CN110724804A - 一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，由伺服电机、联轴器、电机底座固定板、超声振动装置、V型滑轨槽、机架、齿轮工件、超声弯振装置、超声电源A和超声电源B构成，采用超声高频振动激励钢丸和超声弯振激励工件的方式，工作面单位时间内被撞击的次数更多且受力更均匀，提高了喷丸强化的效果。采用永磁铁吸附钢丸在工具头的仿形工作面，使喷丸设备的使用更加灵活、轻便化。本发明将喷丸装置和超声振动装置融合在一起，用于解决齿轮根部及齿面均匀强化处理的加工难题，扩大了喷丸加工的使用范围，易于推广实施，具有良好的经济效益。

Description

一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法

技术领域

本发明涉及一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法,属金属表面机械强化技术领域。

背景技术

机械零部件的失效形式主要有残余变形、疲劳、腐蚀和磨损等，且金属零部件的失效都始于相对运动的零部件表面。改善零部件表面性能是降低零部件失效和提高零部件使用寿命的有效途径之一，因此,表面机械强化技术在机械零部件制造中得到了广泛应用。

喷丸强化是一种冷加工表面改性和成形技术,即在外力驱动下，钢丸以一定的速度撞击工件，使材料发生弹塑性变形，在金属表面形成凹坑,从而产生无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。近年来,人们给予了喷丸强化技术极大的关注,喷丸方式方法不断丰富,除传统的气动式喷丸和机械式抛丸之外，还研究开发了高压水射流喷丸、激光喷丸和超声喷丸等多种新技术。其中，超声喷丸作为一种新型的表面改性和成形技术,与传统喷丸的主要区别是利用超声振动作为能量源驱动钢丸撞击工件完成强化。由于采用超声振动作为能量源,因此该类设备与普通喷丸设备相比体积更小、耗能更少，而且处理时间短、工艺参数可控性强、适用性广，可用于不同材料、不同形状的工件的表面强化、校形或者成形。

现有公开技术对零件表面进行喷丸处理的设备及方法大都结构繁琐，且对工艺的控制条件要求较高；现有公开技术的超声喷丸强化处理的设备及方法采用仅对钢丸施加超声激励的方式，钢丸在超声激励后向工件表面运动，接触工件的钢丸经能量损耗后根本没有原来超声高频激励的能量，这样也就达不到超声喷丸强化的预期效果。

因此，亟需一种结构简单、操作方式简便、便于工艺控制的喷丸强化方法，本发明所述的一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，可以摆脱常规笨重的喷丸设备的限制，通过超声高频振动激励工具头对钢丸进行高频的超声激励，同时采用超声弯振装置对齿轮工件进行高频超声激励，采用永磁铁吸附钢丸的方式，提高了表面强化的效果和钢丸的利用率，该方法简便易行，有利于推进超声喷丸设备的开发、研制和应用。

发明内容

针对上述现有技术中的不足,本发明提供一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，具有加工效率高、体积小、使用寿命长、灵活性高的优点。

本发明的技术方案

一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，具体包括：伺服电机、电机底座固定板、内丝法兰、超声振动装置、V型滑轨槽、机架、齿轮工件、半圆键、超声弯振装置、超声弯振装置固定板、超声电源A、超声电源B、挡板；具体包括以下步骤：

a 所述伺服电机通过电机底座与机架的电机底座固定板固定连接，丝杠轴头通过联轴器与电机主轴固定连接，丝杠与超声振动装置的丝杠套连接；

b 所述V型滑轨槽与机架焊接固定，超声振动装置的V型滑轨与机架的V型滑轨槽配合连接，在伺服电机驱动丝杠传动装置的作用下，滑轨控制超声振动装置在竖直方向上下移动；

c 所述超声弯振装置在非换能器的一端节点位置处设有挡板，采用螺母与挡板共同固定在超声弯振装置固定板上；

d 所述超声振动装置包括丝杠传动套、V型滑轨、变幅器固定壳体、变幅器、工具头、法兰、螺栓、钢丸，变幅器在法兰位置处通过螺栓与变幅器固定壳体固定连接。

所述工具头内布置有永磁铁，所述钢丸被永磁铁的磁力吸附在工具头仿形工作面上，工作时，超声振动装置的工具头在丝杠传动装置的作用下向齿轮工件的齿根部分靠近并接触齿根和齿面，超声电源A激发的高频振动经变幅器放大后使工具头产生纵向高频振动，吸附在工具头仿形工作面的钢丸在撞击齿轮的齿根和齿面后回弹，获得一个背离齿面的速度，由于钢丸所受的重力和电磁力的合力是竖直向上的，所以钢丸会再次回到工具头的端面，钢丸被再次加速，重新获得向下的速度，再次撞击齿轮的齿根和齿面，由于超声弯振装置产生的弯振传递至齿轮工件，引起齿轮工件做高频超声振动，在超声振动装置和超声弯振装置的共同激励下完成齿轮工件的单个齿根和齿面的喷丸强化工作。

所述工具头的仿形工作面每次刚好可以覆盖一个齿根及其两侧相邻的各半个齿廓，齿轮工件绕超声弯振装置旋转一周可以完成整个齿轮工作表面的喷丸强化工作。

本发明的有益效果

本发明采用永磁铁吸附钢丸在工具头的仿形工作面，可以一次性的对齿轮的齿根和齿面同时进行喷丸强化处理，摆脱了占地面积大且笨重的传统喷丸设备的限制，使喷丸设备的使用更加灵活、轻便化。

本发明采用超声高频振动激励的方式，单位时间内钢丸撞击工作面的次数更多、撞击力度更均匀，提高了喷丸强化的效果。

本发明将喷丸装置和超声振动装置融合在一起，将超声喷丸装置安装在机架上，用于解决齿根及齿面均匀强化处理的加工难题，扩大了喷丸加工的使用范围，易于推广实施，具有良好的经济效益。

本发明采用单独的超声弯振装置对齿轮工件进行径向的高频脉冲激励，大大增强了喷丸强化的效果。

由于本发明采用内置永磁铁吸附钢丸以及压盖限制钢丸扩散的方式，本发明的工具头可以对工件采用360°多角度的喷丸强化处理。

附图说明

图1所示为一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法的结构示意图。

图2所示为图1的主视图。

图3所示为图2的左视图。

图4所示为超声弯振变幅器示意图。

图5所示为图2的局部放大视图。

图6所示为超声振动装置示意图。

图7所示为图6的主视图。

图8所示为图6的仰视图的局部放大视图。

图9所示为工具头结构示意图。

图10所示为图9的主视图。

图11所示为图9的左视图。

图12所示为图11的B-B剖视图。

图13所示为挡板。

图14所示为沿径向施加超声振动的示意图。

具体实施方式

实施例：参见图1-图14，图中，伺服电机1、电机底座固定板2、联轴器3、超声振动装置4、V型滑轨槽5、机架6、齿轮工件7、半圆键8、超声弯振装置9、超声弯振装置固定板10、超声电源A 11、丝杠12、电机底座13、紧固螺母14、超声电源B 15、挡板16、丝杠传动套4-1、V型滑轨4-2、变幅器固定壳体4-3、变幅器4-4、工具头4-5、法兰4-6、螺栓4-7、钢丸4-8、螺栓4-5-1、封板4-5-2、仿形工作面4-5-3、永磁铁4-5-5、压帽9-1、压电陶瓷片9-2、弯振变幅器9-3、半圆键槽9-4。

一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，其中超声电源A 11为本发明的超声振动装置4提供高频振动激励信号，伺服电机1通过电机底座13与电机底座固定板2连接，丝杠12的轴头通过联轴器3与伺服电机1的主轴连接，丝杠12与超声振动装置4的丝杠套4-1连接。超声振动装置4的V型滑轨4-2与机架6的V型滑轨槽5配合连接，在伺服电机1的作用下，超声振动装置4沿V型滑轨槽5在竖直方向上下移动。

超声弯振装置9既产生弯振同时弯振变幅器9-3也是固定齿轮工件7的轴；所述超声弯振装置9的换能器包括压帽9-1、4（偶数）个压电陶瓷片9-2、螺栓和弯振变幅器9-3，其中在变幅器9-3弯振最大位置处开设半圆键槽9-4，弯振变幅器9-3连接换能器一端的节点位置处设置有法兰，弯振变幅器9-3的另一端节点位置处设置有螺纹。

齿轮工件7与超声弯振装置9通过半圆键8连接，超声弯振装置9一端放置在超声弯振装置固定板10上，另一端通过挡板16和紧固螺母14固定在超声弯振装置固定板10上，两个固定位置均设置为超声弯振变幅器9-3振幅为0μm的节点位置处；半圆键公称尺寸为8×11×28mm，超声弯振变幅器9-3振动频率为28KHz，最大弯振振幅为5～8μm。

超声振动装置4包括丝杠传动套4-1、V型滑轨4-2、变幅器固定壳体4-3、变幅器4-4、工具头4-5、法兰4-6、螺栓4-7、钢丸4-8，变幅器4-4的法兰4-6通过螺栓4-7与变幅器固定壳体4-3固定连接，变幅器4-4工作频率为35KHz，变幅器工作时轴向振幅为3～35μm。

工具头4-5内布置有永磁铁4-5-5，经压盖4-5-4与螺栓4-5-1压紧固定。工作时，超声振动装置4的工具头4-5在伺服电机1的作用下向齿轮工件7的齿根部分靠近并与齿根表面保持6mm的工作间隙，钢丸4-8为直径0.5mm的磁性钢球，钢丸4-8被永磁铁4-5-5的磁力吸附在工具头仿形工作面4-5-3，超声电源A 11激发的高频振动在变幅器4-4的放大作用下使得工具头4-5产生纵向高频振动，吸附在工具头4-5仿形工作面4-5-3的钢丸4-8在撞击齿轮的齿根和齿面后回弹，获得一个向上的速度，而且由于其所受的重力和电磁力的合力是竖直向上的，所以钢丸会再次回到工具头4-5的端面，从而被再次加速，重新获得向下的速度，再次撞击齿轮的齿轮工件7的齿根和齿面，同时，由于超声弯振装置9产生的弯振传递至齿轮工件7，激励齿轮工件7做高频超声振动，在超声振动装置4和超声弯振装置9的共同激励下完成齿轮工件7的单个齿根和齿面的喷丸强化工作。如此反复，一定数量的钢丸4-8不断重复撞击齿轮的齿根和齿面，达到齿根、齿面强化的效果。

所述工具头4-5的仿形工作面4-5-3每次刚好可以覆盖一个齿根及其两侧相邻的各半个齿廓，齿轮工件7绕超声弯振装置9旋转一周可以完成整个齿轮工作表面的喷丸强化工作。

以上所述,仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，均属于本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，其特征在于包括：伺服电机、电机底座固定板、内丝法兰、超声振动装置、V型滑轨槽、机架、齿轮工件、半圆键、超声弯振装置、超声弯振装置固定板、超声电源A、超声电源B、挡板；具体包括以下步骤：

a 所述伺服电机通过电机底座与机架的电机底座固定板固定连接，丝杠轴头通过联轴器与电机主轴固定连接，丝杠与超声振动装置的丝杠套连接；

b 所述V型滑轨槽与机架焊接固定，超声振动装置的V型滑轨与机架的V型滑轨槽配合连接；

c 所述超声弯振装置在非换能器的一端节点位置处设有挡板，采用螺母与挡板共同固定在超声弯振装置固定板上；

d 所述超声振动装置包括丝杠传动套、V型滑轨、变幅器固定壳体、变幅器、工具头、法兰、螺栓、钢丸，变幅器在法兰位置处通过螺栓与变幅器固定壳体固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，其特征是：所述超声弯振装置既产生弯振同时弯振变幅器也是固定齿轮的轴；所述超声弯振装置的换能器包括压帽、4（偶数）个压电陶瓷片、螺栓、弯振变幅器，超声弯振装置的整体尺寸按照“半波长”规律设计，其中在变幅器弯振最大位置处开设半圆键槽，弯振变幅器连接换能器一端的节点位置处设置有法兰，弯振变幅器的另一端节点位置处设置有螺纹。

3.根据权利要求1所述的一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，其特征是：所述齿轮工件与超声弯振装置采用半圆键连接；所述工具头外表面采用齿轮齿廓仿形设计，工具头内布置有永磁铁。

4.根据权利要求1所述的一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，其特征是：所述超声振动装置的工具头仿形工作面与待加工齿面之间的间隙为6mm。

5.根据权利要求1所述的一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，其特征是：对于齿轮工件的超声振动方式可以有四种：除了本文明确提到的在超声弯振装置的变幅器的一端布置换能器，也可以设计成两端布置换能器，同时向中间施加超声激励，在半圆键的位置处弯振达到最大值；也可以采用在齿轮正下方左右各布置一个超声纵振装置，由下至上沿齿轮径向施加超声激励。

6.根据权利要求1所述的一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法，其特征是：所述钢丸被永磁铁的磁力吸附在工具头仿形工作面上，超声电源A激发的高频振动经变幅器放大后使工具头产生纵向高频振动，吸附在工具头仿形工作面的钢丸在撞击齿轮的齿根和齿面后回弹，获得一个背离齿面的速度，由于钢丸所受的重力和电磁力的合力是竖直向上的，所以钢丸会再次回到工具头的端面，钢丸被再次加速，重新获得向下的速度，再次撞击齿轮的齿根和齿面，由于超声弯振装置产生的弯振传递至齿轮工件，引起齿轮工件做高频超声振动，在超声振动装置和超声弯振装置的共同激励下完成齿轮工件的单个齿根和齿面的喷丸强化工作；所述工具头的仿形工作面每次刚好可以覆盖一个齿根及其两侧相邻的各半个齿廓，齿轮工件绕超声弯振装置旋转一周可以完成整个齿轮工作表面的喷丸强化工作。

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