Viele Teile vondie neuen Energie-UntersetzungsgetriebeUndAutomobilgetriebeDas Projekt erfordert Kugelstrahlen nach dem Schleifen der Zahnräder, was die Qualität der Zahnoberfläche verschlechtert und sogar die NVH-Leistung des Systems beeinträchtigt. In dieser Arbeit wird die Zahnoberflächenrauheit unter verschiedenen Bedingungen des Kugelstrahlens und verschiedener Teile vor und nach dem Kugelstrahlen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Kugelstrahlen die Zahnoberflächenrauheit erhöht, die von den Eigenschaften der Teile, den Parametern des Kugelstrahlens und anderen Faktoren beeinflusst wird. Unter den bestehenden Bedingungen des Batch-Produktionsprozesses beträgt die maximale Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen das 3,1-fache der vor dem Kugelstrahlen. Der Einfluss der Zahnoberflächenrauheit auf die NVH-Leistung wird erörtert und Maßnahmen zur Verbesserung der Rauheit nach dem Kugelstrahlen vorgeschlagen.

Vor diesem Hintergrund werden in diesem Dokument die folgenden drei Aspekte erörtert:

Einfluss der Prozessparameter des Kugelstrahlens auf die Zahnoberflächenrauheit;

Der Verstärkungsgrad des Kugelstrahlens auf die Zahnoberflächenrauheit unter den bestehenden Batch-Produktionsprozessbedingungen;

Auswirkungen einer erhöhten Zahnoberflächenrauheit auf die NVH-Leistung und Maßnahmen zur Verbesserung der Rauheit nach dem Kugelstrahlen.

Kugelstrahlen bezeichnet ein Verfahren, bei dem zahlreiche kleine, harte Projektile mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche eines Werkstücks treffen. Durch den Aufprall mit hoher Geschwindigkeit bilden sich auf der Oberfläche des Werkstücks Vertiefungen, die zu plastischer Verformung führen. Die Strukturen um die Vertiefungen herum widerstehen dieser Verformung und erzeugen Druckeigenspannungen. Durch die Überlappung der zahlreichen Vertiefungen entsteht eine gleichmäßige Druckeigenspannungsschicht auf der Werkstückoberfläche, die die Dauerfestigkeit des Werkstücks verbessert. Je nach Art der Erzielung der hohen Geschwindigkeit wird Kugelstrahlen im Allgemeinen in Druckluft-Kugelstrahlen und Schleuderstrahlen unterteilt (siehe Abbildung 1).

Beim Kugelstrahlen mit Druckluft wird Druckluft als Antriebskraft verwendet, um die Kugeln aus der Pistole zu sprühen. Beim Schleuderstrahlen wird ein Flügelrad von einem Motor angetrieben, der es mit hoher Geschwindigkeit rotieren lässt, um die Kugeln auszuwerfen. Die wichtigsten Prozessparameter beim Kugelstrahlen sind Sättigungsstärke, Bedeckungsgrad und Eigenschaften des Kugelstrahlmediums (Material, Größe, Form, Härte). Die Sättigungsstärke ist ein Parameter zur Charakterisierung der Kugelstrahlstärke, die durch die Bogenhöhe ausgedrückt wird (d. h. der Biegegrad des Almen-Teststücks nach dem Kugelstrahlen). Der Bedeckungsgrad bezeichnet das Verhältnis der von der Grube nach dem Kugelstrahlen abgedeckten Fläche zur Gesamtfläche der kugelgestrahlten Fläche. Zu den häufig verwendeten Kugelstrahlmedien gehören Stahldrahtschneidgranulat, Stahlgussgranulat, Keramikgranulat, Glasgranulat usw. Die Größe, Form und Härte der Kugelstrahlmedien sind unterschiedlich. Die allgemeinen Prozessanforderungen für Getriebewellenteile sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Das Testteil ist das Zwischenwellenzahnrad 1/6 eines Hybridprojekts. Die Zahnradstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Nach dem Schleifen entspricht die Zahnoberflächenmikrostruktur der Güteklasse 2, die Oberflächenhärte beträgt 710HV30 und die effektive Härteschichttiefe 0,65 mm. Dies entspricht den technischen Anforderungen. Die Zahnoberflächenrauheit vor dem Kugelstrahlen ist in Tabelle 3 und die Zahnprofilgenauigkeit in Tabelle 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Zahnoberflächenrauheit vor dem Kugelstrahlen gut und die Zahnprofilkurve glatt ist.

Testplan und Testparameter

Für den Test wurde eine Druckluft-Kugelstrahlmaschine verwendet. Aufgrund der Testbedingungen ist es nicht möglich, den Einfluss der Eigenschaften des Kugelstrahlmediums (Material, Größe, Härte) zu überprüfen. Daher bleiben die Eigenschaften des Kugelstrahlmediums im Test konstant. Lediglich der Einfluss der Sättigungsstärke und der Bedeckung auf die Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen wird überprüft. Das Testschema finden Sie in Tabelle 2. Der genaue Bestimmungsprozess der Testparameter läuft wie folgt ab: Zeichnen Sie die Sättigungskurve (Abbildung 3) durch den Almen-Coupon-Test, um den Sättigungspunkt zu bestimmen und so Druckluftdruck, Stahlkugelfluss, Düsengeschwindigkeit, Düsenabstand zu den Werkstücken und andere Geräteparameter festzulegen.

Testergebnis

Die Daten zur Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen sind in Tabelle 3 und die Zahnprofilgenauigkeit in Tabelle 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass unter den vier Kugelstrahlbedingungen die Zahnoberflächenrauheit zunimmt und die Zahnprofilkurve nach dem Kugelstrahlen konkav und konvex wird. Das Verhältnis der Rauheit nach dem Spritzen zur Rauheit vor dem Spritzen dient zur Charakterisierung der Rauheitsvergrößerung (Tabelle 3). Es ist ersichtlich, dass die Rauheitsvergrößerung unter den vier Prozessbedingungen unterschiedlich ist.

Batch-Verfolgung der Vergrößerung der Zahnoberflächenrauheit durch Kugelstrahlen

Die Testergebnisse in Abschnitt 3 zeigen, dass die Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen mit verschiedenen Verfahren in unterschiedlichem Maße zunimmt. Um die Verstärkung der Zahnoberflächenrauheit durch Kugelstrahlen vollständig zu verstehen und die Anzahl der Proben zu erhöhen, wurden 5 Elemente, 5 Typen und insgesamt 44 Teile ausgewählt, um die Rauheit vor und nach dem Kugelstrahlen unter den Bedingungen eines Kugelstrahlprozesses in der Serienproduktion zu verfolgen. Die physikalischen und chemischen Informationen sowie Informationen zum Kugelstrahlprozess der verfolgten Teile nach dem Zahnradschleifen finden Sie in Tabelle 5. Rauheits- und Vergrößerungsdaten der Vorder- und Rückseite der Zahnoberflächen vor dem Kugelstrahlen sind in Abb. 4 dargestellt. Abb. 4 zeigt, dass der Bereich der Zahnoberflächenrauheit vor dem Kugelstrahlen Rz1,6 μm–Rz4,3 μm beträgt; nach dem Kugelstrahlen nimmt die Rauheit zu und der Verteilungsbereich liegt bei Rz2,3 μm–Rz6,7 μm; die maximale Rauheit kann vor dem Kugelstrahlen auf das 3,1-fache verstärkt werden.

Einflussfaktoren der Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen

Das Prinzip des Kugelstrahlens zeigt, dass die hohe Härte und die hohe Geschwindigkeit der Kugeln unzählige Vertiefungen auf der Oberfläche des Teils hinterlassen, die Quelle von Druckeigenspannungen sind. Gleichzeitig erhöhen diese Vertiefungen zwangsläufig die Oberflächenrauheit. Die Eigenschaften des Teils vor dem Kugelstrahlen und die Prozessparameter des Kugelstrahlens beeinflussen die Rauheit nach dem Kugelstrahlen, wie in Tabelle 6 aufgeführt. In Abschnitt 3 dieses Dokuments wird gezeigt, dass die Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen unter den vier Prozessbedingungen in unterschiedlichem Maße zunimmt. In diesem Test gibt es zwei Variablen, nämlich die Rauheit vor dem Kugelstrahlen und die Prozessparameter (Sättigungsstärke oder Bedeckung), aufgrund derer die Beziehung zwischen der Rauheit nach dem Kugelstrahlen und jedem einzelnen Einflussfaktor nicht genau bestimmt werden kann. Derzeit wird dieses Thema von vielen Wissenschaftlern erforscht und ein theoretisches Vorhersagemodell für die Oberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen auf Grundlage von Finite-Elemente-Simulationen vorgelegt, mit dem die entsprechenden Rauheitswerte verschiedener Kugelstrahlverfahren vorhergesagt werden können.

Basierend auf tatsächlichen Erfahrungen und der Forschung anderer Wissenschaftler können die Einflussarten verschiedener Faktoren wie in Tabelle 6 dargestellt spekuliert werden. Es ist ersichtlich, dass die Rauheit nach dem Kugelstrahlen umfassend von vielen Faktoren beeinflusst wird, die auch die Druckeigenspannung maßgeblich beeinflussen. Um die Rauheit nach dem Kugelstrahlen unter der Voraussetzung der Gewährleistung der Druckeigenspannung zu reduzieren, sind zahlreiche Prozesstests erforderlich, um die Parameterkombination kontinuierlich zu optimieren.

Einfluss der Zahnoberflächenrauheit auf die NVH-Leistung des Systems

Getriebeteile befinden sich im dynamischen Getriebesystem, und die Rauheit der Zahnoberflächen beeinflusst deren NVH-Leistung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass bei gleicher Belastung und Geschwindigkeit die Vibrationen und Geräusche des Systems umso stärker sind, je größer die Oberflächenrauheit ist. Mit zunehmender Belastung und Geschwindigkeit nehmen Vibrationen und Geräusche deutlicher zu.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Getriebe stark zugenommen und zeigt einen Entwicklungstrend hin zu hohen Drehzahlen und hohem Drehmoment. Das maximale Drehmoment unseres neuen Getriebes beträgt derzeit 354 Nm und die maximale Drehzahl 16.000 U/min. Diese wird zukünftig auf über 20.000 U/min erhöht. Unter diesen Betriebsbedingungen muss der Einfluss der zunehmenden Zahnoberflächenrauheit auf die NVH-Leistung des Systems berücksichtigt werden.

Verbesserungsmaßnahmen für die Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen

Das Kugelstrahlen nach dem Schleifen von Zahnrädern kann die Kontaktermüdungsfestigkeit der Zahnoberfläche und die Biegewechselfestigkeit des Zahnfußes verbessern. Wenn dieses Verfahren aus Festigkeitsgründen bei der Zahnradkonstruktion eingesetzt werden muss, um die NVH-Eigenschaften des Systems zu berücksichtigen, kann die Rauheit der Zahnoberfläche nach dem Kugelstrahlen unter folgenden Gesichtspunkten verbessert werden:

a. Optimieren Sie die Prozessparameter des Kugelstrahlens und kontrollieren Sie die Zunahme der Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen, um die Druckeigenspannung sicherzustellen. Dies erfordert umfangreiche Prozesstests, und die Prozessflexibilität ist nicht hoch.

b. Es wird das Verbund-Kugelstrahlverfahren angewendet, d. h., nach Abschluss des Kugelstrahlens mit normaler Stärke wird ein weiteres Kugelstrahlen durchgeführt. Die erhöhte Stärke des Kugelstrahlprozesses ist in der Regel gering. Art und Größe der Strahlmaterialien können angepasst werden, z. B. Keramik-, Glas- oder Stahldrahtschrot mit kleinerer Größe.

c. Nach dem Kugelstrahlen werden Prozesse wie das Polieren der Zahnoberflächen und das Freihonen hinzugefügt.

In diesem Artikel wird die Zahnoberflächenrauheit unter verschiedenen Bedingungen des Kugelstrahlprozesses und verschiedener Teile vor und nach dem Kugelstrahlen untersucht und auf Grundlage der Literatur folgende Schlussfolgerungen gezogen:

◆ Durch das Kugelstrahlen wird die Rauheit der Zahnoberfläche erhöht, was von den Eigenschaften der Teile vor dem Kugelstrahlen, den Parametern des Kugelstrahlprozesses und anderen Faktoren beeinflusst wird. Diese Faktoren sind auch die Schlüsselfaktoren, die die Restdruckspannung beeinflussen.

◆ Unter den bestehenden Bedingungen des Chargenproduktionsprozesses beträgt die maximale Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen das 3,1-fache der Rauheit vor dem Kugelstrahlen.

◆ Eine erhöhte Rauheit der Zahnoberfläche führt zu mehr Vibrationen und Geräuschen im System. Je höher das Drehmoment und die Geschwindigkeit, desto deutlicher werden die Zunahme von Vibrationen und Geräuschen.

◆ Die Rauheit der Zahnoberfläche nach dem Kugelstrahlen kann durch Optimierung der Kugelstrahlprozessparameter, zusammengesetztes Kugelstrahlen, Polieren oder freies Honen nach dem Kugelstrahlen usw. verbessert werden. Durch die Optimierung der Kugelstrahlprozessparameter lässt sich die Rauheitsverstärkung voraussichtlich auf etwa das 1,5-fache steuern.