CN102865350A

CN102865350A - 一种齿轮及其制造方法

Info

Publication number: CN102865350A
Application number: CN201210240473XA
Authority: CN
Inventors: 王守仁; 刘高志; 田希杰; 王砚军; 宋令惠; 王敏
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: CN102865350B

Abstract

本发明提供一种齿轮及其制造方法，所属齿轮包括合金基体和嵌设于合金基体内的增强体，所述增强体为横向钢丝和纵向钢丝交错编织成的齿轮骨架；其制备方法采用一火两锻的工艺和离子溅射喷涂的方法完成，该一种齿轮及其制造方法和现有技术相比，既保持了常规钢铁材料高强度、高硬度、耐高温、导热系数高的特性，又具有铝合金材料塑性好、密度低的特点，而且制造方法通过精密锻造等塑性变形，获得的齿轮形状和尺寸完整、重量轻，齿形变形小，齿面的耐磨性提高，啮合噪音小，使用寿命长，具有很好的推广使用价值。

Description

一种齿轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及齿轮技术领域，具体地说是一种齿轮及其制造方法。

背景技术

齿轮作为传递运动和动力的最基本零件之一，在工业领域中得到了广泛的应用，尤其是印刷设备、机车、船舶、电厂、钢厂、铁路轨道等领域的检测。这些领域要求齿轮重量小、传动扭矩小、传动平稳、噪音低，所以工程塑料制造的齿轮成为首选，但是受温度影响，塑料齿轮的孔径、分度圆直径和侧隙等尺寸会发生变化，存在传动失稳、噪音大、传动扭矩低、易磨损、易变形等缺点。后来采用轻质铝合金材质制造的齿轮，具有质量轻、密度小、可塑性好、铝基复合技术易于掌握、易于加工等特点，但是其强度仍然较低，抗磨性较差，在制作轻载传动零件方面受到局限，现阶段传统的齿轮生产大多采用传统的切削加工方法，材料利用率低，生产效率低，产品成本高。所以提供一种强度高、抗磨性好的轻载传动齿轮及其制造方法可以有效的解决现有技术的不足，满足生产应用需求，具有良好的推广使用价值。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种强度高、抗磨性好的轻载传动齿轮及其制造方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的，一种齿轮，包括合金基体和嵌设于合金基体内的增强体，所述增强体为横向钢丝和纵向钢丝交错编织成的齿轮骨架。

上述技术方案，在合金基体的内部增加了增强体骨架，大幅提高齿轮本体的强度和硬度，合金基体在三维空间呈连续分布，与网络骨架互连通，使得齿轮本体的整体增强、增韧效果大幅度提高。

作为改进，所述增强体横向钢丝编织角为30±5o，纵向钢丝编织角为25±5o。由于采用所述角度区间，编织成的三维网络骨架的通孔率可达到100%。

作为优选，所述增强体的体积分数为5～15%，合金基体的体积分数为85～95%。采用该体积比例的增强体和合金基体，具有比传统铝合金高的强度优势，比塑料强度高，比陶瓷构件韧性好。

作为优选，所述增强体为不锈钢，合金基体为铸造硅铝合金。采用本优选方案，不锈钢材质的增强体保证了其强度的要求，铸造硅铝合金材质的合金基体保证了其作为轻载传递机构所要求的重量小，传动扭矩小，传动平稳、噪音低等要求。

一种齿轮的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

a. 采用三维五向编织技术将增强体编织成通孔率为100%的空间三维网络骨架；

b. 将编织好的网络骨架放置到锻造模具中，在锻造模具中浇入经处理的合金基体，锻造出带网络骨架的齿轮毛坯；

c. 将制备好的齿轮毛坯放入精锻模具中，经过加热、预锻和精锻后成型，获得所需齿轮。

上述制造方法中的增强体采用三维五向编织网络骨架，三维互连通增强体在损失少量比重的基础上大幅提高材料的强度和硬度，合金基体在三维空间呈连续分布，与网络骨架互连通，使得复合材料的整体增韧效果大幅度增强。精锻过程采用少无切屑的压力加工方法，锻造出完整齿形而齿面无需后续切削加工或留有少许精加工余量。利用精锻工艺成形完整的轮齿对齿轮的强度有明显提高。采用精锻工艺生产的锻件尺寸精度高，齿形精度可达到8级，拔模斜度小，锻件表面质量好，锻成的齿轮齿面能以锻面直接使用。锻造过程中会对不锈钢丝网络骨架增强铝基复合材料产生挤压应力，使得增强体与基体发生塑性变形，钢与铝合金实现更加紧密的结合，提高了铝基复合材料锥齿轮的使用性能。采用精锻工艺制备网络互连通铝基复合材料锥齿轮，生产效率高、节约工时、材料消耗少、产品质量高、耐磨性提高、使用寿命长，这种伞齿轮的生产应用具有重要的经济意义和广阔应用前景。

作为优选，所述步骤b中合金基体的浇入前的处理过程为，将合金基体熔炼至700～720℃，保温25～35Min，经孕育处理和脱渣处理后浇入到模型中。

作为优选，所述步骤c中模具加热到200～400℃，预锻温度为420～480℃，精锻温度为360～400℃。

作为优选，所述制造方法在c步骤后还包括步骤d：对齿轮的表面进行离子溅射，喷涂薄膜涂层。

作为优选，所述的薄膜涂层为DLC复合薄膜涂层。这是由于DLC（类金刚石）复合薄膜兼具了金刚石和石墨的优良特性，而具有高硬度、高电阻率、良好光学性能以及优秀的摩擦学特性。

作为优选，所述DLC复合薄膜涂层包括铺底层和DLC类金刚石涂层，所述的铺底层为SiC、Cr/Ti/N、Ti-Al-N中的一种或组合。采用本优选方案的薄膜显著提高了齿轮的耐磨性。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明提供一种齿轮及其制造方法制造出的齿轮具有比常规钢铁材料强度更高、硬度更高、耐高温、导热系数高的特性，又具有比铝合金材料塑性更好、密度更低的特点，而且制造方法通过精密锻造等塑性变形，获得的齿轮形状和尺寸完整、重量轻，齿形变形小，齿面的耐磨性提高，啮合噪音小，使用寿命长，适用于轻载环境，如在航空航天、汽车、电子、船舶以及轻工业等领域，可替代钢齿轮、塑料齿轮、陶瓷齿轮等。

附图说明

附图1 为本发明的齿轮结构示意图。

附图2 为DLC薄膜制备过程中溅射设备的结构示意图。

附图中的标记分别表示：

1、真空室，2、磁控电源，3、永久磁铁，4、磁控靶，5、磁控阳极，6、真空系统，7、基体，8、进气系统，9、合金基体，10、增强体。

具体实施方式

下面结合附图1、2对本发明所提供的一种齿轮及其制造方法作以下详细说明。

一种齿轮，包括以下组成部分：

如附图1所示，网络结构增强体10：成分为不锈钢，体积分数为5～15%，所述增强体10为横向钢丝和纵向钢丝交错编织成的齿轮骨架。

合金基体9：成分为铸造硅铝合金，体积分数为85～95%，所述增强体嵌合金基体内部。

下面以伞齿轮为例提供实施例1

一种伞齿轮的制备方法，首先制备伞齿轮毛坯，包括以下步骤，

（1）选取直径为Ф0.4的不锈钢304（0Cr18Ni9），首先对其进行进行氢退处理，在连续全氢退火炉上进行，退火温度为1040℃，氢退的目的是降低硬度，提高塑性，为下一步的锻造做准备。选择氢气是因为氢气的密度为0.0899kg/m3，是氮气的1/14，导热系数为0.172W/(m·k)，是氮气的7倍，氢气的密度低，渗透能力强，可以深入钢管内部, 充分发挥导热系数大的特点, 显著提高传热效率, 提高了退火和冷却能力；

（2）酸洗处理：经酸洗去掉钢丝表面氧化皮与夹杂，酸洗采用工业盐酸（HCl），盐酸浓度为120～180g/l，氯化亚铁（FeCl₂）含量≤220 g/l，在室温下进行，钢丝经酸洗后表面为亮白色，经酸洗之后放到含有丙酮的超声波清洗池中清洗5～10分钟，在150～200℃烘箱中烘干；

（3）采用三维五向编织技术将所述不锈钢编织成孔隙率为100%的空间三维网络骨架，三维五向编织是通过运动线锭携带丝线围绕不动线锭有规律的运动, 运动丝线和不动丝线在空间彼此相互交织而形成织物的过程。运动丝锭的运动步距不同所形成的结构也就不同，三维五向编织法横向编织角为30o，纵向编织角为25o，纵向钢丝线数为121，径向钢丝线数为11。所编织成的三维网络骨架的通孔率为100%，形状和尺寸根据设计要求制定，通过控制型材截面尺寸控制编织孔径；

（4）将上述网络骨架进行超声波清洗，并进行干燥处理；

（5）将所述网络骨架放置到根据设计要求制造好的模具中预热，预热温度350～450℃，预热方式为：在模具底部放置一铜网，目数为200目，在模具底部连接一真空罐，真空度为10^-2Pa；然后将骨架放入模具中，升温，加热到500℃，保温。放入前在模具内腔喷刷涂料（40%钛白粉+20%石墨+40%水），上面用耐火石棉覆盖；；

（6）选取AP2铸造硅铝合金作为合金基体，将铸造硅铝合金熔炼至700～720℃，保温30Min，经孕育处理和脱渣处理后浇入到模型中，采用负压浸渗技术制备出网络互连通铝基复合材料齿轮毛坯。浇注完成后保温20分钟，从模具中取出并进行空冷；

（7）将上述复合材料进行均匀化退火和去应力退火，退火温度400℃，保温时间12小时，处理后空冷至室温，切除外表面氧化皮，使表面粗糙度达到12.5μm以上；

（8）将制备好的网络互连通铝基复合材料放入到精锻模具中进行锻造成形，最终获得所需的齿轮形状和尺寸。它包括以下工艺流程：

1）锻件毛坯重量设计：根据锥齿轮形状和尺寸要求，在需要考虑分模面、机械加工余量等因素后计算毛坯重量，并进行下料加工和外圆粗加工；

2）预锻工艺：将1）中毛坯加热到350℃，预锻温度加热到420℃，在预锻模具中进行预锻成型，预锻前在模具表面喷涂脱模剂，模具设计有流边槽，通过体积分配使预锻件尽可能地接近终锻件形状，以保证终锻过程中能够以较小的变形充满模具型腔。预锻毛坯从模具中取出后进行热切边并去除氧化皮；

3）终锻工艺：将2）中预锻齿轮重新加热到360℃，在精锻模具中进行精密锻造成型，待锻件冷却到室温后进行冷切边和喷砂处理，得到锻件。

上述锻造过程选用4000KN的摩擦压力机精锻行星齿轮，上模速度100mm/s，润滑剂采用水剂石墨。

（9）将精锻获得的伞齿轮表面进行离子溅射处理，喷涂的DLC复合薄膜涂层包括伞齿轮的表面溅射的SiC铺底层和DLC层：

如附图2所示，该离子溅射装备的结构包括真空室1、磁控电源2、永久磁铁3、磁控靶4、磁控阳极5、真空系统6、基体7、进气系统8。该离子溅射沉积采用三枪四靶工艺，由于锥齿轮齿面属于异型曲面，靶与溅射面距离随时变化，因此，为保证弧光稳定，设计时靶与工件廓形面距离自动可调，采用三级泵抽真空，大功率电源，充氩气介质，采用细颈压力传感器，装配阻尼声学滤波头，联体弹性元件，可提供瞬间压力过载保护，能够满足高可靠、长期稳定工作的工作条件。把沉积室抽至本底真空度2～4×10^-3Pa后，通入氩气，工作气压维持在0.1～0.5Pa。在辅助阳极和阴极磁控靶之间加200～1000V的直流电压，产生低压气体辉光放电。氩离子在电场作用下轰击基体表面，活化基体表面原子。通入碳源气体乙炔，保持各个工艺参数不变，碳源气体在氩离子和电场作用下产生电离，碳离子经基体负偏压（30～1000V）的加速作用，与其他原子或原子团一起在基体上沉积形成薄膜。此过程需要8～15个小时。离子溅射硬化处理设备的主要技术指标：工作台转速：48 r/min；功率：4.5 kW；工作电压：14 A；工作频率：800 Hz；工作气氛：Ar；工作温度：≤45 ℃。

（10）伞齿轮工件拆装：关闭真空泵电源、溅射电源，打开舱门直至内外压力一致，关闭冷却系统电源，将工件从旋转台架卸下。

（11）膜层检测与表征：用划痕法测试表面硬度，用SEM 观察膜层形貌，利用Tayloy Hobson轮廓检测仪测量膜厚。要求达到的工艺参数为：硬化层厚度：≥0.2 mm；表面硬度： HRC65；表面粗糙度：Ra0.1 μm；磨损率：0.02 mm³/Nm²；

采用上述技术方案后，可以制造出一种网络互连通铝基复合材料的伞齿轮，它包括前期的网络互连通铝基复合材料的制备以及后续伞齿轮的模锻成形。先采用三维五向编织技术编织不锈钢网络骨架，再通过液态金属浸渗技术制造网络互连通铝基复合材料齿轮毛坯，然后将毛坯放入到精锻模具中锻造出设计要求的齿轮尺寸，再在齿轮表面离子溅射DLC复合薄膜涂层。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

硅铝合金基体不同，本实施例为A390，见表1；

网络骨架成分不同，见表2；

不锈钢丝直径不同，见表2；

模具加热到300℃，预锻温度为450℃，终锻温度380℃，上模速度150mm/s。

成形后性能参数见表3。

实施例3

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

不锈钢丝直径不同，见表2；

增强体体积分数不同，见表2；

所述浸渗温度不同，见表2；

模具加热到400℃，预锻温度为480℃，终锻温度400℃，上模速度200mm/s。

成形后性能参数见表3。

实施例4

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表2；

不锈钢丝直径不同，见表2；

增强体体积分数不同，见表2；

所述浸渗温度不同，见表2；

采用10000KN的摩擦压力机精锻半轴齿轮。

成形后性能参数见表3。

表1

Figure DEST_PATH_746899DEST_PATH_IMAGE001

表2

Figure DEST_PATH_498954DEST_PATH_IMAGE002

表3

Figure DEST_PATH_259100DEST_PATH_IMAGE003

综上所述，本发明所提供的齿轮具有性能优良、工艺合理，价格适中，强度高，比重小等优点，通过网络编织骨架进一步提高了材料的断裂韧性，可替代现有有色金属型材，拓展使用范围，满足实际生产需要，采用的生产工艺简便，投资小，有利于工业化规模生产。

在上述实施例中，对本发明的最佳实施方式做了描述，很显然，在本发明的构思下，仍可做出很多变化，如所述的制造方法还可喷涂纳米材料的涂层和复合碳氮钛膜，以增加其耐磨性等。应该说明，在本发明的构思下所做出的任何改变都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种齿轮，其特征在于：包括合金基体和嵌设于合金基体内的增强体，所述增强体为横向钢丝和纵向钢丝交错编织成的齿轮骨架。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮，其特征在于：所述增强体横向钢丝编织角为30±5o，纵向钢丝编织角为25±5o。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮，其特征在于：所述增强体的体积分数为5～15%，合金基体的体积分数为85～95%。

4.根据权利要求1～3中任一所述的一种齿轮，其特征在于：所述增强体为不锈钢，合金基体为铸造硅铝合金。

5.一种齿轮的制造方法，用来制造权利要求1至4中所述的齿轮，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤b中合金基体的浇入前的处理过程为，将合金基体熔炼至700～720℃，保温25～35Min，经孕育处理和脱渣处理后浇入到锻造模具中。

7.根据权利要求5所述的一种齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤c中模具加热到200～400℃，预锻温度为420～480℃，精锻温度为360～400℃。

8.根据权利要求5所述的一种齿轮的制造方法，其特征在于：所述制造方法在c步骤后还包括步骤d：对齿轮的表面进行离子溅射，喷涂薄膜涂层。

9.根据权利要求8所述的一种齿轮的制造方法，其特征在于：所述的薄膜涂层为DLC复合薄膜涂层。

10.根据权利要求9所述的一种齿轮的制造方法，其特征在于：所述DLC复合薄膜涂层包括铺底层和DLC类金刚石涂层，所述的铺底层为SiC、Cr/Ti/N、Ti-Al-N中的一种或组合。