หลายส่วนของเกียร์ทดกำลังพลังงานใหม่และเกียร์รถยนต์โครงการนี้ต้องการการพ่นลูกเหล็ก (shot peening) หลังจากการเจียรเฟือง ซึ่งจะทำให้คุณภาพของพื้นผิวฟันเฟืองเสื่อมลง และอาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพด้านเสียงและการสั่นสะเทือน (NVH) ของระบบได้ บทความนี้ศึกษาความหยาบของพื้นผิวฟันเฟืองภายใต้เงื่อนไขกระบวนการพ่นลูกเหล็กที่แตกต่างกัน และชิ้นส่วนต่างๆ ก่อนและหลังการพ่นลูกเหล็ก ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการพ่นลูกเหล็กจะเพิ่มความหยาบของพื้นผิวฟันเฟือง ซึ่งได้รับผลกระทบจากลักษณะของชิ้นส่วน พารามิเตอร์ของกระบวนการพ่นลูกเหล็ก และปัจจัยอื่นๆ ภายใต้เงื่อนไขกระบวนการผลิตแบบเป็นชุดในปัจจุบัน ความหยาบของพื้นผิวฟันเฟืองสูงสุดหลังการพ่นลูกเหล็กคือ 3.1 เท่าของก่อนการพ่นลูกเหล็ก บทความนี้ได้วิเคราะห์ถึงอิทธิพลของความหยาบของพื้นผิวฟันเฟืองต่อประสิทธิภาพด้าน NVH และเสนอแนวทางในการปรับปรุงความหยาบหลังการพ่นลูกเหล็ก

จากข้อมูลพื้นฐานข้างต้น บทความนี้จะกล่าวถึงประเด็นต่างๆ จากสามแง่มุมดังต่อไปนี้:

อิทธิพลของพารามิเตอร์กระบวนการพ่นลูกเหล็กต่อความหยาบของพื้นผิวฟัน

ระดับการขยายผลของการยิงลูกปืนต่อความหยาบของพื้นผิวฟันภายใต้เงื่อนไขกระบวนการผลิตแบบเป็นชุดที่มีอยู่

ผลกระทบของความหยาบผิวฟันที่เพิ่มขึ้นต่อประสิทธิภาพ NVH และมาตรการปรับปรุงความหยาบผิวหลังจากการยิงลูกปืน

การยิงลูกเหล็ก (Shot peening) หมายถึงกระบวนการที่ใช้ลูกเหล็กขนาดเล็กจำนวนมากที่มีความแข็งสูงและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงพุ่งชนพื้นผิวของชิ้นส่วน ภายใต้แรงกระแทกความเร็วสูงของลูกเหล็ก พื้นผิวของชิ้นส่วนจะเกิดเป็นหลุมและเกิดการเสียรูปพลาสติก โครงสร้างรอบๆ หลุมจะต้านทานการเสียรูปนี้และสร้างความเค้นอัดตกค้าง การทับซ้อนกันของหลุมจำนวนมากจะก่อให้เกิดชั้นความเค้นอัดตกค้างที่สม่ำเสมอทั่วพื้นผิวของชิ้นส่วน ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงต่อความล้าของชิ้นส่วน ตามวิธีการสร้างความเร็วสูงโดยการยิง ลูกเหล็กโดยทั่วไปแบ่งออกเป็น การยิงลูกเหล็กด้วยอากาศอัดและการยิงลูกเหล็กแบบแรงเหวี่ยง ดังแสดงในรูปที่ 1

การพ่นลูกเหล็กด้วยลมอัดใช้ลมอัดเป็นพลังงานในการพ่นลูกเหล็กออกจากปืน ส่วนการพ่นลูกเหล็กแบบแรงเหวี่ยงใช้มอเตอร์ขับเคลื่อนใบพัดให้หมุนด้วยความเร็วสูงเพื่อพ่นลูกเหล็กออกมา พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญของการพ่นลูกเหล็ก ได้แก่ ความแข็งแรงอิ่มตัว อัตราการครอบคลุม และคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ในการพ่นลูกเหล็ก (วัสดุ ขนาด รูปร่าง ความแข็ง) ความแข็งแรงอิ่มตัวเป็นพารามิเตอร์ที่ใช้บ่งบอกถึงความแข็งแรงของการพ่นลูกเหล็ก ซึ่งแสดงโดยความสูงของส่วนโค้ง (เช่น ระดับการโค้งงอของชิ้นงานทดสอบ Almen หลังจากการพ่นลูกเหล็ก) อัตราการครอบคลุมหมายถึงอัตราส่วนของพื้นที่ที่ถูกปกคลุมด้วยหลุมหลังจากการพ่นลูกเหล็กต่อพื้นที่ทั้งหมดที่ถูกพ่นลูกเหล็ก วัสดุที่ใช้ในการพ่นลูกเหล็กโดยทั่วไป ได้แก่ ลูกเหล็กตัดด้วยลวด ลูกเหล็กหล่อ ลูกเหล็กเซรามิก ลูกเหล็กแก้ว เป็นต้น ขนาด รูปร่าง และความแข็งของวัสดุที่ใช้ในการพ่นลูกเหล็กมีหลายระดับ ข้อกำหนดกระบวนการทั่วไปสำหรับชิ้นส่วนเพลาเกียร์ส่งกำลังแสดงในตารางที่ 1

ชิ้นส่วนทดสอบคือเฟืองเพลาตัวกลาง 1/6 ของโครงการไฮบริด โครงสร้างของเฟืองแสดงในรูปที่ 2 หลังจากเจียรแล้ว โครงสร้างจุลภาคของพื้นผิวฟันอยู่ในระดับ 2 ความแข็งของพื้นผิวคือ 710HV30 และความลึกของชั้นชุบแข็งที่มีประสิทธิภาพคือ 0.65 มม. ซึ่งทั้งหมดอยู่ในเกณฑ์ข้อกำหนดทางเทคนิค ความหยาบของพื้นผิวฟันก่อนการยิงลูกเหล็กแสดงในตารางที่ 3 และความแม่นยำของรูปทรงฟันแสดงในตารางที่ 4 จะเห็นได้ว่าความหยาบของพื้นผิวฟันก่อนการยิงลูกเหล็กอยู่ในระดับดี และเส้นโค้งของรูปทรงฟันมีความเรียบ

แผนการทดสอบและพารามิเตอร์การทดสอบ

ในการทดสอบนี้ใช้เครื่องพ่นลูกเหล็กอัดอากาศ เนื่องจากเงื่อนไขการทดสอบ ทำให้ไม่สามารถตรวจสอบผลกระทบของคุณสมบัติของลูกเหล็กที่ใช้ในการพ่น (วัสดุ ขนาด ความแข็ง) ได้ ดังนั้น คุณสมบัติของลูกเหล็กจึงคงที่ในการทดสอบ มีการตรวจสอบเฉพาะผลกระทบของความแข็งแรงที่อิ่มตัวและการครอบคลุมต่อความหยาบของพื้นผิวฟันหลังการพ่นลูกเหล็กเท่านั้น ดูตารางที่ 2 สำหรับแผนการทดสอบ กระบวนการกำหนดพารามิเตอร์การทดสอบโดยละเอียดมีดังนี้: วาดเส้นโค้งความอิ่มตัว (รูปที่ 3) โดยใช้การทดสอบคูปอง Almen เพื่อกำหนดจุดอิ่มตัว เพื่อกำหนดความดันอากาศอัด อัตราการไหลของลูกเหล็ก ความเร็วในการเคลื่อนที่ของหัวฉีด ระยะห่างของหัวฉีดจากชิ้นส่วน และพารามิเตอร์อุปกรณ์อื่นๆ

ผลการทดสอบ

ข้อมูลความหยาบของผิวฟันหลังการพ่นลูกเหล็กแสดงในตารางที่ 3 และความแม่นยำของรูปทรงฟันแสดงในตารางที่ 4 จะเห็นได้ว่าภายใต้เงื่อนไขการพ่นลูกเหล็กทั้งสี่แบบ ความหยาบของผิวฟันเพิ่มขึ้น และเส้นโค้งของรูปทรงฟันจะเว้าและนูนขึ้นหลังการพ่นลูกเหล็ก อัตราส่วนของความหยาบหลังการพ่นต่อความหยาบก่อนการพ่นใช้ในการบ่งบอกถึงการขยายตัวของความหยาบ (ตารางที่ 3) จะเห็นได้ว่าการขยายตัวของความหยาบแตกต่างกันภายใต้เงื่อนไขกระบวนการทั้งสี่แบบ

การติดตามการขยายความหยาบของพื้นผิวฟันด้วยการยิงลูกปืนแบบเป็นชุด

ผลการทดสอบในส่วนที่ 3 แสดงให้เห็นว่าความหยาบของพื้นผิวฟันเพิ่มขึ้นในระดับที่แตกต่างกันหลังจากกระบวนการพ่นลูกเหล็ก (shot peening) ที่มีกระบวนการต่างกัน เพื่อให้เข้าใจถึงการขยายความหยาบของพื้นผิวฟันหลังการพ่นลูกเหล็กอย่างครบถ้วน และเพื่อเพิ่มจำนวนตัวอย่าง จึงได้เลือกชิ้นส่วน 5 ชิ้น 5 ชนิด รวมทั้งหมด 44 ชิ้น เพื่อติดตามความหยาบก่อนและหลังการพ่นลูกเหล็กภายใต้เงื่อนไขของกระบวนการพ่นลูกเหล็กแบบผลิตเป็นชุด ดูตารางที่ 5 สำหรับข้อมูลทางกายภาพและเคมี และข้อมูลกระบวนการพ่นลูกเหล็กของชิ้นส่วนที่ติดตามหลังจากการเจียรเฟือง ข้อมูลความหยาบและการขยายของพื้นผิวฟันด้านหน้าและด้านหลังก่อนการพ่นลูกเหล็กแสดงในรูปที่ 4 รูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่าช่วงของความหยาบของพื้นผิวฟันก่อนการพ่นลูกเหล็กคือ Rz1.6 μm-Rz4.3 μm หลังจากพ่นลูกเหล็กแล้ว ความหยาบเพิ่มขึ้น และช่วงการกระจายคือ Rz2.3 μm-Rz6.7 μm ความหยาบสูงสุดสามารถขยายได้ถึง 3.1 เท่าก่อนการพ่นลูกเหล็ก

ปัจจัยที่มีผลต่อความหยาบของผิวฟันหลังการยิงลูกปืน

จากหลักการของการยิงลูกเหล็กเพื่อปรับผิวชิ้นงาน จะเห็นได้ว่าลูกเหล็กที่มีความแข็งสูงและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะทิ้งร่องรอยเป็นหลุมจำนวนมากบนพื้นผิวชิ้นงาน ซึ่งเป็นแหล่งที่มาของความเค้นอัดตกค้าง ในขณะเดียวกัน หลุมเหล่านี้จะทำให้ความหยาบของพื้นผิวเพิ่มขึ้น คุณลักษณะของชิ้นงานก่อนการยิงลูกเหล็กและพารามิเตอร์ของกระบวนการยิงลูกเหล็กจะมีผลต่อความหยาบหลังการยิงลูกเหล็ก ดังแสดงในตารางที่ 6 ในส่วนที่ 3 ของบทความนี้ ภายใต้เงื่อนไขกระบวนการทั้งสี่ ความหยาบของพื้นผิวฟันหลังการยิงลูกเหล็กจะเพิ่มขึ้นในระดับที่แตกต่างกัน ในการทดสอบนี้ มีตัวแปรสองตัว ได้แก่ ความหยาบก่อนการยิงและพารามิเตอร์ของกระบวนการ (ความแข็งแรงอิ่มตัวหรือการครอบคลุม) ซึ่งไม่สามารถระบุความสัมพันธ์ระหว่างความหยาบหลังการยิงลูกเหล็กกับปัจจัยที่มีอิทธิพลแต่ละตัวได้อย่างแม่นยำ ปัจจุบัน นักวิชาการหลายท่านได้ทำการวิจัยในเรื่องนี้ และได้เสนอแบบจำลองการทำนายทางทฤษฎีของความหยาบของพื้นผิวหลังการยิงลูกเหล็กโดยใช้การจำลองด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ ซึ่งใช้ในการทำนายค่าความหยาบที่สอดคล้องกับกระบวนการยิงลูกเหล็กที่แตกต่างกัน

จากประสบการณ์จริงและการวิจัยของนักวิชาการท่านอื่น ๆ สามารถคาดการณ์รูปแบบอิทธิพลของปัจจัยต่าง ๆ ได้ดังแสดงในตารางที่ 6 จะเห็นได้ว่าความหยาบผิวหลังการยิงลูกปืนนั้นได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัยอย่างครอบคลุม ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความเค้นอัดตกค้างด้วยเช่นกัน เพื่อลดความหยาบผิวหลังการยิงลูกปืนโดยที่ยังคงรักษาความเค้นอัดตกค้างไว้ จำเป็นต้องมีการทดสอบกระบวนการจำนวนมากอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงการผสมผสานพารามิเตอร์ให้เหมาะสมที่สุด

อิทธิพลของความหยาบผิวฟันต่อประสิทธิภาพ NVH ของระบบ

ชิ้นส่วนเฟืองอยู่ในระบบส่งกำลังแบบไดนามิก และความหยาบของพื้นผิวฟันเฟืองจะส่งผลต่อประสิทธิภาพด้าน NVH (เสียง การสั่นสะเทือน และการสั่นสะเทือนของเครื่องยนต์) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า ภายใต้ภาระและความเร็วที่เท่ากัน ยิ่งความหยาบของพื้นผิวมากเท่าใด การสั่นสะเทือนและเสียงของระบบก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และเมื่อภาระและความเร็วเพิ่มขึ้น การสั่นสะเทือนและเสียงก็จะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดยิ่งขึ้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โครงการพัฒนาตัวลดความเร็วพลังงานรุ่นใหม่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มการพัฒนาไปสู่ความเร็วสูงและแรงบิดสูง ปัจจุบัน แรงบิดสูงสุดของตัวลดความเร็วพลังงานรุ่นใหม่ของเราอยู่ที่ 354 นิวตันเมตร และความเร็วสูงสุดอยู่ที่ 16,000 รอบต่อนาที ซึ่งจะเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 20,000 รอบต่อนาทีในอนาคต ภายใต้สภาวะการทำงานเช่นนี้ จำเป็นต้องพิจารณาถึงผลกระทบของการเพิ่มความหยาบของพื้นผิวฟันต่อประสิทธิภาพด้านเสียงและการสั่นสะเทือน (NVH) ของระบบด้วย

มาตรการปรับปรุงความหยาบของผิวฟันหลังการยิงลูกปืน

กระบวนการพ่นลูกเหล็กหลังจากเจียรเฟืองสามารถปรับปรุงความแข็งแรงต่อความล้าจากการสัมผัสของพื้นผิวฟันเฟืองและความแข็งแรงต่อความล้าจากการดัดงอของโคนฟันเฟืองได้ หากจำเป็นต้องใช้กระบวนการนี้เนื่องจากเหตุผลด้านความแข็งแรงในกระบวนการออกแบบเฟือง โดยคำนึงถึงประสิทธิภาพด้าน NVH (เสียง การสั่นสะเทือน และการสั่นสะเทือน) ของระบบ ความหยาบของพื้นผิวฟันเฟืองหลังจากพ่นลูกเหล็กสามารถปรับปรุงได้จากแง่มุมต่อไปนี้:

ก. ปรับพารามิเตอร์กระบวนการพ่นลูกเหล็กให้เหมาะสม และควบคุมการขยายตัวของความหยาบผิวฟันหลังการพ่นลูกเหล็ก โดยคำนึงถึงความเค้นอัดตกค้างเป็นสำคัญ ซึ่งต้องอาศัยการทดสอบกระบวนการจำนวนมาก และความยืดหยุ่นของกระบวนการยังไม่สูงนัก

ข. ใช้กระบวนการพ่นลูกเหล็กแบบผสม กล่าวคือ หลังจากทำการพ่นลูกเหล็กเพื่อเพิ่มความแข็งแรงตามปกติแล้ว จะมีการเพิ่มการพ่นลูกเหล็กอีกครั้ง โดยปกติแล้ว ความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นจากการพ่นลูกเหล็กจะมีค่าไม่มากนัก ชนิดและขนาดของวัสดุที่ใช้พ่นสามารถปรับได้ เช่น ลูกเหล็กเซรามิก ลูกเหล็กแก้ว หรือลูกเหล็กตัดลวดขนาดเล็ก

ค. หลังจากกระบวนการพ่นลูกเหล็กเพื่อปรับผิวฟันแล้ว จะมีการเพิ่มกระบวนการต่างๆ เช่น การขัดผิวฟันและการลับคมฟันแบบอิสระ

ในบทความนี้ ได้ทำการศึกษาความหยาบของพื้นผิวฟันภายใต้สภาวะกระบวนการพ่นลูกเหล็กที่แตกต่างกัน และชิ้นส่วนต่างๆ ก่อนและหลังการพ่นลูกเหล็ก โดยได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้จากงานวิจัยที่ผ่านมา:

◆ การยิงลูกเหล็กจะเพิ่มความหยาบของพื้นผิวฟัน ซึ่งได้รับผลกระทบจากลักษณะของชิ้นส่วนก่อนการยิงลูกเหล็ก พารามิเตอร์ของกระบวนการยิงลูกเหล็ก และปัจจัยอื่นๆ และปัจจัยเหล่านี้ยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความเค้นอัดตกค้างด้วย

◆ ภายใต้เงื่อนไขกระบวนการผลิตแบบเป็นชุดในปัจจุบัน ความหยาบผิวฟันสูงสุดหลังการพ่นลูกเหล็กจะสูงกว่าก่อนการพ่นลูกเหล็กถึง 3.1 เท่า

◆ การเพิ่มขึ้นของความหยาบผิวฟันจะทำให้การสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนของระบบเพิ่มขึ้น ยิ่งแรงบิดและความเร็วสูงขึ้น การสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้น

◆ ความหยาบของผิวฟันหลังการพ่นลูกเหล็กสามารถปรับปรุงได้โดยการปรับพารามิเตอร์กระบวนการพ่นลูกเหล็กให้เหมาะสม การพ่นลูกเหล็กแบบผสม การเพิ่มการขัดเงา หรือการลับคมเพิ่มเติมหลังการพ่นลูกเหล็ก เป็นต้น คาดว่าการปรับพารามิเตอร์กระบวนการพ่นลูกเหล็กให้เหมาะสมจะช่วยควบคุมการเพิ่มขึ้นของความหยาบได้ประมาณ 1.5 เท่า