一種齒輪齒面噴丸強(qiáng)化精整方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種齒輪齒面噴丸強(qiáng)化精整方法，屬于金屬零件表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法主要包括確定強(qiáng)化參數(shù)、測(cè)一次覆蓋率、完成強(qiáng)化噴丸、確定精整參數(shù)、測(cè)單次覆蓋率、求精整噴丸循環(huán)次數(shù)、完成精整噴丸各步驟。采用本發(fā)明，通過(guò)第一次強(qiáng)化噴丸，使齒輪齒面獲得所要求的噴丸強(qiáng)度以及覆蓋率，而第二次精整噴丸則可以降低強(qiáng)化噴丸所造成的齒面粗糙度增加，達(dá)到抑制齒輪齒面粗糙度的目的，同時(shí)精整噴丸會(huì)在齒面表層再次引入一層低應(yīng)力層，該應(yīng)力層可進(jìn)一步提高齒輪表面耐磨性，增加齒輪壽命，并且無(wú)需轉(zhuǎn)移工件以及更換彈丸，繼續(xù)在統(tǒng)一臺(tái)噴丸設(shè)備進(jìn)行第二次低強(qiáng)度的精整噴丸即可，十分方便。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種齒輪齒面噴丸強(qiáng)化精整方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種齒輪齒面處理方法，尤其是一種齒輪齒面噴丸強(qiáng)化精整方法，屬 于金屬零件表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 齒輪的疲勞和磨損是齒輪零件發(fā)生失效的主要模式。為了提高齒輪強(qiáng)度，延長(zhǎng)其 齒輪壽命，常常采用噴丸強(qiáng)化工藝在齒輪表面形成一層殘余壓應(yīng)力層。
[0003] 噴丸強(qiáng)化的主要作用是借助高速運(yùn)動(dòng)的彈丸沖擊零件表面，使其發(fā)生彈塑性變 形，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和組織細(xì)化等有利的變化，但同時(shí)由于輪齒表面變形也增加了齒 面粗糙度。而齒輪在工作時(shí)其嚙合齒表面承受較大的既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)的劇烈摩擦和接觸 疲勞應(yīng)力，如果齒面粗糙度較高，則會(huì)顯著降低齒輪齒面的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和接觸剛度， 從而影響齒輪配合的穩(wěn)定性，縮短齒輪壽命。
[0004] 為了降低齒輪齒面粗糙度，提高齒面及齒形精度，現(xiàn)有的工藝均是在噴丸后對(duì)齒 輪進(jìn)行磨齒處理，但磨齒會(huì)去除齒面經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理后所形成的有利的壓應(yīng)力層，一般規(guī) 定磨削量不得超過(guò)噴丸弧高值的10%，該磨削量很難保證磨齒后的齒輪達(dá)到規(guī)定的精度。 結(jié)果，為了滿(mǎn)足齒形精度要求，在生產(chǎn)中只能增加磨削量，犧牲了噴丸強(qiáng)化效果。
[0005] 為了保證齒輪噴丸強(qiáng)化效果，可以在齒輪磨齒后進(jìn)行噴丸，這就需要對(duì)強(qiáng)化噴丸 后的齒輪齒面進(jìn)行精整處理，以抑制齒面的粗糙度。通常噴丸精整工藝采用雙彈丸進(jìn)行兩 次噴丸處理，第一次噴丸采用粒徑較大的第一彈丸對(duì)齒輪齒面進(jìn)行強(qiáng)化噴丸，然后采用玻 璃丸或陶瓷丸等小粒徑的第二彈丸進(jìn)行第二次精整噴丸。該工藝操作復(fù)雜，需要在第一次 強(qiáng)化噴丸后完全更換噴丸設(shè)備中的彈丸，然后進(jìn)行二次精整噴丸；或者需要至少兩臺(tái)噴丸 設(shè)備，因此增加了噴丸設(shè)備投入成本，并且齒輪在噴丸過(guò)程中需要兩次裝夾，工藝時(shí)間長(zhǎng)， 增加了齒輪制造成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種在滿(mǎn)足齒面強(qiáng)化要 求的同時(shí)、又能最大限度抑制齒面粗糙度，并且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單的齒輪齒面噴丸強(qiáng)化精整方 法。
[0007] 研宄表明，對(duì)于特定材質(zhì)零件的噴丸處理，其表面的強(qiáng)化以及粗糙度與彈丸直徑、 彈丸硬度、噴嘴與工件表面距離、噴嘴氣壓、彈丸流量、噴丸時(shí)間決定的覆蓋率一系列參數(shù) 有關(guān)。因此是否可以打破常規(guī)，只采用一臺(tái)噴丸設(shè)備，通過(guò)合理選擇控制上述參數(shù)，以達(dá)到 上述發(fā)明目的，成為 申請(qǐng)人:攻關(guān)的課題。
[0008] 理論和試驗(yàn)證明，如圖1所示，高強(qiáng)度強(qiáng)化噴丸會(huì)增加工件表面粗糙度，因?yàn)楫?dāng)彈 丸在撞擊工件表面時(shí)，工件表面原始的微觀幾何形態(tài)被破壞，在工件表面形成凹痕，同時(shí)在 凹痕的周?chē)鷷?huì)形成波峰，彈丸粒徑越大，噴丸強(qiáng)度越大，凹痕的半徑越大，則形成的波峰越 大；噴丸覆蓋率的增加是從單個(gè)凹痕到凹痕重疊的過(guò)程，在一定條件下，隨著覆蓋率的增 加，表面高低不平的程度增加，噴丸后的表面被大量彈丸撞擊形成的凹痕所覆蓋，形成波峰 波谷的表面，表面粗糙度增大。
[0009] 齒輪在噴丸前磨削表面存在加工紋理，如圖2所示，這些紋理主要是砂輪粘著引 起的表面缺陷，噴丸處理后，材料表面發(fā)生塑性變形，勢(shì)必引起表面粗糙度的變化。
[0010] 理想狀態(tài)下，機(jī)加工后材料齒面粗糖度Rai = a+b，式中：Rai 機(jī)加工后的齒面 粗糙度，um;a-波峰的高度，ym;b-波谷的深度，ym。
[0011] 噴丸處理后，由于彈丸對(duì)于噴丸齒面的作用深度D(本文的作用深度是指彈丸撞 擊工件表面時(shí)所形成凹坑的深度，參見(jiàn)圖1，yrn)不同，噴丸后的表面粗糙度Ras (ym)將出 現(xiàn)以下幾種情況：
[0012] 當(dāng)a時(shí)，有：Ras = a-D+b = Rai-D，如圖2中D = D1，在此范圍Ras隨D的增 大而減小，此時(shí)彈丸撞擊齒面時(shí)的能量主要被波峰材料所吸收，因而能夠降低波峰的高度， 改善齒面粗糙度；
[0013] 當(dāng)a < D彡a+b時(shí)，有：Ras = b，如圖2中D = D2,此時(shí)波峰被完全去除，在此范 圍內(nèi)，噴丸后的齒面粗糙度Ras不隨D改變，彈丸作用層深度D最大影響至波谷的深度，即 能達(dá)到最大限度抑制粗糙度的效果；
[0014] 當(dāng) D > a+b 時(shí)，有：Ras = D_(a+b) = D-Rai，如圖 2 中 D = D3,在此范圍 Ras 隨 D 的增大而增大，此時(shí)彈丸作用層深度大于波谷的深度，增加噴丸強(qiáng)度，則齒面粗糙度增加。
[0015] 在常規(guī)設(shè)備條件下，齒輪磨齒后的齒面粗糙度約為0.6 ym，也即〇. 6 jam, 由于齒面強(qiáng)化噴丸后的作用深度D大于其磨削后的iTi，因此強(qiáng)化噴丸后彈丸撞擊齒面所 形成的凹痕深度將遠(yuǎn)大于其波谷的深度（參見(jiàn)圖2中D3)，齒面粗糙度加大在所難免；而在 強(qiáng)化噴丸之后，控制低強(qiáng)度再次噴丸，使之處于a < D < a+b的狀態(tài)，則彈丸將主要對(duì)原先 的波峰起平整作用，即彈丸會(huì)撞擊已經(jīng)形成的波峰，降低該波峰的高度，從而達(dá)到抑制齒面 粗糙度的理想效果。
[0016] 在以上理論分析和反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上， 申請(qǐng)人:提出了本發(fā)明的齒輪齒面噴丸 強(qiáng)化精整方法，對(duì)于齒表硬度為58-60HRC、要求噴丸強(qiáng)度0. 5-0. 6A(A是采用阿爾門(mén)A試片 測(cè)試的飽和弧高值，單位飽和弧高值指在一倍于飽和點(diǎn)噴丸循環(huán)次數(shù)下，弧高值增量 為10%時(shí)的試片弧高值）、噴丸強(qiáng)化覆蓋率多100%、噴丸精整覆蓋率多200%的齒輪齒面， 采用直徑0. 8±0. 1mm、硬度大于60HRc的彈丸，噴嘴與工件表面距離100-200mm，并按以下 步驟進(jìn)行噴丸處理：
[0017] 第一階段、強(qiáng)化噴丸
[0018] 步驟一、確定強(qiáng)化參數(shù)--噴嘴氣壓0. 3±0. 05MPa，彈丸流量2. 5±0. 2kg/min ;
[0019] 步驟二、測(cè)一次覆蓋率一一按強(qiáng)化參數(shù)完成一次噴丸循環(huán)后，測(cè)得一次覆蓋率 Cl ；
[0020] 步驟三、求強(qiáng)化噴丸循環(huán)次數(shù)一一根據(jù)預(yù)定的強(qiáng)化覆蓋率按下式圓整確定強(qiáng)化噴 丸循環(huán)次數(shù)：n = log(1_a) (I-Cn)，式中n為強(qiáng)化噴丸循環(huán)次數(shù)，Cn為n次循環(huán)后達(dá)到的強(qiáng)化 覆蓋率、單位百分比，Cl為測(cè)得的一次覆蓋率、單位百分比；
[0021] 以上根據(jù)阿拉米夫平均覆蓋率方程：C = 100 {1-exp (_nr2 ? R ? t)}(式中，C為覆 蓋率百分比，r為凹痕半徑，R為形成凹痕的平均速度，t為形成凹痕所需時(shí)間），可以看出覆 蓋率只能隨n的不斷增大越來(lái)越接近100 %，強(qiáng)化覆蓋率Cn理論上不可能完全達(dá)到100 %， 在實(shí)際生產(chǎn)中，將覆蓋率98 %視為等同100 %覆蓋率，即以98 %的等同覆蓋率作為強(qiáng)化覆 蓋率；
[0022] 步驟四、完成強(qiáng)化噴丸一一以強(qiáng)化參數(shù)控制噴嘴氣壓和彈丸流量，進(jìn)行圓整n次循 環(huán)的強(qiáng)化噴丸；
[0023] 第二階段、精整噴丸
[0024] 步驟五、確定精整參數(shù)一一取強(qiáng)化參數(shù)中噴嘴氣壓的30% ±5%作為精整噴丸的 噴嘴氣壓，或取強(qiáng)化參數(shù)中彈丸流量的4-5倍作為精整噴丸的彈丸流量；
[0025] 步驟六、測(cè)單次覆蓋率一一按精整參數(shù)完成一次噴丸循環(huán)后，測(cè)得單次覆蓋率 cr ;
[0026] 步驟七、求精整噴丸循環(huán)次數(shù)一一按下式圓整確定等效噴丸循環(huán)次數(shù)：n' = log(1_a .Jl-Cn'），式中n'為等效噴丸循環(huán)次數(shù)，Cn'為n'次循環(huán)后達(dá)到的等同覆蓋率、單 位百分比，C1'為測(cè)得的單次覆蓋率、單位百分比；根據(jù)預(yù)定的精整覆蓋率與等同覆蓋率的 比例關(guān)系，由等效噴丸循環(huán)次數(shù)求得精整噴丸循環(huán)次數(shù)N ;
[0027] 步驟八、完成精整噴丸一一以精整參數(shù)控制噴嘴氣壓和彈丸流量，進(jìn)行N次循環(huán)的 精整噴丸。
[0028] 由于上述步驟六的工件已經(jīng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化噴丸，因此難以直接測(cè)得單次覆蓋率C1'，此 時(shí)先在強(qiáng)化噴丸后的工件表面涂上熒光劑，按精整參數(shù)完成一次噴丸循環(huán)后，再借助紫外 光照射測(cè)得單次覆蓋率C1'。
[0029] 通過(guò)第一次強(qiáng)化噴丸，使齒輪齒面獲得所要求的噴丸強(qiáng)度以及覆蓋率，而第二次 精整噴丸通過(guò)減小噴嘴氣壓或加大彈丸流量，均可達(dá)到降低噴丸強(qiáng)度的目的，從而可以降 低強(qiáng)化噴丸所造成的齒面粗糙度增加，達(dá)到抑制齒輪齒面粗糙度的目的，同時(shí)較低強(qiáng)度的 精整噴丸依然會(huì)在齒面表層再次引入一層低應(yīng)力層，該應(yīng)力層可進(jìn)一步提高齒輪表面耐磨 性，增加齒輪壽命。這樣，在第一次強(qiáng)化噴丸達(dá)到工藝要求后，無(wú)需轉(zhuǎn)移工件以及更換彈丸， 繼續(xù)在同一臺(tái)噴丸設(shè)備進(jìn)行第二次低強(qiáng)度的精整噴丸即可，十分方便。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為第一次強(qiáng)化噴丸增加工件表面粗糙度示意圖；
[0031] 圖2為不同彈丸影響深度D對(duì)粗糙度影響示意圖；
[0032] 圖3為兩次噴丸所形成的應(yīng)力分布曲線(xiàn)示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的強(qiáng)化噴丸飽和曲線(xiàn)圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例一齒輪噴丸前齒面輪廓線(xiàn)示意圖；
[0035] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例一齒輪強(qiáng)化噴丸后齒面輪廓線(xiàn)示意圖；
[0036] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例一齒輪精整噴丸前齒面輪廓線(xiàn)示意圖；
[0037] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例二齒輪噴丸前齒面輪廓線(xiàn)示意圖；
[0038] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例二齒輪強(qiáng)化噴丸后齒面輪廓線(xiàn)示意圖；
[0039] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例二齒輪精整噴丸前齒面輪廓線(xiàn)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0040] 本發(fā)明提出的齒輪噴丸強(qiáng)化精整方法，通過(guò)如下具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明。具體實(shí)施 例所涉及設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)備由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)彈丸投射，并具備空氣壓力可調(diào)節(jié)裝置和彈 丸流量調(diào)節(jié)裝置。
[0041] 表 1
[0042]

【權(quán)利要求】
1. 一種齒輪齒面噴丸強(qiáng)化精整方法，其特征在于：對(duì)于齒表硬度為58-60HRC、要求噴 丸強(qiáng)度〇. 5-0. 6A、噴丸強(qiáng)化覆蓋率彡100 %、噴丸精整覆蓋率彡200 %的齒輪齒面，采用直 徑0. 8±0. 1mm、硬度大于60HRc的彈丸，噴嘴與工件表面距離100-200mm，并按以下步驟進(jìn) 行噴丸處理： 第一階段、強(qiáng)化噴丸 步驟一、確定強(qiáng)化參數(shù)--噴嘴氣壓0. 3±0. 05MPa，彈丸流量2. 5±0. 2kg/min ; 步驟二、測(cè)一次覆蓋率一一按強(qiáng)化參數(shù)完成一次噴丸循環(huán)后，測(cè)得一次覆蓋率C1 ; 步驟三、求強(qiáng)化噴丸循環(huán)次數(shù)一一根據(jù)預(yù)定的強(qiáng)化覆蓋率按下式圓整確定強(qiáng)化噴丸循 環(huán)次數(shù)：n = log(1_a) (1-Cn)，式中n為強(qiáng)化噴丸循環(huán)次數(shù)，Cn為n次循環(huán)后達(dá)到的強(qiáng)化覆蓋 率，以98%的等同覆蓋率作為強(qiáng)化覆蓋率，C1為測(cè)得的一次覆蓋率； 步驟四、完成強(qiáng)化噴丸一一以強(qiáng)化參數(shù)控制噴嘴氣壓和彈丸流量，進(jìn)行圓整n次循環(huán)的 強(qiáng)化噴丸； 第二階段、精整噴丸 步驟五、確定精整參數(shù)一一取強(qiáng)化參數(shù)中噴嘴氣壓的30% ±5%作為精整噴丸的噴嘴 氣壓，或取強(qiáng)化參數(shù)中彈丸流量的4-5倍作為精整噴丸的彈丸流量； 步驟六、測(cè)單次覆蓋率一一按精整參數(shù)完成一次噴丸循環(huán)后，測(cè)得單次覆蓋率C1' ； 步驟七、求精整噴丸循環(huán)次數(shù)--按下式圓整確定等效噴丸循環(huán)次數(shù)：n' = log(1_a (1-Cn'），式中n'為等效噴丸循環(huán)次數(shù)，Cn'為n'次循環(huán)后達(dá)到的等同覆蓋率，Cl'為測(cè)得 的單次覆蓋率；根據(jù)預(yù)定的精整覆蓋率與等同覆蓋率的比例關(guān)系，由等效噴丸循環(huán)次數(shù)求 得精整噴丸循環(huán)次數(shù)N; 步驟八、完成精整噴丸一一以精整參數(shù)控制噴嘴氣壓和彈丸流量，進(jìn)行N次循環(huán)的精整 噴丸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪齒面噴丸強(qiáng)化精整方法，其特征在于：所述步驟六中先 在強(qiáng)化噴丸后的工件表面涂上熒光劑，按精整參數(shù)完成一次噴丸循環(huán)后，再借助紫外光照 射測(cè)得單次覆蓋率C1'。
【文檔編號(hào)】C21D7/06GK104451079SQ201410765767
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】陳強(qiáng), 劉康, 吳剛, 劉聰敏 申請(qǐng)人:南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司