專利名稱：自潤滑硬齒面平面蝸輪副的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自潤滑硬齒面平面蝸輪付，齒型為平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿，蝸輪副兩元件用鋼材制造，離子氮化成硬齒面配對，齒面滲硫自潤滑，特別適于低速重載間斷沖擊負(fù)荷的傳動。
背景技術(shù)：
在蝸桿傳動中蝸桿非偏置而又廣泛使用的有圓柱和環(huán)面兩種類別?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)資料介紹，普通圓柱蝸桿傳動的蝸桿用鋼材制造，而輪齒圈不用鋼材，重要場合用錫青銅。采用貴重銅合金主要是因其減摩、抗膠合及易于跑合三項(xiàng)齒面功能好。但由于嚙合性能上的缺點(diǎn)，這種蝸桿傳動的承載能力、效率及使用壽命三項(xiàng)傳動質(zhì)量都難滿足裝用日益增高的要求，出現(xiàn)多種失效，使用結(jié)果表明齒面膠合是傳動的主要失效形式。
自嚙合性能優(yōu)越的環(huán)面蝸桿傳動問世后，三項(xiàng)傳動質(zhì)量比普通圓柱蝸桿傳動有明顯提高。特別是蝸桿螺紋齒面經(jīng)離子滲氮又經(jīng)磨削加工的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動，蝸桿齒面抗膠合性能改善。但出于同樣原因，這種蝸桿傳動的輪齒圈仍沿用銅合金。用銅合金雖然可以保留輪齒面的三項(xiàng)功能，并與抗膠合性能改善后的蝸桿齒面嚙合，減少膠合，然而卻不能減少輪齒的其他多種失效，如點(diǎn)蝕、剝落、磨損和輪齒折斷。而且負(fù)載增大后還出現(xiàn)了普通圓柱蝸桿傳動很少發(fā)生的齒面塑性流動和齒體塑性變形，后者的損壞形狀是輪齒受力部位的反面鼓出，嚴(yán)重的將使輪齒的反面碰上蝸桿螺紋的反面而破環(huán)齒面。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究可知，上述幾種失效是由于銅質(zhì)輪齒的接觸和彎曲強(qiáng)度、硬度、韌性和剛性四項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，簡稱“四指標(biāo)”，不能適應(yīng)使用要求所致。因此，不僅使原來較佳的傳動質(zhì)量受到制約，而且開發(fā)一些負(fù)荷條件苛刻、功能獨(dú)特的蝸桿傳動裝置也被束縛。
為消除此缺陷，突破技術(shù)限制，如另選一種金屬代替銅合金，則其必應(yīng)是具有與銅合金一樣的良好齒面功能，同時(shí)齒體還應(yīng)具有較高“四指標(biāo)”，這就是需要解決的技術(shù)課題。此外，銅合金的主體成分銅在我國屬于資源短缺、價(jià)格昂貴的金屬，世界銅組織預(yù)測，我國銅消耗在2005年將達(dá)到260萬噸，2000年為150萬噸，缺口三分之一。若能以一種資源較多、價(jià)廉易得的金屬代替，無疑是一項(xiàng)有經(jīng)濟(jì)和社會效益的課題。兩個(gè)課題實(shí)質(zhì)上是要同時(shí)一并解決“好用又省銅”的問題，這就成了難題。因?yàn)楹茈y有一種金屬能同時(shí)滿足輪齒表里對材質(zhì)功能和性能的各種不同，甚至彼此矛盾的要求。省銅不一定好用，而好用是關(guān)鍵。
在現(xiàn)有蝸桿傳動設(shè)計(jì)中，已有用價(jià)廉易得的灰鑄鐵代銅制造蝸輪。從設(shè)計(jì)資料推薦的數(shù)據(jù)可知灰鑄鐵的許用接觸應(yīng)力在低速時(shí)較錫青銅高，但減磨性能差，僅限用于滑動速度2米/秒以下。
鋼材的“四指標(biāo)”比銅高，適于做蝸輪，并且資源豐富、價(jià)格低廉、品種齊全。但未經(jīng)完好處理的鋼材齒面配對，齒面的跑合、減摩和抗膠合三項(xiàng)功能差，簡稱“三差”，愛·威爾德哈伯Ernest Wildhaber曾提出平面蝸輪副兩元件用淬火鋼磨削配對，以承受靜的和低速載荷。這種單純提高齒面硬度和降低粗糙度，而沒有采取技術(shù)措施改變兩元件齒表層的晶體結(jié)構(gòu)，使其具有良好的跑合和自潤滑的功能，并不能對“三差”進(jìn)行全面改善，只能在靜載荷和低速時(shí)運(yùn)行，重要場合平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的輪齒圈至今仍不得不沿用貴重銅合金。
技術(shù)內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中銅質(zhì)輪齒存在的缺陷，提供一種自潤滑硬齒面平面蝸輪副，實(shí)現(xiàn)以鋼代銅。
實(shí)現(xiàn)這一目的技術(shù)方案涉及一種自潤滑硬齒面平面蝸輪副，齒型為平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿，蝸桿副兩元件的材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，齒面為一層氮化物晶體結(jié)構(gòu)，在其氮化物晶體結(jié)構(gòu)表面有一層硫化物晶體結(jié)構(gòu)，在蝸輪蝸桿嚙合齒面中有極壓潤滑油形成的化合物晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)膜。
齒表面氮化物的厚度為0.2-0.5mm，硫化物的厚度為0.1-0.2mm，反應(yīng)膜的厚度為0.01-0.012μm。
本實(shí)用新型的效果1、自潤滑硬齒面平面蝸輪副按GB/T16444-1996系列標(biāo)準(zhǔn)，可替代在低速重載間斷沖擊負(fù)荷摘條件下工作的同參數(shù)鋼銅配對的二次接觸環(huán)面蝸桿傳動。
2、替代鋼銅配對的二次接觸環(huán)面蝸桿傳動，蝸輪成本降低。
3、自潤滑硬齒面的鋼質(zhì)輪齒，齒面抗膠合、耐腐蝕、耐磨、減摩，在工況相同時(shí)，較同齒型、同參數(shù)的青銅輪齒壽命延長1-2倍。
4、由于輪齒壽命成倍增長，傳動精度保持時(shí)間也相應(yīng)延長。也即延長了使用周期，不僅提高設(shè)備利用率，并使維修和備件費(fèi)用減少。
5、分度兼動力傳動的蝸輪副，如由普通圓柱蝸桿傳動改用本實(shí)用新型，在傳動相同扭距時(shí)，中心距尺寸可減小20％-30％。
6、隨中心距減小，加工時(shí)可較易獲得更高精度。
7、有油潤滑時(shí)較同齒型同參數(shù)鋼銅配對蝸桿傳動嚙合效率提高4％-5％，傳動相等的扭距時(shí)可節(jié)省功率約6％。
8、蝸輪以鋼代銅后，采用多量極壓劑的極壓潤滑油潤滑齒面，齒面間形成在300-400℃也不破裂的反應(yīng)油膜。
9、蝸輪以鋼代銅，對開發(fā)一些負(fù)荷條件苛刻、功能獨(dú)特的蝸桿傳動裝置，有較高的力學(xué)性能指標(biāo)保證，運(yùn)行可靠。


以下結(jié)合附圖對該實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述圖1是自潤滑硬齒面平面蝸輪副齒面結(jié)構(gòu)示意圖圖2是八輥冷軋機(jī)壓下傳動裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖3是自潤滑硬齒面平面蝸輪副圖4是圖3的左視圖其中V1蝸桿滑動速度和方向，V2蝸輪滑動速度和方向，P作用力，1蝸桿齒體，2蝸輪齒體，3精加工后的蝸桿齒面微觀形狀，4精加工后蝸輪齒面微觀形狀，5滲氮晶體結(jié)構(gòu)層，6滲硫晶體結(jié)構(gòu)層，7極壓潤滑油，8極壓劑反應(yīng)膜晶體結(jié)構(gòu)層9電機(jī)，10電磁離合器，11齒輪傳動，12蝸輪副傳動，13自整角機(jī)14平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，15平面蝸輪具體實(shí)施方式

由圖1可以看出，選取平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒型；用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制造蝸桿和蝸輪1、2；齒面精加工后離子氮化，滲氮晶體結(jié)構(gòu)層5；滲硫采用金屬零件合成固體潤滑硫化物表面技術(shù)，滲硫晶體結(jié)構(gòu)層6；運(yùn)行時(shí)可用多量極壓劑的極壓潤滑油潤滑7，極壓劑反應(yīng)膜晶體結(jié)構(gòu)層8。
在嚙合原理文獻(xiàn)中已闡明平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒型有優(yōu)越的嚙合性能，潤滑角40°-80°，沒有0°接觸點(diǎn)，誘導(dǎo)曲率半徑是相同參數(shù)普通圓柱蝸桿傳動的3-10倍，同時(shí)嚙合齒數(shù)多，約為輪齒數(shù)的1/10，這都有利于建立齒面間的動壓油膜，防止膠合。而且工藝性能更好，桿和輪的齒面都可精加工，粗糙度可達(dá)Ra＝0.2-0.8μm。切削輪齒用的刀具制造簡易，成本低。齒型原理規(guī)定蝸桿螺紋可展曲面是由蝸輪齒面包絡(luò)而成，又取蝸輪齒面為平面而非曲面，因此，這個(gè)平面相對于蝸桿的被包絡(luò)面間的運(yùn)動關(guān)系在三維空間三個(gè)平移自由度中只有一個(gè)受到嚴(yán)格約束，由于自由度大，降低了加工及合裝時(shí)對誤差的敏感性，即易于提高精度，避免或減輕齒面間的干涉，同時(shí)表面形貌好，跑合量少。綜上所述，平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒型是一種原理上具有防止膠合、利于跑合、加工保質(zhì)簡便、成本低的優(yōu)越齒型。這是實(shí)現(xiàn)蝸輪以鋼代銅的先決技術(shù)措施。
優(yōu)質(zhì)碳素鋼如40、45，合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr；35CrMo；42CrMo調(diào)質(zhì)后都有很好的綜合力學(xué)性能，對表面離子氮化和滲硫的效果好。此類材料便宜易得。
用離子氮化技術(shù)對桿和輪齒面進(jìn)行表面處理，可在齒面形成0.2-0.5mm厚度的氮化物晶體結(jié)構(gòu)層，這種晶體結(jié)構(gòu)提高齒面硬度可達(dá)Rc55-60，同時(shí)保留輪齒心部的韌性，而剛性不變。輪齒以鋼代銅并經(jīng)滲氮后，韌性約為錫青銅的10倍，剛性是2倍，接觸和彎曲強(qiáng)度是錫青銅的5-6倍，抗膠合能力是鋼質(zhì)齒面滲氮前的1.5倍，耐磨能力是滲氮前的2-3倍，滲氮同時(shí)提高了齒面的耐蝕能力。零件處理后不變形，不改變粗糙度，故可在零件精加工后進(jìn)行表面處理。
在采用金屬零件合成固體潤滑硫化物表面技術(shù)對齒面滲硫后，可在齒面上形成0.1-0.12mm厚度的硫化亞鐵晶體結(jié)構(gòu)層。此結(jié)構(gòu)可在摩擦副之間產(chǎn)生自潤滑效果，而且有良好的塑性，與氮化后的硬層軟硬相輔，這正是所需齒面功能的理想組織，這種晶體結(jié)構(gòu)層還有良好的減摩性能，在高硬度的齒面上更能發(fā)揮作用。有油潤滑時(shí)，鋼質(zhì)齒面的摩擦系數(shù)較錫青銅降低1/3-1/2，從而提高了嚙合效率，減少了摩擦熱的產(chǎn)生，齒面閃溫低。同時(shí)齒體被具有自潤滑作用的滲硫?qū)痈糸_，不直接接觸，因此，齒面的抗膠合能力強(qiáng)，是滲硫前的5倍以上。由于處理后零件不變形、不改變粗糙度、不降低齒面硬度，故可在精加工后進(jìn)行處理。
蝸輪以鋼代銅后，在摩擦條件苛刻時(shí)，用含有硫、磷、氯多量極壓劑的極壓潤滑油潤滑齒面，可在齒表面形成一層厚度約10-2μm的極壓劑化合物硫化鐵、磷化鐵、氯化鐵晶體結(jié)構(gòu)，這種晶體結(jié)構(gòu)組成的反應(yīng)膜，剪切強(qiáng)度低，且在300℃-400℃高溫下也不破裂，所以能減摩和阻止齒體金屬接觸，避免了膠合。因這種極壓潤滑油對銅有腐蝕，所以不能應(yīng)用在以銅合金做輪齒的蝸輪副上。
綜上所述較佳的齒型和材質(zhì)是基礎(chǔ)；氮化提高了齒的強(qiáng)度和齒面硬度，保留了齒心韌性和剛性；還與滲硫和極壓潤滑油潤滑技術(shù)優(yōu)化“三差”。從而，優(yōu)越的嚙合性能；較高的“四指標(biāo)”；良好的三項(xiàng)齒面功能；強(qiáng)力的反應(yīng)油膜。分別以鋼材配對的蝸輪副兩元件為載體融合在一起，好用又省銅，實(shí)現(xiàn)以鋼代銅。
作為實(shí)施例下面介紹本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的中心距a＝760毫米的八輥冷軋機(jī)壓下傳動裝置見圖2。
1.八輥冷軋機(jī)性能軋制鐵素體、奧氏體和馬氏體優(yōu)質(zhì)帶鋼，帶鋼最大寬度1300毫米，最小600毫米，板坯厚1.5-4.5毫米成品厚0.25-3毫米鋼卷外徑 φ1520毫米卷重 10噸軋制力2500噸傳動扭力距2×32噸-米帶鋼張力 1.25-25公斤/平方毫米軋制速度 120/300米/分、輥身長1400毫米支撐輥徑 φ1250毫米工作輥徑 φ210毫米2.壓下傳動裝置性能壓下蝸輪副的最大壓力1250噸螺桿升降速度重載 0.128毫米/秒輕載 0.386毫米/秒電機(jī) 型號 IGH 2 244
轉(zhuǎn)數(shù) 0-555/1650轉(zhuǎn)/分功率 2×3/7千瓦總傳動比 1280電磁離合器 EDE 100秒 100公斤-米3.八輥冷軋機(jī)壓下傳動裝置結(jié)構(gòu)其中壓下蝸輪副12，采用自潤滑硬齒面平面蝸輪副圖3，技術(shù)參數(shù)和幾何尺寸見附表1。
附表1
權(quán)利要求1.一種自潤滑硬齒面平面蝸輪副，齒型為平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿，其特征在于蝸輪副兩元件的材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，齒面為一層氮化物晶體結(jié)構(gòu)，在其氮化物晶體結(jié)構(gòu)表面有一層硫化物晶體結(jié)構(gòu)，在蝸輪蝸桿嚙合齒面中有極壓潤滑油形成的化合物晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)膜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種自潤滑硬齒面平面蝸輪副，其特征在于齒表面氮化物的厚度為0.2-0.5mm，硫化物的厚度為0.1-0.2mm，反應(yīng)膜的厚度為0.01-0.012μm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種自潤滑硬齒面平面蝸輪副，齒型為平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿，其特征在于蝸輪副兩元件的材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，齒面為一層氮化物晶體結(jié)構(gòu)，在其氮化物晶體結(jié)構(gòu)表面有一層硫化物晶體結(jié)構(gòu)，在蝸輪蝸桿嚙合齒面中有極壓潤滑油形成的化合物晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)膜。蝸輪以鋼代銅與鋼桿配對，兩元件離子氮化后力學(xué)性能改善，硫化齒面自潤滑、減摩、易跑合、抗膠合能力強(qiáng)。比同齒型同參數(shù)鋼銅配對蝸輪副壽命長、效率高，特別適于低速重載間斷沖擊負(fù)荷傳動。
文檔編號F16H1/16GK2779162SQ20052000153
公開日2006年5月10日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月27日
發(fā)明者李春元 申請人:李春元