CN111041409A - 一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，属于表面强化处理技术，具体包括如下步骤：激光冲击强化‑磨削‑喷丸。本发明采用了激光冲击强化、磨削和喷丸相结合的强化处理工艺，该工艺弥补了单独工艺的不足，又发挥了各自的优势，有效提升航空发动机传动齿轮的表面硬度、残余压应力，从而提高渗碳齿轮抗磨损、抗疲劳性能，满足工业应用的要求。

Description

一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法
技术领域
本发明属于表面强化处理技术领域，涉及一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，具体为激光冲击强化、磨削和喷丸的组合应用，目的是为了提高渗碳齿轮的抗磨损和抗疲劳性能。
背景技术
齿轮作为飞机特别是直升机发动机的关键传动部件，是实现扭矩和转矩传递的核心部件，飞机的安全使用和发动机的可靠运行都受到航空传动齿轮可靠性的影响。目前，我国航空装备传动齿轮部件面临寿命短、可靠性差、早期故障多等问题，主要表现为齿根弯曲疲劳、齿轮啮合面“点蚀”等接触疲劳和齿面磨损，一定程度上制约了我国航空技术的发展。渗碳是目前发动机传动齿轮制造生产中广泛才用的一种用于提高齿轮抗磨损/疲劳性能的方法，然而采用这种常规工艺对形状复杂的局部渗碳零件进行强化处理时，工件变形较大，以至在后序的磨削加工过程中，致使整个加工表面硬度分布不均，甚至出现局部的应力集中区域，降低硬渗碳强化效果。因此，需要寻求一种新的表面强化方法，在强化齿轮去除加工余量后，形成的服役表面仍具有较为均匀的表面硬度和残余压应力分布，进而实现传动齿轮服役性能的显著提升。
由于齿轮表面不是完全的平面，在齿轮表面贴覆保护层时容易出现贴合不紧密的问题，导致激光冲击强化过程中激光诱导产生的冲击波击穿吸收保护层，影响影响冲击波的传播，同时烧蚀材料表面，严重影响强化效果。
发明内容
本发明针对航空发动机齿轮结构特征和现有渗碳工艺难以满足使用要求的问题，提供了一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法。本发明的应用，可以推动表面强化技术在齿轮上的应用，从而提高航空发动机的可靠性和使用寿命。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，该方法根据齿轮结构形式，设计激光冲击强化-磨削-喷丸的加工路径，以满足齿轮不同位置加工的需求；具体包括以下步骤：
步骤1：根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，对含有加工余量的渗碳齿轮进行激光冲击强化处理；
步骤2：对经过激光冲击强化加工后的齿轮进行磨削加工，得到去除激光烧蚀层和加工余量后的齿轮；
步骤3：在喷丸后齿轮表面粗糙度满足使用要求前提下，确定喷丸强化的工艺参数，对步骤2处理后的齿轮进行喷丸处理。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，在激光冲击强化前齿轮先经过渗碳热处理，且存有预定的加工余量。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，在激光冲击强化时，采用的无保护层激光冲击强化工艺，即强化过程中齿轮表面不贴吸收保护层。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，选择激光冲击强化的位置为齿根和齿面。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，磨削时进刀量一次0.03mm，最后一次进刀量0.01mm。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，喷丸强化时，喷丸距离150mm，喷丸强度为0.5A，弹丸直径为0.6mm，覆盖率为200％。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提出的一种以综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，首先采用无吸收保护层激光冲击技术对渗碳齿轮进行处理，因无吸收保护层激光冲击强化处理后，齿轮表面存在烧蚀层，且残余应力分布不均，表面存在残余拉应力，因此需将齿轮烧蚀层以及加工余量进行磨削，使渗碳齿轮外形尺寸满足精度要求，最后进行喷丸强化处理，进一步硬化材料表面，并在表面产生较大的残余压应力，叠加之前无保护层激光冲击强化工艺引入的较大深度残余压应力，进而形成均匀的残余压应力和显微硬度分布。本发明由于采用了激光冲击强化、磨削、喷丸相结合进行表面强化的处理工艺，使得各个工艺处理之间相互弥补各自的不足，发挥各自的优势从而进一步提高齿轮磨损、抗疲劳的性能。概况来说，本发明具有如下的优点：
(1)采用无保护层激光冲击强化，可以避免保护层贴合不紧密，激光诱导冲击波打穿吸收保护层，严重影响冲击强化效果的问题；而且冲击前不需花费时间进行齿轮保护层的贴覆，提高了冲击效率。
(2)将无保护层激光冲击强化后产生的烧蚀层，不仅影响齿轮表面应力分布，更影响齿轮表面粗糙度。齿轮表面进行磨削，可以去除表面烧蚀层和加工余量，提高表面精度，并且磨削后的次表面具有更好的残余压应力。
(3)激光冲击强化具有残余压应力层深、冷作硬化低的特点，而喷丸强化压应力层浅、冷作硬化相对较高，因此两种强化工艺塑形形变的叠加，使齿轮表层具有表面残余应力高、压应力层深的特点。
(4)综合手段处理后，齿轮近表层主要受喷丸影响，近表层以下主要受激光冲击强化影响，可以有效降低激光冲击强化边缘的残余应力梯度。
综上所述，本发明的应用，可以推动表面强化技术在齿轮上的应用，从而提高航空发动机的可靠性和使用寿命。
附图说明
图1为综合手段处理后，材料微观组织及表面形貌演化图；其中，图1(a)为渗碳齿轮材料微观组织，图1(b)为无保护层激光冲击强化渗碳齿轮材料微观组织，图1(c)为磨削后齿轮材料微观组织，图1(d)为喷丸强化后齿轮材料微观组织。
图2为激光冲击强化与喷丸强化叠加后齿轮残余应力分布图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
本发明提供的一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，该方法根据齿轮结构形式，设计激光冲击强化-磨削-喷丸的加工路径，满足齿轮不同位置加工的需求；具体包括以下步骤：
步骤1：根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，对含有加工余量的渗碳齿轮进行激光冲击强化处理；其中在激光冲击强化前齿轮先经过渗碳热处理，且存有预定的加工余量；在激光冲击强化时，采用的无保护层激光冲击强化工艺，即强化过程中齿轮表面不贴吸收保护层；根据齿轮疲劳问题主要发生在齿根，磨损问题主要发生在齿面，选择激光冲击强化的位置为齿根和齿面；
步骤2：对经过激光冲击强化加工后的齿轮进行磨削加工，得到去除激光烧蚀层和加工余量后的齿轮；
步骤3：在喷丸后齿轮表面粗糙度满足使用要求前提下，确定喷丸强化的工艺参数，对步骤2处理后的齿轮进行喷丸处理。
实施例1：
对航空发动机齿轮进行综合手段处理，具体实施步骤为：
1、将齿轮装夹激光冲击强化设备上，调节机械手，使齿轮激光冲击强化区域与出光口大致垂直；
2、根据激光器参数：激光波长1064nm，脉宽20ns，以及齿轮材料特性，设置激光功率密度为5.5GW/cm2，光斑直径2.4mm，光斑搭接率为50％，齿轮表面无吸收保护层，加载水约束层，进行与齿轮齿面的法线垂直线成45°夹角的双路激光冲击强化。
3、将强化后齿轮安装在磨床夹具上，进刀量一次0.03mm，最后一次进刀量0.01mm，完成烧蚀层和加工余量的磨削，并达到齿轮所要求精度。
4、将齿轮装夹在喷丸强化的设备上，喷射弹丸的运动方向与齿轮齿面的法线垂直线成45°夹角，此种布置方式能够保证受喷齿轮的齿面不发生干涉，保证齿面完全得到喷丸强化。
5、设置喷丸强化参数，喷丸距离150mm，喷丸强度为0.5A，弹丸直径为0.6mm，覆盖率为200％，对齿轮齿面进行双面喷丸强化。
6、经综合手段处理材料的微观组织会发生改变，其影响效果如图1所示，且齿轮表面及深度方面叠加的残余应力如图2所示。
7、综合手段处理后的齿轮需进行表面完整性的检测，若不符合齿轮精度要求，可适当调整喷丸强化中喷丸强度、弹丸直径等参数。
将齿轮模拟将采用本发明的工艺进行处理，得到的试验数据如表1所示。
表1
实施工艺 表面显微硬度(HV) 表面残余应力(MPa)
原始渗碳 681.0 -619.7
激光冲击强化 826.3 -762.9
LSP+磨削 742.4 -493.0
喷丸 828.5 -1036.3
由上表1可知，本发明处理方法能有效增加齿轮表面硬度和表面残余压应力，很好提升其使用价值，经济效益较高。

Claims (6)

1.一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，其特征在于，该方法根据齿轮结构形式，设计激光冲击强化-磨削-喷丸的加工路径，以满足齿轮不同位置加工的需求；具体包括以下步骤：
步骤1：根据齿轮所用材料的特性确定激光冲击强化的参数：激光波长、脉宽、功率密度、冲击次数和冲击角度，对含有加工余量的渗碳齿轮进行激光冲击强化处理；
步骤2：对经过激光冲击强化加工后的齿轮进行磨削加工，得到去除激光烧蚀层和加工余量后的齿轮；
步骤3：在喷丸后齿轮表面粗糙度满足使用要求前提下，确定喷丸强化的工艺参数，对步骤2处理后的齿轮进行喷丸处理。
2.根据权利要求1所述的一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，其特征在于，步骤1中，在激光冲击强化前齿轮先经过渗碳热处理，且存有预定的加工余量。
3.根据权利要求1所述的一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，其特征在于，步骤1中，在激光冲击强化时，采用的无保护层激光冲击强化工艺，即强化过程中齿轮表面不贴吸收保护层。
4.根据权利要求1所述的一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，其特征在于，步骤1中，选择激光冲击强化的位置为齿根和齿面。
5.根据权利要求1所述的一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，其特征在于，步骤2中，磨削时进刀量一次0.03mm，最后一次进刀量0.01mm。
6.根据权利要求1所述的一种利用综合手段提高渗碳齿轮抗磨损/疲劳的方法，其特征在于，步骤3中，喷丸强化时，喷丸距离150mm，喷丸强度为0.5A，弹丸直径为0.6mm，覆盖率为200％。
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