CN112756707A - 一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法 - Google Patents

Abstract

一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，首先对超高强度不锈钢CF170材料进行粗加工，形成齿坯及齿形外形；然后对齿坯及齿形外形进行固溶时效热处理，使其硬度达到HRC46‑51；进行半精加工；利用磨床进行磨削精加工，得到齿轮外形，同时通过磨削使表层材料发生形变强化；然后利用激光喷丸设备产生激光束冲击齿轮表面，采用水流约束、铝箔吸收的方式进行激光喷丸，形成梯度分布的硬化层和残余压应力层，残余压应力最大值出现在表面；最后进行超声滚光，使其表面残余压应力分布均匀，消除加工纹理，改善被处理表面的粗糙度，齿轮表面光洁。本发明能够实现超高强度不锈钢齿轮材料高质量表面强化处理，满足航天器精密齿轮高可靠性要求。

Description

一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法

技术领域

本发明属于航空航天精密加工领域，涉及一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法。

背景技术

精密驱动传动机构作为航天器实现空间运动的基础部件，其高可靠性能对航天器寿命具有重要意义。在驱动传动机构精密齿轮啮合传动过程中，齿轮表面往往需要接触并承受很大的载荷，因此对齿轮的抗疲劳性能及表面质量具有较高的要求。表面强化是提高齿轮零件抗疲劳能力的有效手段，主要通过细化表层组织及改善残余压应力的分布形成高硬、高强的硬化层获得。当前表面强化技术主要包括表面形变强化、热处理强化、化学热处理强化与涂覆强化四种类型。其中表面形变强化是是一种应用最为广泛的强化处理方式，利用外力作用使材料表层产生塑形变形和加工硬化。其它强化类型相比，能够避免因强化过程中因高温导致的零件变形，且能显著提高产品抗疲劳能力。

当前航天器精密驱动传动机构中，高精度齿轮选用的是一种超高强度马氏体时效强化不锈钢CF170材料，其由于优良的力学性能在航天产品中具有广泛的应用前景。但该材料由于具有较高的硬度，加工过程中应力较大导致变形问题较为突出。目前CF170齿轮在完成机械加工后利用表面化学热处理强化来进行强化处理，但强化过程中的高温进一步加剧了齿轮零件的变形，且易出现裂纹，导致齿轮机械加工后的精度降低，产品合格率低。同时CF170材料含有较高的Cr、Ni、Mo和Ti等合金元素，利用渗氮处理进行表面强化时，由于Ni元素对氮原子的渗入具有抑制作用，因而影响渗氮强化处理效果。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法。

本发明解决技术的方案是：

一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，该方法的步骤包括：

步骤一，对超高强度不锈钢CF170材料进行粗加工，形成齿坯及齿形外形；

步骤二，对步骤一得到的齿坯及齿形外形进行固溶时效热处理，使其硬度达到HRC46-51；

步骤三，对齿坯及齿形外形利用线切割设备进行半精加工；

步骤四、利用磨床对步骤三处理后的齿坯及齿形外形进行磨削精加工，得到齿轮外形，同时通过磨削使表层材料发生形变强化，表面粗糙度Ra0.8-1.6μm，在齿轮表面形成明显的波峰波谷；磨削精加工时，进给速度1000-2000mm/min，磨削深度0.1-0.5mm；磨削砂轮选用铸铁基结合剂的砂轮，磨粒粒度60目，磨粒负前角为60-70度；

步骤五、利用激光喷丸设备产生的高能短脉冲激光束冲击齿轮表面，采用水流约束、铝箔吸收的方式进行激光喷丸，形成梯度分布的硬化层和残余压应力层，残余压应力最大值出现在表面；

步骤六、对激光喷丸后的齿轮表面进行超声滚光，使其表面残余压应力分布均匀，消除加工纹理，改善被处理表面的粗糙度，使齿轮表面光洁度达到Ra0.4。

所述步骤四中，磨削精加工时，磨粒尖部休整为圆弧，使其不具备锋利的切削能力，同时避免加工过程中由于旧磨粒脱落产生新的锋利磨粒。

所述步骤六中，超声滚光时，选用直径1.5mm～3mm的硬质合金或蓝宝石滚压头。

通过在线非接触测量获得齿面点云数据，以此规划超声滚光走刀路径。

超声滚光走刀路径如下：

在齿面滚压加工过程中，齿轮和滚压刀具联动，使滚压刀具法向矢量与齿面滚压点法向矢量一致；滚压刀具在齿根位置先沿齿宽方向由一端滚向另一端，再沿齿根向齿顶方向进给一定的深度，同时齿轮联动旋转一定的角度，滚压刀具再次沿齿宽方向由一端滚压向另一端，往复循环，直至超声滚光走刀路径包络整个齿面。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.本发明能够获得更好的表面强化质量

本发明利用磨削、激光喷丸、超声滚光复合强化的方法对超高强度不锈钢CF170齿轮进行表面强化，磨削加工既能保证加工精度又能实现一定的表层强化，激光喷丸实现表层晶粒细化和表层硬化，同时形成梯度分布的、影响较深的残余压应力层，超声滚光实现表面光整，大幅减小表面粗糙度值，使强化层应力分布更加均匀。避免了加工过程导致的齿轮零件变形、裂纹等问题，提高了齿轮机械加工后的精度和产品合格率。

2、本发明能够提高齿轮加工精度

本发明以磨削、激光喷丸、超声滚光复合强化的方法代替当前的渗氮表面强化技术，避免渗氮后齿轮变形、渗氮裂纹等问题的发生，有效提升齿轮加工精度。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

针对航天器精密驱动传动机构中，具有高精度、高表面质量要求的超高强度CF170齿轮的强化处理，本发明提供一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，实现超高强度不锈钢齿轮材料高质量表面强化处理，满足航天器精密齿轮高可靠性要求。

本发明的步骤如图1所示。

1.完成超高强度不锈钢CF170齿轮粗加工及固溶时效热处理。

2.利用磨床对高强度不锈钢CF170齿轮进行磨削加工，在实现一定加工精度的同时产生表层强化效果，利用磨削过程中砂轮磨粒对工件表层材料的挤压力作用，使表层材料发生形变强化，齿轮表层形成影响深度较浅的残余压应力层和硬化层，但齿轮表面的磨削纹理明显，表面粗糙度值较大。

磨削砂轮要求：磨削加工选用磨粒较为粗大的砂轮，砂轮颗粒不能过于锋利，同时选用铸铁基结合剂的砂轮，避免加工过程中由于旧磨粒脱落产生新的锋利磨粒。磨削参数：利用快进给、大深度进行磨削加工，进给速度1000-2000mm/min，磨削深度0.1-0.5mm。。磨削砂轮选用铸铁基结合剂的砂轮，磨粒粒度60目，磨粒负前角为60-70度，磨粒尖部休整为圆弧，使其不具备锋利的切削能力，同时避免加工过程中由于旧磨粒脱落产生新的锋利磨粒。

3.利用激光喷丸设备的激光高能短脉冲(波长1064nm，脉冲宽度15ns)激光束冲击齿轮表面，设置激光能量密度、光斑直径、光斑搭接率、脉宽等工艺参数，采用水流约束、铝箔吸收的方式进行激光喷丸；激光喷丸过程中的压力波传递到齿轮内部，产生较深的塑性变形层，表层微观组织出现晶粒细化层，同时形成梯度分布的、影响较深的残余压应力层，残余压应力最大值出现在表面；形成梯度分布的硬化层；而齿轮表面形貌及其粗糙度没有明显改善，强化表层可能存在不均匀的问题。

4.利用超声滚光设备进行表面光整，设置滚压力、振幅、超声频率等工艺参数，基于齿根圆尺寸半径，选用直径1.5mm～3mm的硬质合金或蓝宝石滚压头；通过在线非接触测量获得齿面点云数据，以此规划超声滚光走刀路径；超声滚光后，齿轮表面加工纹理完全消失，表面粗糙度值大幅减小，光整效果明显，强化层应力分布更加均匀。

通过以上复合强化工艺，CF170齿轮表面形成梯度分布的晶粒细化层、残余压应力层和硬化层，并且表面光整效果明显，抗疲劳性能大幅提升。

本发明复合强化方法取长补短，基于齿轮磨削表面，通过激光强化、超声滚光复合强化实现超高强度不锈钢齿轮材料高质量表面强化处理，满足航天器精密齿轮高可靠性要求，避免产生渗氮变形，提高产品质量。

实施例：

(1)通过车、铣等常规加工手段对固溶时效热处理前的超高强度不锈钢CF170材料进行粗加工，形成齿坯及齿形外形，单边留2mm余量；

(2)对齿坯及齿形外形进行固溶时效热处理，材料硬度达到HRC46-51；

(3)对齿坯及齿形外形利用线切割设备进行半精加工，单边留余量0.5mm；

(4)利用磨床对零件进行磨削精加工，齿轮外形几何尺寸及定位尺寸按图纸设计要求进行加工，满足设计要求；表面粗糙度尽量大(Ra0.8-1.6μm)，在齿轮表面形成明显的波峰波谷；

(5)利用激光喷丸的方式对磨削后的齿轮表面进行强化冲击，激光喷丸作用于具有磨削纹理的表面，表面的塑形变形加剧，表层微观组织出现明显的晶粒细化层，表层材料硬化，显微硬度呈梯度分布，残余压应力层大于1mm，最大残余压应力出现在表面；

(6)对激光喷丸后的齿轮表面进行超声滚光，表面残余压应力分布均匀，消除加工纹理改善被处理表面的粗糙度，齿轮表面光洁度达到Ra0.4，满足产品使用要求。

本发明航天器超高强度不锈钢齿轮表面强化中因高温导致的零件精度降低、因材料中的合金元素成分导致的表面强化质量不稳定等问题，提供一种新型的复合强化方法，能够消除目前技术中的不利影响，实现高精度、高表面质量要求的CF170齿轮的表面强化，提高抗疲劳性能。

随着空间飞行器技术的发展和我国航天各重要领域的逐步深入，空间高精度驱动传动机构不断向高精度、轻量化、长寿命、批量化方向发展，高强度不锈钢材料精密齿轮的加工具有广阔的应用前景。本发明提供的一种高质量高强度不锈钢表面复合强化方法，能够满足航天器产品高质量齿轮加工要求。

本发明同样适用于其它领域同类齿轮的表面复合强化。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，其特征在于该方法的步骤包括：

步骤一，对超高强度不锈钢CF170材料进行粗加工，形成齿坯及齿形外形；

步骤二，对步骤一得到的齿坯及齿形外形进行固溶时效热处理，使其硬度达到HRC46-51；

步骤三，对齿坯及齿形外形利用线切割设备进行半精加工；

步骤四、利用磨床对步骤三处理后的齿坯及齿形外形进行磨削精加工，得到齿轮外形，同时通过磨削使表层材料发生形变强化，表面粗糙度Ra0.8-1.6μm，在齿轮表面形成明显的波峰波谷；磨削精加工时，进给速度1000-2000mm/min，磨削深度0.1-0.5mm；磨削砂轮选用铸铁基结合剂的砂轮，磨粒粒度60目，磨粒负前角为60-70度；

步骤五、利用激光喷丸设备产生的高能短脉冲激光束冲击齿轮表面，采用水流约束、铝箔吸收的方式进行激光喷丸，形成梯度分布的硬化层和残余压应力层，残余压应力最大值出现在表面；

步骤六、对激光喷丸后的齿轮表面进行超声滚光，使其表面残余压应力分布均匀，消除加工纹理，改善被处理表面的粗糙度，使齿轮表面光洁度达到Ra0.4。

2.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，其特征在于：所述步骤四中，磨削精加工时，磨粒尖部休整为圆弧，使其不具备锋利的切削能力，同时避免加工过程中由于旧磨粒脱落产生新的锋利磨粒。

3.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，其特征在于：所述步骤六中，超声滚光时，选用直径1.5mm～3mm的硬质合金或蓝宝石滚压头。

4.根据权利要求3所述的一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，其特征在于：通过在线非接触测量获得齿面点云数据，以此规划超声滚光走刀路径。

5.根据权利要求4所述的一种超高强度不锈钢齿轮表面复合强化方法，其特征在于：超声滚光走刀路径如下：

在齿面滚压加工过程中，齿轮和滚压刀具联动，使滚压刀具法向矢量与齿面滚压点法向矢量一致；滚压刀具在齿根位置先沿齿宽方向由一端滚向另一端，再沿齿根向齿顶方向进给一定的深度，同时齿轮联动旋转一定的角度，滚压刀具再次沿齿宽方向由一端滚压向另一端，往复循环，直至超声滚光走刀路径包络整个齿面。

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