بخش‌های زیادی ازچرخ‌دنده‌های کاهنده انرژی جدیدوچرخ دنده های خودروپروژه‌ای پس از سنگ‌زنی چرخ‌دنده نیاز به ساچمه‌زنی دارد که کیفیت سطح دندانه را کاهش می‌دهد و حتی بر عملکرد NVH سیستم تأثیر می‌گذارد. این مقاله زبری سطح دندانه را در شرایط مختلف فرآیند ساچمه‌زنی و قطعات مختلف قبل و بعد از ساچمه‌زنی بررسی می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که ساچمه‌زنی زبری سطح دندانه را افزایش می‌دهد که تحت تأثیر ویژگی‌های قطعات، پارامترهای فرآیند ساچمه‌زنی و سایر عوامل قرار دارد. تحت شرایط فرآیند تولید دسته‌ای موجود، حداکثر زبری سطح دندانه پس از ساچمه‌زنی 3.1 برابر قبل از ساچمه‌زنی است. تأثیر زبری سطح دندانه بر عملکرد NVH مورد بحث قرار گرفته و اقداماتی برای بهبود زبری پس از ساچمه‌زنی پیشنهاد شده است.

با توجه به پیشینه فوق، این مقاله از سه جنبه زیر بحث می‌کند:

تأثیر پارامترهای فرآیند ساچمه‌زنی بر زبری سطح دندان؛

میزان تشدید زبری سطح دندانه با ساچمه‌زنی تحت شرایط فرآیند تولید دسته‌ای موجود؛

تأثیر افزایش زبری سطح دندانه بر عملکرد NVH و اقداماتی برای بهبود زبری پس از ساچمه‌زنی.

ساچمه‌زنی به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن تعداد زیادی پرتابه کوچک با سختی بالا و حرکت پرسرعت به سطح قطعات برخورد می‌کنند. تحت تأثیر سرعت بالای پرتابه، سطح قطعه حفره‌هایی ایجاد می‌کند و تغییر شکل پلاستیک رخ می‌دهد. ساختارهای اطراف حفره‌ها در برابر این تغییر شکل مقاومت کرده و تنش فشاری پسماند ایجاد می‌کنند. همپوشانی حفره‌های متعدد، یک لایه تنش فشاری پسماند یکنواخت روی سطح قطعه تشکیل می‌دهد و در نتیجه استحکام خستگی قطعه را بهبود می‌بخشد. بر اساس روش دستیابی به سرعت بالا با ساچمه‌زنی، ساچمه‌زنی عموماً به ساچمه‌زنی با هوای فشرده و ساچمه‌زنی گریز از مرکز تقسیم می‌شود، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

ساچمه‌زنی با هوای فشرده، از هوای فشرده به عنوان نیروی محرکه برای پاشش ساچمه از تفنگ استفاده می‌کند؛ ساچمه‌زنی گریز از مرکز از یک موتور برای چرخاندن پروانه با سرعت بالا جهت پرتاب ساچمه استفاده می‌کند. پارامترهای کلیدی فرآیند ساچمه‌زنی شامل مقاومت اشباع، پوشش و خواص محیط ساچمه‌زنی (جنس، اندازه، شکل، سختی) است. مقاومت اشباع پارامتری برای توصیف مقاومت ساچمه‌زنی است که با ارتفاع قوس (یعنی درجه خمش قطعه آزمایشی آلمن پس از ساچمه‌زنی) بیان می‌شود. نرخ پوشش به نسبت مساحت پوشیده شده توسط حفره پس از ساچمه‌زنی به کل مساحت ناحیه ساچمه‌زنی شده اشاره دارد. مواد ساچمه‌زنی که معمولاً استفاده می‌شوند شامل ساچمه برش سیم فولادی، ساچمه فولادی ریخته‌گری شده، ساچمه سرامیکی، ساچمه شیشه‌ای و غیره هستند. اندازه، شکل و سختی مواد ساچمه‌زنی درجات مختلفی دارد. الزامات فرآیند کلی برای قطعات شفت دنده انتقال در جدول 1 نشان داده شده است.

قطعه مورد آزمایش، چرخ‌دنده شفت میانی ۱/۶ یک پروژه هیبریدی است. ساختار چرخ‌دنده در شکل ۲ نشان داده شده است. پس از سنگ‌زنی، ریزساختار سطح دندانه درجه ۲، سختی سطح ۷۱۰HV30 و عمق لایه سخت‌کننده مؤثر ۰.۶۵ میلی‌متر است که همگی در محدوده الزامات فنی قرار دارند. زبری سطح دندانه قبل از ساچمه‌زنی در جدول ۳ و دقت پروفیل دندانه در جدول ۴ نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که زبری سطح دندانه قبل از ساچمه‌زنی خوب و منحنی پروفیل دندانه صاف است.

طرح آزمایش و پارامترهای آزمایش

در این آزمایش از دستگاه ساچمه‌زنی با هوای فشرده استفاده شده است. با توجه به شرایط آزمایش، بررسی تأثیر خواص محیط ساچمه‌زنی (جنس، اندازه، سختی) غیرممکن است. بنابراین، خواص محیط ساچمه‌زنی در آزمایش ثابت است. فقط تأثیر استحکام اشباع و پوشش بر زبری سطح دندانه پس از ساچمه‌زنی بررسی می‌شود. برای طرح آزمایش به جدول 2 مراجعه کنید. فرآیند تعیین پارامترهای آزمایش به شرح زیر است: منحنی اشباع (شکل 3) را از طریق آزمایش کوپن آلمن رسم کنید تا نقطه اشباع مشخص شود، به طوری که فشار هوای فشرده، جریان ساچمه فولادی، سرعت حرکت نازل، فاصله نازل از قطعات و سایر پارامترهای تجهیزات ثابت بماند.

نتیجه آزمایش

داده‌های زبری سطح دندانه پس از ساچمه‌زنی در جدول 3 و دقت پروفیل دندانه در جدول 4 نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که تحت چهار حالت ساچمه‌زنی، زبری سطح دندانه افزایش می‌یابد و منحنی پروفیل دندانه پس از ساچمه‌زنی مقعر و محدب می‌شود. نسبت زبری پس از پاشش به زبری قبل از پاشش برای توصیف بزرگنمایی زبری استفاده می‌شود (جدول 3). مشاهده می‌شود که بزرگنمایی زبری تحت چهار حالت فرآیند متفاوت است.

ردیابی دسته‌ای بزرگنمایی زبری سطح دندان با ساچمه‌زنی

نتایج آزمایش در بخش ۳ نشان می‌دهد که زبری سطح دندانه پس از ساچمه‌زنی با فرآیندهای مختلف، در درجات مختلفی افزایش می‌یابد. به منظور درک کامل تأثیر ساچمه‌زنی بر زبری سطح دندانه و افزایش تعداد نمونه‌ها، ۵ مورد، ۵ نوع و در مجموع ۴۴ قطعه برای ردیابی زبری قبل و بعد از ساچمه‌زنی تحت شرایط فرآیند ساچمه‌زنی تولید دسته‌ای انتخاب شدند. برای اطلاعات فیزیکی و شیمیایی و اطلاعات فرآیند ساچمه‌زنی قطعات ردیابی شده پس از سنگ‌زنی چرخ‌دنده، به جدول ۵ مراجعه کنید. داده‌های زبری و بزرگنمایی سطوح دندانه‌های جلو و عقب قبل از ساچمه‌زنی در شکل ۴ نشان داده شده است. شکل ۴ نشان می‌دهد که محدوده زبری سطح دندانه قبل از ساچمه‌زنی Rz1.6 μ m-Rz4.3 μ m است. پس از ساچمه‌زنی، زبری افزایش می‌یابد و محدوده توزیع آن Rz2.3 μ m-Rz6.7 μ m است. حداکثر زبری را می‌توان قبل از ساچمه‌زنی تا ۳.۱ برابر افزایش داد.

عوامل مؤثر بر زبری سطح دندان پس از ساچمه‌زنی

از اصل ساچمه‌زنی می‌توان دریافت که سختی بالا و حرکت سریع ساچمه، حفره‌های بی‌شماری را روی سطح قطعه ایجاد می‌کند که منبع تنش فشاری پسماند است. در عین حال، این حفره‌ها منجر به افزایش زبری سطح می‌شوند. ویژگی‌های قطعات قبل از ساچمه‌زنی و پارامترهای فرآیند ساچمه‌زنی، همانطور که در جدول 6 ذکر شده است، بر زبری پس از ساچمه‌زنی تأثیر می‌گذارند. در بخش 3 این مقاله، تحت چهار شرایط فرآیندی، زبری سطح دندانه پس از ساچمه‌زنی به درجات مختلفی افزایش می‌یابد. در این آزمایش، دو متغیر وجود دارد، یعنی زبری قبل از ساچمه‌زنی و پارامترهای فرآیند (استحکام اشباع یا پوشش)، که نمی‌توانند رابطه بین زبری پس از ساچمه‌زنی و هر یک از عوامل مؤثر را به طور دقیق تعیین کنند. در حال حاضر، بسیاری از محققان در این زمینه تحقیقاتی انجام داده‌اند و یک مدل پیش‌بینی نظری از زبری سطح پس از ساچمه‌زنی بر اساس شبیه‌سازی المان محدود ارائه داده‌اند که برای پیش‌بینی مقادیر زبری مربوطه در فرآیندهای مختلف ساچمه‌زنی استفاده می‌شود.

بر اساس تجربه واقعی و تحقیقات سایر محققان، می‌توان نحوه تأثیر عوامل مختلف را همانطور که در جدول 6 نشان داده شده است، حدس زد. مشاهده می‌شود که زبری پس از ساچمه‌زنی به طور جامع تحت تأثیر عوامل زیادی قرار می‌گیرد که این عوامل، عوامل کلیدی مؤثر بر تنش فشاری پسماند نیز هستند. به منظور کاهش زبری پس از ساچمه‌زنی با فرض اطمینان از تنش فشاری پسماند، تعداد زیادی آزمایش فرآیند برای بهینه‌سازی مداوم ترکیب پارامترها مورد نیاز است.

تأثیر زبری سطح دندانه بر عملکرد NVH سیستم

قطعات چرخ‌دنده در سیستم انتقال قدرت دینامیکی قرار دارند و زبری سطح دندانه بر عملکرد NVH آنها تأثیر می‌گذارد. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که تحت بار و سرعت یکسان، هر چه زبری سطح بیشتر باشد، ارتعاش و نویز سیستم بیشتر است. با افزایش بار و سرعت، ارتعاش و نویز به طور واضح‌تری افزایش می‌یابد.

در سال‌های اخیر، پروژه‌های کاهنده‌های انرژی جدید به سرعت افزایش یافته‌اند و روند توسعه سرعت بالا و گشتاور بزرگ را نشان می‌دهند. در حال حاضر، حداکثر گشتاور کاهنده انرژی جدید ما 354 نیوتن بر متر و حداکثر سرعت 16000 دور در دقیقه است که در آینده به بیش از 20000 دور در دقیقه افزایش خواهد یافت. در چنین شرایط کاری، تأثیر افزایش زبری سطح دندانه بر عملکرد NVH سیستم باید در نظر گرفته شود.

اقدامات بهبود زبری سطح دندان پس از ساچمه زنی

فرآیند ساچمه‌زنی پس از سنگ‌زنی چرخ‌دنده می‌تواند استحکام خستگی تماسی سطح دندانه چرخ‌دنده و استحکام خستگی خمشی ریشه دندانه را بهبود بخشد. اگر این فرآیند به دلایل استحکامی در فرآیند طراحی چرخ‌دنده مورد استفاده قرار گیرد، به منظور در نظر گرفتن عملکرد NVH سیستم، زبری سطح دندانه چرخ‌دنده پس از ساچمه‌زنی می‌تواند از جنبه‌های زیر بهبود یابد:

الف. پارامترهای فرآیند ساچمه‌زنی را بهینه کنید و با فرض اطمینان از تنش فشاری پسماند، میزان افزایش زبری سطح دندانه پس از ساچمه‌زنی را کنترل کنید. این کار نیاز به آزمایش‌های فرآیندی زیادی دارد و تطبیق‌پذیری فرآیند زیاد نیست.

ب. فرآیند ساچمه‌زنی کامپوزیتی اتخاذ می‌شود، یعنی پس از اتمام ساچمه‌زنی با استحکام معمولی، یک ساچمه‌زنی دیگر اضافه می‌شود. استحکام افزایش‌یافته فرآیند ساچمه‌زنی معمولاً کم است. نوع و اندازه مواد ساچمه را می‌توان تنظیم کرد، مانند ساچمه سرامیکی، ساچمه شیشه‌ای یا ساچمه برش سیم فولادی با اندازه کوچکتر.

ج. پس از ساچمه‌زنی، فرآیندهایی مانند پولیش سطح دندانه و هونینگ آزاد اضافه می‌شوند.

در این مقاله، زبری سطح دندانه در شرایط مختلف فرآیند ساچمه‌زنی و قطعات مختلف قبل و بعد از ساچمه‌زنی بررسی شده و نتایج زیر بر اساس منابع علمی استخراج شده است:

◆ ساچمه‌زنی زبری سطح دندانه را افزایش می‌دهد که تحت تأثیر ویژگی‌های قطعات قبل از ساچمه‌زنی، پارامترهای فرآیند ساچمه‌زنی و سایر عوامل قرار می‌گیرد و این عوامل همچنین عوامل کلیدی مؤثر بر تنش فشاری پسماند هستند.

◆ تحت شرایط فرآیند تولید دسته‌ای موجود، حداکثر زبری سطح دندانه پس از ساچمه‌زنی ۳.۱ برابر قبل از ساچمه‌زنی است؛

◆ افزایش زبری سطح دندانه، ارتعاش و صدای سیستم را افزایش می‌دهد. هرچه گشتاور و سرعت بیشتر باشد، افزایش ارتعاش و صدا آشکارتر است.

◆ زبری سطح دندان پس از ساچمه‌زنی را می‌توان با بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند ساچمه‌زنی، ساچمه‌زنی ترکیبی، افزودن پولیش یا هونینگ آزاد پس از ساچمه‌زنی و غیره بهبود بخشید. انتظار می‌رود بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند ساچمه‌زنی، افزایش زبری را تا حدود ۱.۵ برابر کنترل کند.