效模式后，存在质量隐患，若继续长期使用下去，将会发展成不可修复的失效模式，例如齿面严重点蚀、胶合甚至齿面剥落等。因此，寻求一种快捷、经济实用的解决方案，对齿轮箱运维服务非常重要。1.齿轮可修复失效模式分析齿轮的失效模式多种多样，按使用情况大体可以分为两类：一类是损坏严重，直接导致零件无法继续使用；另一类则是出现了缺陷却能继续使用，但若任由缺陷继续恶化，仍会有损坏的隐患。对于第二类情况，可以通过一些修复措施，去除已经出现的缺陷，从而保证零件能够继续使用。下面对几种可修复失效模式及其产生的原因进行分析。（1）齿面磨损齿面磨损是齿轮传动中最常见的一种失效模式，如图1所示。齿面啮合处润滑条件不好，不能形成保护油膜，齿面间发生硬对硬接触，齿面损伤；啮合齿面间落入磨料性物质（如砂粒、切屑等），齿面出现划伤，留下划痕。由于齿轮自身在强度方面并不存在问题，因此对齿面进行适当的处理，去除损伤处表面的凸起点，再改善齿面润滑条件，提高润滑油的清洁度，即可有效防止齿面磨损程度的加重。图1齿面磨损（2）点蚀点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一，如图2所示。轮齿受力后，齿面接触处将产生循环变化的接触应力，在接触应力反复作用下，轮齿表层或次表层出现不规则的细线状疲劳裂纹，疲劳裂纹逐渐扩展，使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，即为点蚀。在点蚀现象出现早期，若能及时修复齿面凹坑，提高齿面接触强度，并改善齿面润滑条件，将能够防止点蚀程度的恶化，大大延长齿轮的使用寿命。图2齿面轻微点蚀（3）齿面锈蚀1.5MW风力发电机组增速箱中的某个零部件出现故障，且未能及时解决，导致风机长时间停机。很多早期的齿轮箱未配备空气滤清器或者配备了但没有定期更换，致使齿轮箱内有水蒸气进入。而齿轮箱一旦停止运转，齿轮件得不到齿轮油润滑，在很短的时间内就会产生锈斑。图3所示为该增速箱行星轮齿表面锈蚀情况。图3齿面锈蚀上述几种齿轮失效模式，虽然不会立即表现为齿轮损坏，但如果继续长期使用下去，很可能会向严重点蚀、齿面胶合甚至剥落等趋势发展。这类齿轮零件本身在材质、制造方面没有缺陷，只是因齿面疲劳强度降低或客观因素等引起了损伤隐患。如果做报废处理，着实有些浪费。如果采取一些有效的修复措施，则既能消除齿面的缺陷，又能改善齿面强度，对齿轮维护来说，是一种既经济实惠又安全可靠的方法。2.强化喷丸强化喷丸工艺主要是将高速弹丸喷射到钢铁零件表面，使其表面层在弹丸的冲击作用下发生塑性变形，由此产生强化及表面压应力，使钢铁零件的抗疲劳性能及耐应力腐蚀抗力均得到改善。喷丸一方面使零件表面发生弹性变形，同时也产生了大量孪晶和位错，使材料表面发生加工强化。喷丸对表面形貌和性能的影响主要表现在改变零件的表面硬度、表面粗糙度、抗应力腐蚀和剥落腐蚀能力及零件的疲劳寿命。零件的材料表层在钢丸束的冲击下发生循环塑性变形。根据材料性质和状态的不同，喷丸后材料的表层将发生以下变化：硬度变化、组织结构的变化、相转变、表层残余应力场的形成及表面粗糙度的变化等。（1）改善材料表面性能强化喷丸过程中，当微小球形钢丸高速撞击受喷工件表面时，使工件表层材料产生弹、塑性变形，撞击处因塑性变形而产生一压坑，撞击导致压坑附近的表面材料发生径向延伸。当越来越多的钢丸撞击到受喷工件表面时，工件表面越来越多的部分因吸收高速运动钢丸的动能而产生塑性流变，使表面材料因塑性变化而产生的径向延伸区域越来越大，发生塑性变形的表面逐步连接成片，则使工件表面逐步形成一层均匀的塑性变形层。强化喷丸对提高齿轮的齿面接触强度和齿根弯曲强度有很明显的效果。图4和图5分别是德国动力传输工程研究协会（FVA）和采埃孚公司（ZF）进行试验所得出的数据，从图4中的σ-N曲线看，在经过107周次应力循环后，强化喷丸齿轮相对渗碳未喷丸齿轮约提高齿面接触疲劳强度35%；从图5数据图解可知，强化喷丸齿轮相对未喷丸齿轮约平均提高齿根弯曲疲劳强度40%。图4喷丸对齿面接触疲劳强度的影响图5喷丸对齿根弯曲疲劳强度的影响（2）影响渗碳齿轮表层残余应力喷丸使工件表面形成残余应力的原因：当高速钢丸撞击到试样表面时，撞击处产生塑性变形而残余一压坑，当越来越多的钢丸撞击到试样表面时，则会在试样表层产生一层均匀的塑性变形层，由于塑性变形层的体积膨胀会受到来自未塑性变形近邻区域的限制，因此整个塑性变形层受到一压应力。

残余压应力及其分布对齿轮疲劳寿命有较大的影响，而喷丸强化工艺的优劣将直接影响残余应力的大小及其分布。图6所示为在各个不同阶段进行喷丸处理产生的残余应力比较。图6喷丸对齿面残余应力的影响（3）影响零件的表面粗糙度强化喷丸会引起零件受喷表面的塑性变形，使零件的表面粗糙度发生变化。喷丸对材料表面粗糙度的影响通常在表面粗糙度值Ra=0.6～20μm内。在不改变工艺参数的条件下，材料原始表面粗糙度值越高，喷丸后的Ra值越大。生产实践证明，一般情况下，喷前表面粗糙度值Ra＞6.3μm，则喷丸会提高或维持原表面粗糙度值；如果原始表面粗糙度值Ra≤6.3μm，则喷丸后表面粗糙度值会有所降低。在生产实践中，要想获得较理想的喷丸表面，应从以下几方面着手：①提供较好的原始表面质量，表面粗糙度值Ra应≤6.3μm。②选择合理的钢丸直径和喷丸压力。③在大直径钢丸喷丸强化后，采用较小钢丸低压力（不能改变喷丸强度值）覆盖一次，可达到较好的表面粗糙度质量。3.光整光整加工是指以降低零件表面粗糙度值、提高表面形状精度和增加表面光泽为主要目的的研磨和抛光加工。由于齿轮零件的特殊性，研磨不适用，所以更主要的是采取抛光方法。抛光采用游离式磨料抛光形式，即使磨料（见图7）相对齿轮发生不重复的轨迹运动，从而对齿轮进行微切削，再配合化学溶剂的作用，使得齿轮表面的凸起迅速被去除，从而降低齿面的表面粗糙度值。齿轮的光整加工工艺可以降低齿面的表面粗糙度值，进而提高其使用性能和寿命，大幅度降低齿面的啮合噪声。（1）工艺特点①降低表面粗糙度值。在抛光过程中，磨粒会磨掉加工表面的尖峰，从而降低表面粗糙度值，表面粗糙度值Ra可达0.8μm以下。②提高表面耐磨性。经光整加工后的表面，摩擦系数减小，耐磨性也得到了提高。③提高耐疲劳强度。在适量压力下的抛光，使被加工表面存在着少量残余应力，这种应力有利于提高工件表面的疲劳强度。④提高精度。在研磨、抛光时，由于磨粒极小，在低速、低压运动时，逐渐将表面的尖峰磨掉，因此可稳定地获得高精度的表面。（2）应用实例以某1500kW风力发电机组增速箱行星轮齿面修复为例，由图3可以看出，由于风机发生故障，齿轮箱长时间未运转，行星轮齿面已经出现大面积锈斑，为此采用喷丸结合光整工艺方法，如图7所示。具体操作：首先对行星轮齿面进行强化喷丸，去除锈斑，然后对喷丸后的轮齿表面进行超精抛光，齿面的锈斑完全被去除，表面质量较原来也有所提高，通过测定，表面粗糙度值Ra=0.6μm，如图8所示。图7喷丸去除锈斑图8抛光光整后的齿面4.结语喷丸强化和光整加工工艺由于具有实施方便、强化效果显著及耗能低等优点，所以在机械加工行业应用非常广泛，但大多是单一应用在零件制造过程中。本文通过对喷丸和光整工艺机理及其特点的分析，认为将这两种工艺优势结合起来修复齿面早期失效是行之有效的。现在很多齿轮制造企业不再局限于单一的喷丸或光整技术的应用，而是开始倾向于将两种技术优势进行结合，以满足其特定的生产加工要求。未来，喷丸结合抛光光整工艺应用到齿轮箱运维服务中，必将得到行业的重视，其应用也会越来越广泛，有助于提高齿