CN112708752A - 一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法及其装置；装置包括激光单元及计算机控制单元、回转运动单元和水约束单元；回转运动单元用于夹持固定齿轮工件，并在加工过程中调整齿轮工件的加工角度；水约束单元用于将去离子水流送至齿轮工件表面，并在齿轮工件表面形成一层去离子水膜层。通过高能脉冲激光把高振幅冲击波导入金属表面，冲击波产生的机械“冷作”作用使材料达到被压缩的效果。激光喷丸与常规喷丸技术在金属表面引入残余压应力的方式完全不同，产生的压应力深5倍或10倍，从而可以有效提高齿轮表面的抗疲劳性能。

Description

一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法及其装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法及其装置。

背景技术

齿轮传动在现代工业社会中得到了广泛的应用。精密减速器是工业机器人中最关键的功能部件，其中的摆线齿轮是RV减速器关键零件，其表面强度直接影响着减速器的使用寿命。高速齿轮箱是新能源汽车的关键功能部件，输入轴的最高转速可达16000r/min，输入级高速齿轮在标准工况下循环次数超过2.7×10^9次，应用于商用整车正常运行10年、100万公里。随着技术的不断发展，对齿轮传动时齿轮齿根弯曲疲劳强度、齿面接触疲劳强度提出了更为苛刻的要求。而目前企业主要采用常规喷丸技术对齿轮表面进行强化，其引入的残余压应力深度较浅，强化效果有限，并且无法对某些特殊位置进行表面强化。

本发明通过激光喷丸技术对齿轮表面进行强化可以在齿轮表面引入更深的残余应力，相应可以在齿轮表面获得更高的疲劳性能，通过调整激光参数还可以实现在齿轮不同位置达到不同的抗疲劳性能，并且由于激光喷丸不存在丸粒，对工艺与环境更具亲合性与环保性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法及其装置。本发明通过激光喷丸工艺对齿轮表面进行强化可以在齿轮表面引入更深的残余应力，相应可以在齿轮表面获得更高的疲劳性能，通过调整激光参数还可以实现在齿轮不同位置达到不同的抗疲劳性能，并且由于激光喷丸不存在丸粒，对工艺与环境更具亲合性与环保性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种通过激光喷丸强化齿轮表面的装置，包括激光单元及计算机控制单元10、回转运动单元和水约束单元；

回转运动单元，用于夹持固定齿轮工件9，并在加工过程中调整齿轮工件9的加工角度；

水约束单元，用于将去离子水流送至齿轮工件9表面，并在齿轮工件9表面形成一层去离子水膜层。

所述回转运动单元，包括步进电机7及其传动轴8；

所述步进电机7本体以转动方式安装在支撑座11上，用于调节传动轴8的仰角，以改变齿轮工件9的加工角度。

所述水约束单元，包括水净化装置5及其水约束加载装置6；

水约束加载装置6通过软管连接水净化装置5；水约束加载装置6调节去离子水的流量或者流速。

所述激光单元包括激光器1、扩束镜2、反射镜3和扫描振镜4，它们依次光路连接。

一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法，其包括如下步骤：

(1)：去除零件表面的油污；

(2)：在齿轮工件9的待激光喷丸表面粘贴铝箔胶带作为吸收层；

(3)：通过去离子水流在吸收层表面形成水膜设置约束层；

(4)：把齿轮工件9装夹在传动轴8上，调整激光单元的激光路径以及齿轮工件9的加工角度，开始进行激光喷丸，直至完成整个齿轮工件9的激光喷丸造型。

步骤(2)中，所述铝箔胶带的厚度为0.05～0.3mm。

步骤(3)中，所述约束层的厚度为0.5mm～2mm。

步骤(4)中，所述激光路径中的单点激光距离为2mm；激光冲击工艺参数中，激光脉冲能量为5J，光斑直径1mm，脉宽10ns～20ns。

步骤(1)中，所述去除零件表面的油污，是用脱脂棉蘸无水乙醇擦拭齿轮表面去除。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明相对常规喷丸技术，通过激光喷丸技术，结合回转运动单元和水约束单元对摆线齿轮进行表面强化不需要能量传递介质——丸粒，产生的残余应力深5倍至10倍，并且可以有效对特殊区域进行表面强化。同时激光较短的脉冲时长使得加工工时较短，避免了工件热应力的产生，可控性能好。

通过本发明激光喷丸后，齿轮工件表面呈现一排排宽度与距离相等的凹坑面。凹坑面的面积占有率5～20％，凹坑直径在60～90μm，凹坑深度5～20μm。

本发明由于是非接触无刀具加工，不存在刀具的损耗和折断等问题，不会引起齿轮的物理变形。

本发明能够有效地解决齿轮现有表面强化技术生产工艺较复杂，无法对特定部位精确强化，效率较低等问题，是一种实用、有效的齿轮表面强化方法。

附图说明

图1为本发明通过激光喷丸强化齿轮表面的装置结构图一。

图2为本发明通过激光喷丸强化齿轮表面的装置结构图二；用于加工锥齿轮强化时的结构改进图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1-2所示。本发明公开了一种通过激光喷丸强化齿轮表面的装置，包括激光单元及计算机控制单元10、回转运动单元和水约束单元；

回转运动单元，用于夹持固定齿轮工件9，并在加工过程中调整齿轮工件9的加工角度；

水约束单元，用于将去离子水流送至齿轮工件9表面，并在齿轮工件9表面形成一层去离子水膜层。

所述回转运动单元，包括步进电机7及其传动轴8；

所述步进电机7本体以转动方式安装在支撑座11上，用于调节传动轴8的仰角，以改变齿轮工件9的加工角度。

所述水约束单元，包括水净化装置5及其水约束加载装置6；

水约束加载装置6通过软管连接水净化装置5；水约束加载装置6调节去离子水的流量或者流速。

所述激光单元包括激光器1、扩束镜2、反射镜3和扫描振镜4，它们依次光路连接。

在加工过程中：

(1)使用脱脂棉蘸无水乙醇擦拭清洁零件表面,去除齿轮表面的油污；

(2)在待激光喷丸表面粘贴铝箔胶带作为吸收层,铝箔胶带的厚度为0.12mm；

(3)连通水约束加载装置的去离子水流，采用向吸收层喷射去离子水的方法设置约束层,约束层厚度为2mm；

(4)把齿轮装夹在回转运动机构上；编写激光扫描路径为直线扫描，调节激光光斑间距为2mm。激光冲击工艺参数激光脉冲能量为5J，光斑直径1mm，脉宽15ns。进行激光喷丸,完成零件的激光喷丸造型。激光喷丸后，齿轮表面留下了一排排宽度与距离相等的凹坑面。所述凹坑面的面积占有率5％，凹坑直径在60μm，凹坑深度5μm，齿轮表面产生冲击强化层深度1mm。

激光扫描路径变为斜线扫描，具体根据齿轮的螺旋角编写路径。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种通过激光喷丸强化齿轮表面的装置，包括激光单元及计算机控制单元10，其特征在于：还包括回转运动单元以及水约束单元；

回转运动单元，用于夹持固定齿轮工件(9)，并在加工过程中调整齿轮工件(9)的加工角度；

水约束单元，用于将去离子水流送至齿轮工件(9)表面，并在齿轮工件(9)表面形成一层去离子水膜层。

2.根据权利要求1所述通过激光喷丸强化齿轮表面的装置，其特征在于：所述回转运动单元，包括步进电机(7)及其传动轴(8)；

所述步进电机(7)本体以转动方式安装在支撑座(11)上，用于调节传动轴(8)的仰角，以改变齿轮工件(9)的加工角度。

3.根据权利要求2所述通过激光喷丸强化齿轮表面的装置，其特征在于：所述水约束单元，包括水净化装置(5)及其水约束加载装置(6)；

水约束加载装置(6)通过软管连接水净化装置(5)；水约束加载装置(6)调节去离子水的流量或者流速。

4.根据权利要求3所述通过激光喷丸强化齿轮表面的装置，其特征在于：所述激光单元包括激光器(1)、扩束镜(2)、反射镜(3)和扫描振镜(4)，它们依次光路连接。

5.一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法，其特征在于通过权利要求1-3中任一项所述装置实现，其包括如下步骤：

(1)：去除零件表面的油污；

(2)：在齿轮工件(9)的待激光喷丸表面粘贴铝箔胶带作为吸收层；

(3)：通过去离子水流在吸收层表面形成水膜设置约束层；

(4)：把齿轮工件(9)装夹在传动轴(8)上，调整激光单元的激光路径以及齿轮工件(9)的加工角度，开始进行激光喷丸，直至完成整个齿轮工件(9)的激光喷丸造型。

6.根据权利要求5所述通过激光喷丸强化齿轮表面的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述铝箔胶带的厚度为0.05～0.3mm。

7.根据权利要求6所述通过激光喷丸强化齿轮表面的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述约束层的厚度为0.5mm～2mm。

8.根据权利要求7所述通过激光喷丸强化齿轮表面的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述激光路径中的单点激光距离为2mm；激光冲击工艺参数中，激光脉冲能量为5J，光斑直径1mm，脉宽10ns～20ns。

9.根据权利要求8所述通过激光喷丸强化齿轮表面的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述去除零件表面的油污，是用脱脂棉蘸无水乙醇擦拭齿轮表面去除。

Images