基于冷挤压强化技术的传动箱可靠性增长研究

范知友， 谢东升

(1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.解放军陆军第一综合训练基地，江苏句容 212421)

传动箱是车辆的重要部件，其可靠性直接影响车辆的可使用性.特种车辆的传动箱由于在复杂地形的使用中遭受强烈的交变载荷作用，所以出现疲劳损坏的情况时有发生.某特种车辆的传动箱在使用中损坏比较频繁，而其损坏主要出现在箱体齿轮轴承座孔周围的螺纹孔边上.螺纹孔边存在应力集中，螺纹本身也有应力集中，应力集中部位对疲劳载荷很敏感；不仅如此，螺纹孔表层附近还存在微观缺陷，这些缺陷对疲劳载荷也很敏感，容易扩展成宏观裂纹，进而发展成临界裂纹而形成疲劳破坏.所以，要解决该传动箱的损坏问题，就必须提高其螺纹孔的抗疲劳特性.

1 冷挤压强化原理

提高螺纹孔的抗疲劳特性的有效措施之一是冷挤压强化技术.

图1是螺纹孔在冷挤压前后的显微组织状态.图1(a)中的黑色纹理为带尖角的铸造气孔，图1(b)中的孔壁没有经冷挤压，孔表面的铸造气孔未被压缩(含箭头所指的位置)，可以看出光洁度差；图1(a)、(b)中的缺陷，是构件中的裂纹源，在疲劳载荷作用下，这些裂纹源容易扩展成宏观裂纹直至断裂.图1(c)是经冷挤压的孔壁，可见表面光洁度好，表层气孔已被压合，裂纹源大为减少，疲劳强度因此提高.

图1 圆孔在挤压前后的显微组织状态

按照《抗疲劳制造原理与技术》[1]，疲劳强度提高，也就延长了疲劳寿命.因为螺纹孔被冷挤压时，在孔壁外围一定的深层内由于受力较大而产生塑性变形，塑性变形区的外层由于受力较小只产生弹性变形.冷挤压完后，随着挤压件的卸载，弹性变形区回弹，压迫塑性变形区，使孔壁表层产生残余压应力，这个残余压应力层就是强化层.当构件受到疲劳载荷作用时，孔壁所受的应力幅值不变.但由于残余压应力存在而使平均应力降低.设工作应力幅值为σa，工作平均应力为σm，材料强度极限为σb.根据古德曼公式，等效应力幅值为：

(1)

由式(1)可知，工作平均应力σm越小，等效应力幅值σae就越小.

而传动箱承受的是高周疲劳载荷.寿命N与所受应力幅值σae的关系如式(2)所示.[2]

.

(2)

式中：A、α为材料常数.

所以，等效应力幅值σae越小，寿命N就越长.

基于以上理论，本研究采用冷挤压强化技术对某特种车辆传动箱进行了可靠性增长研究.

2 螺纹孔冷挤压强化方案研究

2.1 预攻丝锥设计

针对该传动箱体的材料极限断裂应变很小的现状，确定适当的挤压量是提高疲劳寿命的关键.若挤压量过小，强化程度也小，寿命提高幅度不大；若挤压量过大，由于其材料脆性较大，容易产生裂纹，反而会降低疲劳寿命.所以，螺纹的哪些部位需要挤压、各部位的挤压量如何匹配是本研究的关键.

箱体上的螺纹孔是标准化的，为了实现对螺纹孔冷挤压强化，研究中采用了先钻孔→预攻丝→挤压成标准螺孔的工艺程序.即在加工标准化螺纹前先用预攻丝锥预先攻成初始螺纹，螺纹各部位的挤压量由预攻丝锥来控制；然后再用设计图纸所规定的标准商用丝锥挤压成标准螺纹孔.

为了确定合适的冷挤压量，就需要研究不同螺纹部位不同挤压量对疲劳寿命的影响.本研究设计了针对标准M12螺纹孔的5种不同规格的预攻丝锥来进行试样的加工.各种预攻丝锥的尺寸见表1.

表1 预攻丝锥尺寸

2.2 等幅疲劳试验

按照表1中的预攻丝锥制作试样进行等幅疲劳试验，得到了不同的寿命，结果见表2.

表2 等幅疲劳试验结果

2.3 试验结果分析

通过对表2中试验结果进行分析，可以得到以下基本结论：

1号方案，用标准丝锥直接由圆孔挤成螺纹孔，齿根名义挤压量为1.06 mm，齿尖挤压量为0，由于挤压量过大，造成预损伤，寿命提高幅度不大(60.1%).

2号方案，齿根名义挤压量为0.46 mm，齿尖挤压量为0，挤压量过小，寿命提高幅度也不大(74%).

3号方案，齿根挤压量为0.66 mm，齿尖挤压量为0，介于方案1和方案2之间，寿命提高较大(169%).

将试样打断，在电子显微镜下观察断口中的疲劳区，发现齿根部应力集中最大，但其表面光滑，而且有较大的残余压应力，因此不容易萌生疲劳裂纹.疲劳裂纹多萌生于齿中部和前部的齿侧面.而方案2和方案3主要是挤压齿根，没挤压齿侧面.1号方案虽然挤压了齿侧面，但挤压量过大，造成预损伤.所以，这三个方案寿命提高幅度不大.

方案4同时挤压了齿根和齿侧侧面，齿根名义挤压量为0.16 mm，齿尖名义挤压量为0.14 mm，挤压齿尖的同时又挤压了齿侧面.在这5个方案中，这一方案提高的寿命最大(5.38倍).

方案5是为了研究齿尖挤压的作用.方案3中，对齿根、齿侧面和齿尖同时挤压.在方案5中，在对齿根、齿侧面挤压量不变的情况下，使齿尖名义挤压量为0，结果，寿命低于方案4.

从以上分析可以得出，对螺纹的齿根、齿侧和齿尖同时非均匀挤压，寿命才能明显提高.

因此，方案4是比较合适的方案.

3 寿命增长试验研究

为了进一步确定预攻丝锥方案4对螺纹孔冷挤压的实际效果，分别研制模拟样件和实物样件进行了试验研究.

3.1 模拟样件台架试验研究

1)模拟试样设计.

为了比较冷挤压强化和未冷挤压强化的箱体的疲劳寿命，加工了两种模拟试样.这两种试样的外形尺寸和热处理工艺与原产品都一样，其中一种试样的螺纹孔不进行冷挤压，另一种试样按方案4进行冷挤压加工.前者叫未挤压试样，后者叫挤压试样.为了提高对比试验结果的置信度，两种试样的数量都是12根，以避免随机因素的干扰.

2)试验载荷的确定.

为了模拟产品的实际使用载荷，将实测的载荷谱按疲劳损伤等效法则转化为程序载荷谱[3]，如表3所示.关于程序载荷谱的转化问题在此不作详述.

表3 试验载荷谱

考虑到加载顺序对疲劳寿命的影响，按照常规采用中一高一低顺序试验谱[4]，如图2所示.

图2 试验谱

3)试验结果分析.

按照图2所示的试验顺序谱，对12根试样进行了试验，试验结果见表4.

表4 两种试样的对比试验

由表4给出的试验数据进行数理统计分析，得到表5所示的分析结果.

表5 数理统计分析结果

由表5的结果可以看到：

1)与变异系数相对应，冷挤压试样最少试件数为6个，未冷挤压试件最少试件为12个，实际试验件数都是12个，这表明试验件数满足置信度为95%中值寿命所需的试件数.

2)冷挤压试样的平均寿命是未冷挤压试样的6.1倍，与表2中方案4下的冷挤压试样寿命与未冷挤压试样寿命之比基本一致.

3)挤压试样变异系数为未冷挤压孔试样的60%，即挤压试样的疲劳寿命分散性减小了.大量试验表明，此产品的疲劳寿命为对数正态分布，其可靠性系数为标准差的减函数，即分散性越小，可靠性越高.所以，挤压试样分散性减小了，表明其可靠性提高了.

为了说明这一点，我们由表5分析两种试样在不同存活率(可靠度)下的寿命比.存活率即可靠度为P的对数.平均疲劳寿命Xp、标准正态偏量Up、对数标准差S之间的关系如式(3)所示.[5]

.

(3)

按照式(3)并经查表计算可以得出不同存活率下的寿命比，结果见表6.

表6 不同存活率下的寿命比

由表6可以看出，存活率越高，挤压试样比未挤压试样的疲劳寿命提高就越大.表明螺纹孔经本方案的非均匀冷挤压强化后，疲劳寿命与疲劳可靠性都有明显提高.

3.2 样件寿命试验研究

经过模拟样件试验后，按照预攻丝锥设计方案4，加工3台传动箱实物样机在使用单位进行了装车行驶试验考核.

为了对比试验的效果，试验中，将3台样机安装在以往传动箱损坏最严重的车上进行试验.此前，其中一台车已连续损坏了3台传动箱，其使用寿命分别为17 h、52 h和63 h，平均使用寿命44 h.

按照冷挤压方案4加工的3台传动箱样机，分别装在车上按照日常的使用方式进行行驶试验.截止数据统计前，各传动箱的使用时间分别达到1 120 h、950 h和926 h，远远超过了以往的使用寿命，达到了平均寿命提高22.7倍的效果.虽然试验样本量有限，试验数据不能完全作为提高寿命倍数的结论依据，但可以肯定的是，采用非均匀冷挤压强化技术可以大幅提高产品的疲劳寿命.

4 结 论

1)本研究针对某特种车辆的传动箱的螺纹孔处损坏问题，采用冷挤压强化技术设计了多种预攻丝锥进行冷挤压的方案并研制试样进行了等幅疲劳

试验，得到了只有对螺纹的齿根、齿侧和齿尖同时非均匀挤压，寿命才能明显提高的基本结论，试验得到了冷挤压试样的平均寿命是未冷挤压试样的5.4倍的结果.

2)按照疲劳损伤等效法将实测的载荷谱转化为程序载荷谱，对试件进行了台架模拟试验，结果表明冷挤压试样的平均寿命是未冷挤压试样的6.1倍，进一步验证了冷挤压强化能够大幅提高产品的疲劳寿命.

3)道路行驶试验结果表明，样机平均寿命比改进前提高了22.7倍.虽然试验样本量有限，试验数据不能完全作为提高寿命倍数的结论依据，但可以肯定的是，采用非均匀冷挤压强化技术可以大幅提高产品的疲劳寿命.

本研究是针对特定的铸造箱体传动箱开展的研究，虽然研究结果有一定的针对性，不同材料、加工工艺不同，冷挤压强化的方案也就会有所不同，但可以肯定的是，采用非均匀冷挤压技术对螺纹齿根、齿侧和齿尖同时挤压，可以大幅度提升螺纹连接结构件的疲劳寿命，这对开展结构件的可靠性提升具有重要的借鉴意义.