CN102560040B - 一种提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法，其特征在于：准备阶段：使用夹具将齿轮/齿条毛坯件固定在工作平台上，然后，将齿轮/齿条毛坯件的工作部位进行搅拌摩擦加工，加工工艺的具体参数为，加工工具转速200-4000转/分钟、行进速度20-1000毫米/分钟；成品阶段：将搅拌摩擦加工后的齿轮/齿条毛坯件的加工区加工出齿轮，制得预制品，然后将预制品进行淬火、回火等常规热处理,获得成品；该方法具有工艺流程短、成本低、易于操作等优点。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工领域，特别提供了一种提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法。
背景技术
齿轮/齿条用于机械装置中的功率传递和速度调节，在车辆、车床、飞机等产品中作用重要而且用量庞大，齿轮工作时通过齿面传递动力，齿根承受很大大的交变弯曲应力的接触应力的作用，在相互啮合的齿面上会有很强烈的摩擦，啮合不均匀时还会产生冲击力。因此, 齿轮主要的失效形式是:摩擦所引起的齿面过度磨损和交变接触压应力产生的表面接触疲劳破坏,即疲劳磨损；弯曲疲劳应力和冲击力所引起的疲劳断裂或其他形式断裂。因此，对其性能要求为：轮齿具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；齿面具有高的硬度和耐磨性；齿轮心部具有足够的强度和韧性，所以这一区域对材料的综合力学性能要求非常高。
常规的齿轮/齿条生产方法包括铸造、轧制、锻造等塑性变形方式成形，然后通过热处理、表面处理强化。但由于这类传统加工方法对于材料的晶粒细化作用有限，现有情况下已不可能大幅提高齿轮/齿条的力学性能。在不改变材料成分的条件下细化其微观组织，获得细晶/超细晶甚至是纳米晶组织是实现材料力学性大幅提升的有效手段。细晶/超细晶材料的综合力学性能优于粗晶材料，其制备比纳米晶材料更容易，因此细晶材料的制备具有重要用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法，以解决以往齿轮/齿条中存在的易断裂、强度低、韧性差等寿命短的问题。
本发明提供一种提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法，通过剧烈的材料塑性变形，使该区域组织细化、致密化、均匀化，获得细晶/越细晶组织，其力学性能得以大幅改善，从而提高使用寿命，其特征在于：——准备阶段：使用夹具将齿轮/齿条毛坯件固定在工作平台上；
——搅拌摩擦加工：将齿轮/齿条毛坯件的工作部位进行搅拌摩擦加工，加工工艺的具体参数为，加工工具转速200-4000转/分钟、工件行进速度20-1000毫米/分钟，对于齿轮件行进速度为其径向转动速度，对于齿条件行进速度为工作台水平移动速度。所述齿轮/齿条毛坯件为经热加工或热处理后的软态；
——成品阶段：将搅拌摩擦加工后的齿轮/齿条毛坯件的加工区加工出轮齿，制得预制品，然后将预制品进行淬火、回火等常规热处理，获得成品。
其热处理的目的在于强化齿轮/齿条，使其达到最佳的性能。
对于圆柱状的齿轮毛坯件，在电机带动下使其同时沿轴向移动、沿径向转动；搅拌摩擦加工从一端开始，向另一端移动，直至整个圆柱表面加工完为止(以下简称螺旋式装卡)。
对于板状的齿条毛坯件，使其沿同一水平方向作往复运动；搅拌摩擦加工从平行于运动方向的一边开始，向另一边移动，直至整个板面加工完(以下简称水平装卡)。
其中，为了提高齿轮/齿条毛坯件的冷却速度和增加强化效果,可以在搅拌摩擦加工时对齿轮/齿条毛坯件吹压缩空气冷却，或是放入水中或温度为??80 oC～0 oC的过冷液中进行加工。比如一边加工，一边对加工区吹压缩空气，或是先将工装安装在水槽中，放满水没过工件，然后开始加工。
本发明提供的提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法，适用于碳钢、合金钢、铸铁、铝合金或铜合金等材质的齿轮/齿条，搅拌摩擦加工的加工深度为0～30mm。
在实际的工作中，我们可以根据齿轮/齿条毛坯件工作部位的面积选择进行单道次或多道次搭接搅拌摩擦加工，其中，多道次加工的搭接率为30-100%，所述搭接率为前后相邻道次之间重复部分的面积占单独道次面积的比率。
目前已有多种制备细晶/越细晶材料的塑性加方法，作为一种新的强塑性变形加工手段，搅拌摩擦加工是制备大尺寸块体细晶材料的有效方法。搅拌摩擦加工过程中，在高速旋转工具的摩擦与搅拌作用下，加工区域温度迅速升高并发生高应变速率的强塑性变形，原始粗大组织被破碎，并通过动态再结晶形成细小的晶粒。与制备超细晶材料的其它强塑性变形手段相比，搅拌摩擦加工具有高效、快捷、易于控制等优点，其过程类似于机械加工，易于实现机械化、自动化，且无有害物质产生，绿色环保。
具体实施方式
实施例1
使用螺旋式装卡方式将碳钢齿轮坯料固定在工作平台上， 然后对中碳钢齿轮坯料进行搅拌摩擦加工，采用转速600rpm、行进速度100mm/min的工艺参数，制得预制品，然后将预制品进行淬火、回火等常规热处理；最终，碳钢齿轮的加工区由轧制态粗晶变为等轴状再结晶组织，平均晶粒尺寸由50 
减少到10
，其屈服强度提高70%，硬度提高60%，延伸率提高200%，零件使用寿命提高1倍以上。
实施例2
使用螺旋式装卡方式将40Cr齿轮坯料固定在工作平台上。然后对40Cr齿轮坯料进行搅拌摩擦加工，采用转速500rpm、行进速度50mm/min的工艺参数，在风冷条件下进行，制得预制品，然后将预制品进行淬火、回火等常规热处理；最终40Cr齿轮的加工区由轧制态粗晶变为等轴状再结晶组织，平均晶粒尺寸由40 减少到5，其屈服强度提高100%，硬度提高130%，延伸率提高100%，零件使用寿命高1倍以上。
实施例3
使用螺旋式装卡方式将球墨铸铁齿轮坯料固定在工作平台上，所述夹具的具体结构为，然后对球墨铸铁齿轮坯料进行搅拌摩擦加工，采用转速400rpm、行进速度100mm/min的工艺参数，在水冷条件下进行，制得预制品，然后将预制品进行淬火、回火等常规热处理；球墨铸铁齿轮的加工区由铸态粗晶变为等轴状再结晶组织，平均晶粒尺寸由200
减少到5
，其屈服强度提高180%，硬度提高200%，延伸率提高300%，零件使用寿命高1倍以上。
实施例4
使用水平式装卡方式将黄铜齿条坯料固定在工作平台上，然后对黄铜齿条坯料进行搅拌摩擦加工，采用转速400rpm、行进速度50mm/min的工艺参数，在水冷条件下进行，制得预制品，然后将预制品进行淬火、回火等常规热处理；黄铜齿条的加工区由轧制态粗晶变为等轴状再结晶组织，平均晶粒尺寸由80
减少到0.5
，其屈服强度提高300%，硬度提高250%，延伸率提高100%，零件使用寿命高1倍以上。
Claims (3)
1.一种提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法，其特征在于：
——准备阶段：使用夹具将齿轮/齿条毛坯件固定在工作平台上；
——搅拌摩擦加工：对齿轮/齿条毛坯件的工作部位进行搅拌摩擦加工，加工工艺的具体参数为，加工工具转速200-4000转/分钟，工件行进速度20-1000毫米/分钟；
——成品阶段：将搅拌摩擦加工后的齿轮/齿条毛坯件的加工区加工出轮齿，制得预制品，然后将预制品进行淬火、回火常规热处理，获得成品；
其中，在搅拌摩擦加工时对齿轮/齿条毛坯件吹压缩空气冷却，所述搅拌摩擦加工的加工深度为0～30mm，对齿轮/齿条毛坯件的工作部位进行单道次或多道次搭接搅拌摩擦加工，其中，多道次加工的搭接率为30-100%，所述搭接率为前后相邻道次之间重复部分的面积占单独道次面积的比率；
所述齿轮/齿条的材质为碳钢、合金钢或铸铁。
2.按照权利要求1所述的提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法，其特征在于：对于圆柱状的齿轮毛坯件，在电机带动下使其同时沿轴向移动、沿径向转动；搅拌摩擦加工从一端开始，向另一端移动，直至整个圆柱表面加工完为止。
3.按照权利要求1所述的提高齿轮/齿条使用寿命的短流程塑性加工方法，其特征在于：对于板状的齿条毛坯件，使其沿同一水平方向作往复运动；搅拌摩擦加工从平行于运动方向的一边开始，向另一边移动，直至整个板面加工完。
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| Douglas C. Hofmann等."Submerged friction stir processing (SFSP): An improved method for creating ultra-fine-grained bulk materials".《Materials Science and Engineering》.2005,第402卷第234–241页. |
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