CN110564938B - 一种齿轮分区复合喷丸强化方法及螺旋锥齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种齿轮分区复合喷丸强化方法，包括以下步骤：齿轮齿面啮合特性分析；根据啮合接触应力分析结果，将齿轮齿面划分为喷丸区、过渡区和非喷丸区；其中，喷丸区对应齿轮的齿面啮合区，过渡区对应齿轮齿面位于喷丸区外围且接触应力不为零的区域，非喷丸区对应齿轮齿面位于过渡区之外的区域；对喷丸区和过渡区进行喷丸处理，保证喷丸区的残余压应力大于过渡区的残余压应力。该方法可有效提升螺旋锥齿轮抗疲劳耐磨损性能，降低了齿轮副噪声水平，实现车桥螺旋锥齿轮与车辆寿命一致性需求目标。

Description

一种齿轮分区复合喷丸强化方法及螺旋锥齿轮

技术领域

本发明属于齿轮表面强化技术领域，涉及一种齿轮分区复合喷丸强化方法及螺旋锥齿轮。

背景技术

喷丸强化技术是一种金属表面冷加工技术，齿轮制造厂家通常采用此种工艺来作为增加齿轮抗疲劳强度的一种工艺手段。目前车桥螺旋锥齿轮表面强化方法主要为传统喷丸强化，主要为离心式喷丸强化。传统喷丸为全齿面喷丸，一方面存在人力、物力的浪费的问题，另一方面因受喷面大，易造成应力分布不均匀，出现过喷与欠喷的问题，而且齿轮齿面各处的受力大小是不同的，采用传统喷丸使得齿面实际各处受力状况不对应，也即齿轮表面性能不能达到一致，容易导致裂纹萌生的问题，进而会对使齿面抗疲劳、耐磨损性能的提升产生影响。其次，传统喷丸强化方法对齿轮残余压应力、硬度、弯曲疲劳强度与接触疲劳强度等力学性能提高有限。因此，急需开发一种能够提高齿轮抗疲劳耐磨损性能，同时喷丸处理时间大幅缩短的齿轮喷丸强化方法。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种处理成本低且能提高齿面抗疲劳耐磨损性能的齿轮分区复合喷丸强化方法及螺旋锥齿轮。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种齿轮分区复合喷丸强化方法，包括如下步骤：

(1)齿轮齿面啮合特性分析；

(2)齿面喷丸分区；

根据步骤(1)啮合接触应力分析结果，将齿轮齿面划分为喷丸区、过渡区和非喷丸区；其中，喷丸区对应齿轮的齿面啮合区，过渡区对应齿轮齿面位于喷丸区外围且接触应力不为零的区域，非喷丸区对应齿轮齿面位于过渡区之外的区域；

(3)喷丸处理；

对喷丸区和过渡区进行喷丸处理，保证喷丸区的残余压应力大于过渡区的残余压应力。

进一步的，喷丸区喷丸处理工艺条件为：弹丸直径≤0.2mm，弹丸硬度为58-63HRC，弹丸速度为60-100m/s，弹丸流量为11-13kg/min，喷枪移动速度为2-4mm/s，喷丸区覆盖率≥1000％，喷丸区表面感应加热温度为200-400℃。

进一步的，喷丸处理采用四自由度以上喷丸系统，且喷枪的喷嘴直径为1～2mm。

进一步的，喷丸处理后，过渡区最大残余压应力为900～1200Mpa，喷丸区最大残余压应力值达为1500-1600MPa，晶粒大小为100nm～10μm。

进一步的，步骤(1)齿轮齿面啮合特性分析的具体过程如下：根据齿轮切齿原理、啮合原理推导齿轮副齿面方程，将齿面点离散化处理并导入软件中，构造出齿轮三维实体模型，利用软件对齿轮副齿面进行接触特性分析，得出接触迹线及齿面接触区。

一种螺旋锥齿轮，包括齿轮本体，采用上述方法对齿轮本体进行强化处理。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、本发明将齿轮齿面划分为喷丸区、过渡区和非喷丸区，并保证喷丸区的残余压应力大于过渡区的残余压应力，也即齿轮齿面的残余压应力从齿面啮合区向外逐渐变小，成梯度变化，不仅可以大幅缩短喷丸处理时间，降低处理成本，保证了齿面寿命一致性。

2、引入的残余压应力越大，材料抗疲劳、耐磨损性能越高，根据齿轮所受接触应力不均匀的情况，采用分区喷丸，有针对性的(受力越大，引入残余压应力越大)提升每个区域残余压应力，使得齿面残余压应力与齿面实际受力大小相对应，从而可以解决传统全齿面喷丸方式由过喷造成齿轮表层下高拉应力，导致裂纹萌生的问题，使齿面抗疲劳、耐磨损性能大大增加。

3、通过特殊的工艺参数控制，在喷丸区最大残余压应力值可达到1600MPa左右，晶粒可达到100nm～10um，金属晶粒越细，则强度与硬度越高，耐磨性与抗疲劳性能越好，通过在应力最大区制备纳米表层，使该区域齿面耐磨损抗疲劳能力最强。

附图说明

图1是本发明锥齿轮正驱时接触印痕图；

图2是本发明锥齿轮反驱时接触印痕图；

图3是本发明喷丸分区示意图；

图4是本发明表面感应加热辅助高能喷丸系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例以重载车辆加装缓速器后的车桥主减速器用螺旋锥齿轮副为对象，考虑齿轮副自身接触应力高，且由于小轮高轴向负载使得接触区滑移大、易产生边沿和齿根接触，导致齿面(尤其是反驱面)磨损、疲劳寿命短的问题，拟依据正反驱齿面工作特性，以齿轮与车辆同寿命为目标，根据齿面啮合接触特性研究，提出齿面高能喷丸分区方法。

车桥螺旋锥齿轮的分区复合喷丸强化方法解决方案步骤是：

(1)螺旋锥齿轮齿面啮合特性分析；

基于螺旋锥齿轮切齿原理、微分几何与啮合理论，建立车桥主减速器螺旋锥齿轮啮合模型；采用多体动力学理论，建立齿轮副—转子—轴承系统广义动力学模型；采用Hermite插值离散变分方法和AMESim仿真技术，加载正驱与反驱工况载荷谱，得到车桥不同工况下(载荷、速度)齿面接触轨迹位置与形状、滑动率与方向、接触应力、摩擦力与温升等啮合接触特征，为车桥螺旋锥齿轮齿面磨损与疲劳、性能设计与分区强化研究提供依据。

(2)齿面喷丸分区；

基于齿轮副啮合接触性能分析，获得正反驱凹凸两齿面的接触区特征(位置、形状与大小)。齿面磨损与疲劳即发生在此接触区域或其临近区域，此为喷丸强化的重点区域。以实现接触区高耐磨和抗疲劳性能以及保障高能喷丸效率为目的，将齿面分成“喷丸区—过渡区—空白区”三个特征区。其中喷丸区覆盖接触区；过渡区临近喷丸区，以齿面接触应力为零的位置为过渡区外边界；齿面其他区域为空白区，即非喷丸区。

(3)喷丸处理；

步骤(31)喷嘴姿态、轨迹规划

以实现“喷丸区”和“过渡区”精确、高效强化以及喷嘴运行平顺为目标，根据齿面分区及复合喷丸参量控制模型，面向四轴联动(齿轮旋转+喷嘴垂向直线+喷嘴水平直线+喷嘴上下摆动)数控强喷机，以喷射系统动静力学性能、覆盖率、丸粒特性等为约束条件，建立喷嘴姿态、轨迹、运动参量(速度、加速度)的优化模型，求解获得“喷丸区”和“过渡区”复合喷丸的喷嘴姿态及轨迹参量集，建立高能喷丸四轴联动数控模型。

步骤(32)表面感应加热辅助高能喷丸工艺

根据高能喷丸纳米细晶形成机制，在气动式齿轮高能喷丸设备上设计并加装超高频(>100kHZ)表面感应加热装置，形成齿面感应加热辅助高能喷丸系统。实现表层精确加热(控制温度在再结晶温度下)，温度偏差精确控制在1℃，提高纳米化表层生成效率，使其最大残余压应力达到预设值900～1200MPa；之后，对喷丸区按由外到里的螺旋轨迹进行高覆盖率喷丸，使其最大残余压应力值达到1600MPa左右，晶粒达到100nm～10um。

本发明的技术解决思路是，根据螺旋锥齿轮啮合接触特性，对齿轮表面进行分区。根据车桥齿轮高拉应力和高硬度马氏体导致传统喷丸强化难以形成表面纳米细晶组织结构和大压应力小梯度应力分布的问题，发明表面感应加热辅助高能喷丸复合强化方法。

解决车桥螺旋锥齿轮早期磨损与疲劳失效问题，实现车桥螺旋锥齿轮高效强化，降低齿轮副噪声水平，提高齿轮副传动性能，避免了喷丸后齿轮二次精加工，提高了齿轮加工效率，达到齿轮与车辆同寿命目标。

本发明将齿轮齿面划分为喷丸区、过渡区和非喷丸区，并保证喷丸区的残余压应力大于过渡区的残余压应力，也即齿轮齿面的残余压应力从齿面啮合区向外逐渐变小，成梯度变化，不仅可以大幅缩短喷丸处理时间，降低处理成本，保证了齿面寿命一致性。

本发明引入的残余压应力越大，材料抗疲劳、耐磨损性能越高，根据齿轮所受接触应力不均匀的情况，采用分区喷丸，有针对性的(受力越大，引入残余压应力越大)提升每个区域残余压应力，使得齿面残余压应力与齿面实际受力大小相对应，从而可以解决传统全齿面喷丸方式因过喷造成齿面高拉应力，导致裂纹萌生的问题，使齿面抗疲劳、耐磨损性能大大增加。

下面结合附图和具体实例对本发明进一步详细说明：

(1)所述车桥螺旋锥齿轮齿坯材料选用齿轮钢(22CrMoH、20CrNiMo等)，需经过渗碳、调制处理，齿轮在表面强化前经过磨削处理。喷丸所用弹丸材料为高硬度钢丝切丸(G3型号)，弹丸直径为0.2毫米以下。

(2)以全工序法加工车桥螺旋锥齿轮为例，所述齿轮副啮合性能分析(参见图1和图2)需在已知车桥螺旋锥齿轮机床调整参数的情况下，对螺旋锥齿轮进行三维实体精确建模。所述齿轮副三维实体精确建模需推导出齿轮齿面数学方程。

所述齿面数学方程为：

大轮齿面方程：r₂(θ₂,u₂)＝r_m2+m₂

小轮齿面方程：r₁(θ₁,u_1,φ₁)＝r_m1+u₁t₁+m₁

其中：r_m1与r_m2分别为小轮与大轮产形面位置矢量；m₁与m₂分别为小轮与大轮齿坯设计交叉点到机床中心的位置矢量；θ为刀盘相位角；u为切削刃上参考点到刀尖的距离；φ₁为刀盘切削面绕摇台中心轴旋转角度；t₁为刀盘上切削点处的单位切向量。

(3)依据本发明一种用于车桥螺旋锥齿轮的分区复合喷丸强化方法解决方案，具体实施步骤为：

步骤1：螺旋锥齿轮啮合特性分析

根据螺旋锥齿轮切齿原理、啮合原理推导齿轮副齿面方程，将齿面点离散化处理并导入Pro/E软件中，构造出螺旋锥齿轮三维实体模型。利用MATLAB、ABAQUS等软件对齿轮副齿面进行接触特性分析，得出接触迹线、齿面接触区等(见图1和图2)。

步骤2：齿面喷丸分区方法

根据齿轮副啮合特性结合齿面磨损、疲劳性能设计需求进行分区喷丸设计，将齿面分成“喷丸区—过渡区—空白区”三个特征区(见图3)。

步骤3：喷嘴姿态、轨迹规划

建立齿面强化区及其需求分布的三维模型，考虑齿轮曲面特征(法矢、曲率、挠率等)以及不同分区的喷丸覆盖率需求，以效率和运动平稳性为目标，结合四轴联动高能喷丸技术，采用NURBS等曲线插补方法进行喷丸轨迹规划，编写车桥螺旋锥齿轮全齿面分区喷丸轨迹数控程序。

步骤4：表面感应加热辅助高能喷丸

根据车桥齿轮钢纳米细晶形成条件，考虑温度对材料动态应变时效和动态析出强化的作用，在气动式喷丸设备上加装超高频表面感应加热装置，实现表面感应加热辅助高能喷丸(见图4)，使其最大残余压应力达到预设值900～1200MPa；之后，对喷丸区按由外到里的螺旋轨迹进行高覆盖率喷丸，使其最大残余压应力值达到1600MPa左右，晶粒达到100nm～10um。

本实施例分区喷丸是一种根据齿面性能需求分布的精准喷丸方法，根据齿面啮合特性选择工艺参数，更加具有针对性。根据齿轮表所受应力不同，将齿面划分为不同喷丸区域，设计喷丸工艺参数进行高效率喷丸，最终形成高承载、高强度、齿轮与车辆同寿命的高性能齿轮设计方法。金属晶粒越细，强度与硬度越高，耐磨性与抗疲劳性能越好，研究纳米细晶形成机制，通过在应力最大区制备纳米表层，使该区域齿面耐磨损抗疲劳能力最强。而传统喷丸只注重齿根，齿面性能提升作用有限，粗糙度高，无法实现按需喷丸，无法实现精准喷丸，喷丸方式比较粗放。分区喷丸采用高能喷丸，更加具有目的性，针对性高，因引入纳米化表层，齿轮性能提升作用大大提高，满足齿轮与车辆同寿命等高性能齿轮制造需求，可实现精确喷丸。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种齿轮分区复合喷丸强化方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）螺旋锥齿轮齿面啮合特性分析；

基于螺旋锥齿轮切齿原理、微分几何与啮合理论，建立车桥主减速器螺旋锥齿轮啮合模型；采用多体动力学理论，建立齿轮副—转子—轴承系统广义动力学模型；采用Hermite插值离散变分方法和AMESim仿真，加载正驱与反驱工况载荷谱，得到车桥不同工况下齿面啮合接触特征，其中，啮合接触特征包括接触轨迹位置与形状、滑动率与方向、接触应力以及摩擦力与温升，

（2）齿面喷丸分区；

基于齿轮副啮合接触性能分析，获得正反驱凹凸两齿面的接触区特征，以实现接触区高耐磨和抗疲劳性能以及保障高能喷丸效率为目的，将齿轮齿面划分为喷丸区、过渡区和非喷丸区；其中，喷丸区对应齿轮的齿面啮合区，过渡区对应齿轮齿面位于喷丸区外围且接触应力不为零的区域，非喷丸区对应齿轮齿面位于过渡区之外的区域；

（3）喷丸处理；

步骤（31）、喷嘴姿态、轨迹规划

以实现喷丸区和过渡区精确、高效强化以及喷嘴运行平顺为目标，根据齿面分区及复合喷丸参量控制模型，面向四轴联动数控强喷机，以喷射系统动静力学性能、覆盖率、丸粒特性为约束条件，建立喷嘴姿态、轨迹、运动参量的优化模型，求解获得喷丸区和过渡区复合喷丸的喷嘴姿态及轨迹参量集，建立高能喷丸四轴联动数控模型；

步骤（32）、表面感应加热辅助高能喷丸工艺

根据高能喷丸纳米细晶形成机制，在气动式齿轮高能喷丸设备上加装超高频表面感应加热装置，形成齿面感应加热辅助高能喷丸系统，实现表层精确加热温度偏差精确控制在1℃，提高纳米化表层生成效率，使其最大残余压应力达到预设值900~1200MPa；之后，对喷丸区按由外到里的螺旋轨迹进行高覆盖率喷丸，使其最大残余压应力值达到1600MPa，晶粒达到100nm~10um。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，喷丸区喷丸处理工艺条件为：弹丸直径≤0.2mm，弹丸硬度为58-63HRC，弹丸速度为60-100m/s，弹丸流量为11-13kg/min，喷丸区覆盖率≥1000%，喷丸区表面感应加热温度为200-400℃。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，喷丸处理采用四自由度以上喷丸系统，且喷枪的喷嘴直径为1~2mm。

4.一种螺旋锥齿轮，包括齿轮本体，其特征在于：采用权利要求1-3任一项所述的方法对所述齿轮本体进行强化处理。

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