喷丸强化在新能源汽车轴齿上的应用

张峻峥，陈超荣，谢佳峻，郭成宇

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

随着全球能源和生态环境的日益恶化，新能源汽车开发已成为各国汽车业积极探索的焦点。其中，电池、电驱、电控三电系统则是各大主机厂在新能源汽车开发中迫切需要掌握的核心技术。纯电新能源电驱系统具有高转速、高效率、轻量化等特征。据统计，现有80%以上电驱系统最高转速均达到10 000～18 000 r/min。高转速、高效率的电驱系统，对差减箱中起减速、传动作用的轴齿提出更高的机械性能和技术要求[1-2]。

某单挡纯电动新能源汽车减速箱的传动系统和输入轴模型见图1和图2，其中输入轴起将电机高转速扭矩传递给中间轴组件轴齿、差速器直至轮端的作用。其中，输入轴由四部分结构组合而成：前/后轴承安装位、齿轮、花键。

图1 一挡纯电汽车减速箱传动模型 图2 输入轴模型

按照CAE仿真校核结果，输入轴的齿轮部位弯曲和接触安全因子均低于1.1，需局部强化处理。输入轴的齿轮参数如改变将导致布置包络及速比的改变。结合过往经验及生产设备现状，采取在输入轴的齿轮表面喷丸进行强化。

1 喷丸强化原理及效果评价

(1)喷丸强化原理

喷丸强化又叫精控喷丸，是一种冷处理工艺，工件表面在小的圆形球体的打击下产生屈服，在释放原有残余应力的同时，根据所处理的材料不同产生一定残余压应力[3-4]。这种压应力能够降低工作应力，获得较好的动力特性。喷丸强化一方面使零件表面产生塑性变形，从而在表层下形成一种残余压应力；另一方面导致材料内部组织结构和亚晶粒细化，促使残余奥氏体向马氏体转变[5]。这种效果将使得零件表层获得加强，并能有效阻止疲劳、腐蚀疲劳、应力腐蚀裂纹、氢化裂纹、磨损、擦伤、孔隙侵蚀等。

(2)喷丸强化效果评价

目前，针对喷丸强化效果评价，应用最广的是弧高值测试法，其方法及要求参照SAE J442a和SAE 443标准。其主要内容是：用特定规格的弹簧钢试片，通过检测喷丸前后试片的形状变化反映喷丸效果。汽车行业中一般选用A型阿尔门(Almen)试片。对阿尔门试片进行单面喷丸时，表层会在弹丸作用下参与拉伸形变，朝向喷丸的那面形成球面弯曲。喷丸后取下试片，用专用阿尔门量规测定其拉伸形变量(即弧高值)。

喷丸效果另一种评价方法是测量喷丸后工件的残余压应力。残余应力的测量方法可参照SAE J784a标准中推荐的X射线衍射法：X射线的入射和衍射束必须平行于齿轮的齿根，圆柱直齿轮和圆柱螺旋齿轮上的测量位置应当在齿根的宽度中央，照射区域必须集中在齿根圆角的中心，不能横向延伸超出规定的齿根圆角表面深度的测量点，照射区域大小可通过直光速和适当遮盖齿根表面实现控制。同时规定，在每个受检齿轮上，最少要任选两个齿进行测量评估，且两齿相隔180°。因现有汽车齿轮大部分齿面的齿形齿向均采用磨齿工艺，而将齿根位置的喷丸残余应力测试作为检测依据。

过去，喷丸工艺参数主要依靠经验和不断的台架疲劳循环试验确认。现在，国内已经有不少学者和行业从业者借助ANSYS、DEFORM等仿真软件进行强化喷丸过程的仿真模拟、残余应力计算，实现喷丸工艺参数的初步选择[6]。

2 试样材料及技术要求

(1)喷丸试样材料及表面性能

输入轴材料为SAE8620H，其化学成分如表1所示，为低碳合金钢，主要应用于齿轮轴类零件。

表1 SAE8620H钢的化学成分(质量分数)%

根据输入轴关键生产工艺流程图(见图3)，喷丸前工件热处理为渗碳淬火状态。磨齿后，其齿面表面硬度检测结果见图4。据抽样检测，表面维氏硬度换算成洛氏硬度基本上在59～61.5HRC，满足设计要求58～63HRC。

图3 输入轴关键生产工艺流程

图4 输入轴齿面硬度分布情况

(2)输入轴喷丸技术要求

输入轴喷丸区域定义为图5中S区域，即齿宽40.5 mm范围强化喷丸。对于选择区域F，除图纸要求外，一般为1～2 mm宽喷丸的过渡区。对于遮蔽防护区M，即花键、轴承安装位，则需要严格的保护。

图5 输入轴喷丸区域定义

输入轴喷丸强化区域为齿面和齿根部分。因为齿轮模数及数量限制，喷丸过程中存在丸粒溅射喷至齿面，故对节圆齿面和齿根均进行检测，但以齿根位置检测点1作为其是否合格的主要标准。残余应力值要求的检测点位置及深度见表2，规定单齿各检测2个点，每点至少3个不同深度。

表2 输入轴齿面测量深度残余应力要求

3 喷丸强化夹具及工艺

(1)喷丸强化设备及夹具设计

喷丸设备采用某国产行星转台式喷丸设备，它有两个喷枪头，其喷丸气压、旋转速度、喷丸时间等相关参数可实现微机控制。选用GS40钢丸，其粒度0.3 mm左右，硬度55～62HRC。参照图5所示的输入轴喷丸区域定义，设计带有保护轴承、花键部位喷丸夹具(见图6)。

(2)喷丸强化饱和曲线及喷丸表面状态

按照标准喷丸强化操作流程，将带工件夹具固定在喷丸设备回转台上，在气压为0.4 MPa、丸粒流量为1.81 kg/min、旋转速度30 r/min、喷枪移动速度为1 000 mm/min等条件下进行喷丸饱和曲线测试。经在工件涂色荧光检测可达到覆盖率200%以上，计算得出输入轴喷丸强化曲线见图7。

由图7可知：单件喷丸时间t为1.24 min，其覆盖率为150%以上，弧高值维持在0.35以上；200%以上覆盖率，则喷丸时间为2t即2.48 min。据此，输入轴强喷标准工艺为：喷丸时间t为2.48 min/件，弧高值0.37～0.45，喷丸前后对比如图8所示。喷丸前，砂轮磨齿痕迹可辨，表面较亮；喷丸后，磨齿痕迹已完全被钢丸覆盖，为钢丸本色。需要注意的是用于测试喷丸强度试验的Amen试片固定位置应保证与待喷齿轮的齿面在同一高度及角度范围内，否则有可能造成工件实际弧高值与测试的饱和曲线不符。

图6 输入轴强喷夹具实物

图7 输入轴喷丸强化饱和曲线

图8 输入轴齿面喷丸前后照片

输入轴喷丸前后齿面状态目测也存在差异。选用3组磨齿后输入轴测试喷丸前后粗糙度变化，其齿面硬度分别为59.3HRC、60.5HRC、61HRC。齿面喷丸前后粗糙度对比如表3，发现喷丸后粗糙度呈现增大趋势，满足齿面要求小于Ra0.8 μm。另喷丸后，表面硬度越高的输入轴，其粗糙度越小。因此，必须重点关注齿轮需表面强喷的表面硬度及磨齿后粗糙度。

表3 输入轴喷丸前后粗糙度变化

4 残余应力测试结果

为确认输入轴强喷的效果及实际应力情况，采用Proto-LXRD 型X 射线应力分析仪对齿面和齿根位置进行残余应力检测。要求：测量同一根输入轴的均布A、B、C三个齿的齿根、齿面残余应力值。三个齿的齿根和齿面残余应力沿层深分布情况如图9所示。

图9 输入轴喷丸强化齿面、齿根沿层深残余应力分布曲线

由图9可知：输入轴试样喷丸后，其齿根和齿根表面产生压应力。比如，A齿的齿根，其残余应力大小由表面深度10 μm 的-820 MPa到30 μm的-935 MPa，说明喷丸改善了输入轴喷丸区域的应力状态分布，提高了其弯曲和接触疲劳压应力。

同时，残余压应力随着层深呈现一定规律变化，随层深增加，压应力增大。如图9所示：在30～50 μm附近，出现残余压应力峰值；随后，呈现减弱趋势。因为输入轴所用的齿轮钢经渗碳淬火，屈服强度较大，不易发生塑性变形。在喷丸强度一定的条件下，其塑性变形而成的残余层深基本不变。当然，齿面强喷后产生压应力大于齿根位置。这主要是因为钢丸喷射方向与齿根位置基本垂直，而射入齿根的钢丸部分直射和折返射形成对齿面多次强化效果。

最后，输入轴装机在整车进行相关耐久测试，拆解后表面未出现明显磨损痕迹(见图10)，证明输入轴的齿面经喷丸强化后满足整车使用性能需求。

图10 整车耐久拆解的喷丸输入轴

5 结束语

(1)输入轴齿面进行喷丸强化处理，改变了其渗碳淬火磨齿后的应力状态，且由磨齿的拉应力变为压应力，可有效提高齿轮的弯曲和接触应力因子；

(2)对于待强化的零件，需合理设计喷丸强化工装和工艺，关注喷丸前后零件的表面硬度和粗糙度变化；

(3)喷丸后齿轮的齿根和齿面会出现不同的残余压应力，且其与喷丸工艺的饱和曲线有一定关系。