《Applied Sciences》：Prediction of Bending Fatigue Life for Shot-Peened Face Gears Integrating Residual Stress Relaxation and Surface Topography Evolution
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通过喷丸强化可以有效提高面齿轮的疲劳性能。为揭示喷丸参数对强化效果的影响机理，研究人员首先建立了随机喷丸模型，通过该模型分析了喷丸参数对面齿轮残余应力分布和齿面形貌的影响。此外，研究人员开发了一种考虑残余应力和表面形貌的弯曲疲劳寿命预测模型，并研究了工艺参数（
通过喷丸强化可以有效提高面齿轮的疲劳性能。为揭示喷丸参数对强化效果的影响机理，研究人员首先建立了随机喷丸模型，通过该模型分析了喷丸参数对面齿轮残余应力分布和齿面形貌的影响。此外，研究人员开发了一种考虑残余应力和表面形貌的弯曲疲劳寿命预测模型，并研究了工艺参数（包括喷丸直径、喷丸速度和表面覆盖率）对弯曲疲劳寿命的影响机制。结果表明，喷丸诱导的残余压应力可以有效抵消工作拉应力，并降低外加载荷条件下齿根区域产生的应力峰值。此外，与表面覆盖率和喷丸直径相比，喷丸速度对疲劳寿命的影响更为显著，适当提高喷丸速度可以有效增强强化效果。
随着航空航天传动系统向高转速、高功率密度和长寿命方向发展，齿轮弯曲疲劳失效问题日益突出。喷丸强化作为一种典型表面强化技术，可通过高速弹丸冲击引入残余压应力并形成塑性硬化层，从而改善齿根区域应力状态、抑制裂纹萌生与扩展，提升齿轮弯曲疲劳强度与服役寿命。然而，现有研究多将喷丸诱导的残余应力直接作为经验初值用于疲劳分析，缺乏从“喷丸参数—残余应力演化—齿根应力重分布—疲劳寿命响应”全链条的系统研究。特别是对于面齿轮（face gear）这类具有复杂齿面空间曲率的构件，非均匀残余应力分布使得传统均匀残余应力假设难以准确表征实际强化机制。因此，本研究从喷丸工艺参数出发，建立喷丸过程与残余应力形成的关联模型，分析喷丸参数对面齿轮齿根区域残余应力空间分布特性的影响，并将残余应力场耦合至弯曲疲劳分析中，开发考虑残余应力重分布的弯曲疲劳寿命预测方法，实现从喷丸工艺到疲劳寿命响应的全链分析。该研究发表在《Applied Sciences》。
研究人员开展的主要研究包括：基于有限元法建立随机多弹丸冲击模型，模拟不同喷丸参数（弹丸直径0.2–0.8 mm、速度40–80 m/s、表面覆盖率100%–150%）下18CrNiMo7-6钢制面齿轮齿根区域的残余应力分布与表面形貌演化；通过X射线衍射（XRD）测量验证模拟结果；将残余应力场以预定义场形式逐层导入齿根弯曲应力计算模型，并结合Morrow模型修正的最大主应变准则，建立考虑残余应力与表面形貌的弯曲疲劳寿命预测模型，系统分析工艺参数对疲劳寿命的影响机制。
主要关键技术方法包括：（1）随机多弹丸冲击有限元模型：采用Johnson-Cook（J-C）本构模型描述高应变率塑性行为，忽略温度软化效应，定义面-面接触（硬接触、罚函数摩擦系数0.2），使用C3D8R单元对齿面0.1 mm内区域局部细化，提取残余应力沿深度分布；（2）残余应力测量：使用X射线衍射残余应力测试仪（LXRD，Proto Manufacturing Ltd.，加拿大）测量喷丸后齿面残余应力，试样为按表5参数制造的18CrNiMo7-6钢制面齿轮，喷丸参数为直径0.6 mm、速度60 m/s、覆盖率150%；（3）弯曲疲劳寿命预测：基于Morrow模型修正的最大主应变准则，将残余应力作为平均应力分量纳入疲劳寿命计算，公式包含疲劳强度系数、弹性模量、强度指数等参数，同时结合ISO 6336标准引入齿根表面因子考虑表面粗糙度影响。
研究结果部分：
**3.1 喷丸参数对残余应力的影响**：通过模拟不同喷丸速度（40–80 m/s）和弹丸直径（0.2–0.8 mm）下的残余应力分布，发现残余压应力随深度先增后减，最大压应力深度约0.05–0.1 mm。弹丸直径主导压应力层深度，直径从0.2 mm增至0.8 mm时，层深从0.05 mm增至0.15 mm；喷丸速度主要影响最大压应力值，速度增加使残余应力约提升28%；表面覆盖率（100%–150%）主要影响残余应力峰值与均匀性，覆盖率120%–140%时等效塑性应变（PEEQ）分布均匀且强化效果显著，过高覆盖率（150%）可能损害表面完整性。
**3.2 喷丸参数对表面形貌的影响**：通过表面形貌模拟，发现小直径（0.2–0.4 mm）弹丸产生更均匀的齿面形貌与较低粗糙度，大直径（0.6–0.8 mm）则导致明显凹坑与粗糙度升高。表面覆盖率从100%增至150%时，表面逐渐平滑，但过喷可能降低表面完整性。算术平均高度Sa和均方根高度Sq随弹丸直径和速度增加而增大，弹丸直径是调控表面粗糙度的首要参数。实验测量显示，未喷丸齿面残余压应力仅?38.94 MPa，喷丸后增至?396.71 MPa，验证了模拟的有效性。
**3.3 考虑残余应力与表面形貌的面齿轮弯曲应力**：在外载8 kN下，喷丸速度从40 m/s增至80 m/s使齿根最大拉应力从628.6 MPa（未喷丸）持续降低，速度80 m/s时效果最佳。弹丸直径从0.2 mm增至0.8 mm也降低拉应力，但0.2 mm时应力分布更均匀。表面覆盖率从100%增至150%时拉应力持续下降，120%时降幅显著。这表明喷丸可有效抵消工作拉应力并缓解应力集中。
**3.4 面齿轮弯曲疲劳寿命**：在不同载荷下，齿根圆角过渡区为应力集中关键区域，最大主应力与应变分布高度一致，材料处于弹性阶段。通过理论公式与有限元仿真对比，齿根弯曲应力相对误差在15%以内。负载-循环曲线显示，喷丸速度对疲劳寿命的敏感性最高，速度从40 m/s增至80 m/s时寿命显著提升，80 m/s时改善最明显；弹丸直径从0.2 mm增至0.4 mm寿命提升较大，继续增大效果有限；表面覆盖率与寿命呈近似线性正相关，150%时寿命最高。
总结讨论部分：本研究聚焦面齿轮喷丸工艺参数优化，建立了随机多弹丸冲击有限元模型，分析了喷丸直径、速度、覆盖率对残余应力分布与表面形貌的影响，并将残余应力场通过逐层单元集预定义场引入弯曲应力计算，进而研究了工艺参数对弯曲疲劳性能的影响。结论如下：
（1）弹丸直径主导残余压应力层深度，直径增大使压应力层深从0.05 mm增至0.15 mm；喷丸速度主要影响最大残余压应力，速度增加使残余应力提升约28%；表面覆盖率主要影响残余应力分布的峰值与均匀性。
（2）有限元网格模拟表明，喷丸诱导的残余压应力可有效抵消工作拉应力，降低外载下齿根区域应力峰值，缓解应力集中。
（3）喷丸显著提升面齿轮弯曲疲劳寿命。与表面覆盖率和弹丸直径相比，喷丸速度对疲劳寿命的影响更为显著，适当提高喷丸速度可有效增强强化效果并改善齿轮疲劳性能。
