CN113186378B

CN113186378B - 一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置

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Publication number: CN113186378B
Application number: CN202110472213.4A
Authority: CN
Inventors: 陈海锋; 杨吉鑫; 陈权豪
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2041-04-29
Also published as: CN113186378A

Abstract

一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，包括超声振动装置与弹丸冲击机构，超声振动装置由超声波发生器、换能器、变幅杆和振动头组成，振动头工作端的截面形状为梯形，振动方式为径向振动，弹丸冲击机构由壳体、上盖板、内挡板、外挡板和弹丸组成，壳体内部设置有与振动头形状相同的型腔，壳体与被加工齿轮配合的两侧轮廓形状为渐开线，壳体两侧设置有蜂窝状的正六边形弹道，弹道靠近振动头的一端设置有内挡板槽，靠近被加工齿轮的一端设置有外挡板槽，每个弹道内装有一颗弹丸，本发明利用振动头产生的径向振动，驱动弹丸在弹道内运动，冲击齿轮表面，实现超声喷丸，有效解决了超声工具头与被加工齿轮齿面距离较远，难以达到理想加工效果的问题。

Description

一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置

技术领域

本发明涉及零件表面强化设备技术领域，特别是涉及一种用于直齿圆柱齿轮表面强化的弹丸式超声喷丸装置。

背景技术

齿轮以其可靠、稳定的传动性能在机械传动与动力系统的得到了广泛的应用。齿面磨损是齿轮传动系统中最为常见的故障之一，磨损通常发生在润滑不良、工况恶劣等条件下，磨损会导致齿轮的振动和噪声增加，严重时会导致齿轮其他故障的发生，比如点蚀、齿面剥落甚至断齿，不仅降低了传动系统的精度，同时也带来了巨大的经济损失。

喷丸强化是一种用来提高金属零件疲劳强度的机械表面冷加工方法，加工过程在室温下进行，单颗弹丸与工件撞击接触时间短，产生的热能少，能够克服传统热处理强化过程中高温对齿轮产生的影响。齿轮喷丸强化时，球形弹丸高速撞击零件表面使之产生弹塑性变形，形成残余压应力层，并使表面形变强化，从而提高了金属的抗疲劳性能。超声喷丸技术是一种以大功率超声作为驱动能量，由超声换能器和变幅器驱动丸粒或撞针对被处理表面进行喷丸强化的表面自纳米化技术。与普通喷丸相比，超声喷丸能够细化工件表面的晶粒尺寸，在材料表层形成纳米晶层，进一步提高零件的摩擦磨损性能。但是，现有的超声喷丸技术都是采用平面的工具头驱动弹丸撞击工件，由于齿槽深度方向较深，而宽度较窄，工具头很难深入齿槽中，而如果把工具头设置在齿顶位置，弹丸又很难对齿根位置进行有效撞击。发明人陈海锋等公开了一种用于圆柱齿轮表面强化的超声喷丸装置（申请号：202010602661.7），采用形状为变位内齿圈的超声工具头与带喷丸齿轮配合，解决了齿槽深度较深，弹丸无法对靠近齿根部分的齿面进行有效撞击，超声喷丸效果不佳的问题。但是由于超声振动的幅值与工具头的形状及尺寸密切相关，当工具头的尺寸较大时，将很难产生超声振动，因此，这种方法只适用于小模数的齿轮，对于大模数齿轮的问题依然没有得到解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于大模数直齿圆柱齿轮表面强化的弹丸式超声喷丸装置，用以解决现有的齿轮超声喷丸方法中超声喷丸工具头与被加工齿轮表面距离较远，难以达到理想加工效果的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，包括超声振动装置与弹丸冲击机构，其特征在于，所述超声振动装置由超声波发生器、换能器、变幅杆和振动头组成，所述振动头工作端的截面形状为梯形，振动方式为径向振动，所述弹丸冲击机构由壳体、上盖板、内挡板、外挡板和弹丸组成，所述壳体内部设置有与振动头形状相同的型腔，振动头与壳体的型腔为间隙配合，并且间隙小于弹丸的半径，所述壳体与被加工齿轮配合的两侧轮廓形状为渐开线，壳体的两侧轮廓与被加工齿轮之间存在间隙，并且间隙小于弹丸的半径，壳体两侧设置有蜂窝状的正六边形弹道，弹道的轴线与水平面存在倾角，弹道靠近振动头的一端设置有内挡板槽，靠近被加工齿轮的一端设置有外挡板槽，所述内挡板槽和外挡板槽的宽度小于弹丸的半径，超声喷丸开始前，将内挡板插入内挡板槽中，在每个弹道内装入一颗弹丸后，将外挡板插入外挡板槽中，振动头与被加工齿轮安装好后，将外挡板与内挡板抽出，上盖板通过螺栓与壳体固定。

优选的，所述弹道的轴线与水平面存在的倾角角度为10~15度。

优选的，所述振动头工作端的截面形状为等腰梯形。

优选的，所述振动头的振幅范围为30~50微米，振动频率为20kHz~30kHz。

优选的，所述弹丸的半径为1~3mm。

优选的，所述弹道的内切圆半径为4~5mm。

本发明的有益效果是，利用等腰梯形的振动头产生径向方向的超声振动，驱动弹道内的弹丸冲击齿轮表面，有效解决了超声工具头与被加工齿轮齿面距离较远，难以达到理想加工效果的问题。为了解决弹丸的安装问题，在弹道两端分别设置有内挡板槽和外挡板槽，在超声喷丸前，先将内挡板插入内挡板槽中，然后在弹道内放入弹丸，再将外挡板插入外挡板槽中，使得在安装过程中，弹丸不会从弹道中滚出，导致弹道内无弹丸从而影响超声喷丸效果，并且内挡板槽和外挡板槽的宽度小于弹丸的半径，可以保证弹丸不会在超声喷丸的过程中，从内挡板槽或外挡板槽的缝隙中漏出。此外，弹道的轴线与水平面存在倾角，可以保证在内挡板抽出后，弹丸能够在重力的作用下自由滚动到弹道末端，与振动头工作面相接触，保证初始状态时，振动头产生的超声振动能够作用在弹丸上，同时，振动头与壳体的型腔为间隙配合，且间隙小于弹丸的半径，可以保证振动头在振动时不会被卡死，并且弹丸不会从间隙中掉下；而壳体外侧渐开线轮廓与被加工齿面存在间隙主要是为了安装方便，并且间隙小于弹丸的半径是为了防止弹丸与齿面碰撞后依然能够返回到原来的弹道内，避免被卡在间隙中。

另外，弹道排布成蜂窝状结构，蜂窝状结构排布可以提高单位面积内的弹道数量，从而增加撞击到齿轮表面的弹丸数量；弹道截面形状为正六边形，使得弹丸与弹道为点接触，减小弹丸运动过程中与弹道内壁的摩擦损耗。

由于被加工齿轮参数众多，而超声振动装置的振型和振动频率与超声变辐杆及振动头的形状密切相关，因此，利用等腰梯形的振动头对弹丸进行冲击，针对不同模数的齿轮，只需设计与之匹配的弹丸冲击结构即可，无需对超声振动装置进行重新设计与制造，提高了超声喷丸装置的通用性，降低了企业的使用成本。除此之外，如果只需要对齿轮进行局部喷丸强化，则可以去除其余部分弹道内的弹丸，实现对齿轮表面进行局部强化。

附图说明

图1为本发明整体装配示意图。

图2为本发明弹丸冲击机构装配示意图。

图3为超声振动装置连接示意图。

图4为本发明壳体三维结构示意图。

图5为本发明壳体剖面图。

图6为本发明振动头结构示意图。

图中标记：1-壳体；101-弹道；102-内挡板槽；103-外挡板槽；2-内挡板；3-外挡板；4-弹丸；5-上盖板；6-振动头；7-变幅杆；8-换能器；9-超声波发生器。

具体实施方案

实施例1，下面根据具体实施例对本发明作进一步说明，参见图1~图6，一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，包括超声振动装置与弹丸冲击机构，其特征在于，所述超声振动装置由超声波发生器9、换能器8、变幅杆7和振动头6组成，所述振动头6工作端的截面形状为等腰梯形，振动方式为径向振动，振动头的振幅为30微米，振动频率为20KHz，所述弹丸冲击机构由壳体1、上盖板5、内挡板2、外挡板3和弹丸4组成，所述壳体1内部设置有与振动头6形状相同的型腔，振动头6与壳体1的型腔为间隙配合，并且间隙小于弹丸4的半径，所述壳体1与被加工齿轮配合的两侧轮廓形状为渐开线，壳体1的两侧轮廓与被加工齿轮之间存在间隙，并且间隙小于弹丸4的半径，壳体1两侧设置有蜂窝状的正六边形弹道101，弹道的内切圆半径为4mm，弹道101的轴线与水平面存在倾角，倾角大小为10度，弹道101靠近振动头6的一端设置有内挡板槽102，靠近被加工齿轮的一端设置有外挡板槽103，所述内挡板槽102和外挡板槽103的宽度小于弹丸4的半径，弹丸的半径为1mm，超声喷丸开始前，将内挡板2插入内挡板槽102中，在每个弹道101内装入一颗弹丸4后，将外挡板3插入外挡板槽103中，振动头6与被加工齿轮安装好后，将外挡板3与内挡板2抽出，上盖板5通过螺栓与壳体1固定。

工作原理为，振动头在超声波发生器、换能器与变幅杆的作用下，产生在水平方向的径向振动，使得与振动头接触的弹丸在超声驱动力的作用下沿弹道运动，冲击齿轮表面，实现超声喷丸强化。

实施例2，下面根据具体实施例对本发明作进一步说明，参见图1~图6，一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，包括超声振动装置与弹丸冲击机构，其特征在于，所述超声振动装置由超声波发生器9、换能器8、变幅杆7和振动头6组成，所述振动头6工作端的截面形状为等腰梯形，振动方式为径向振动，振动头的振幅为50微米，振动频率为30KHz，所述弹丸冲击机构由壳体1、上盖板5、内挡板2、外挡板3和弹丸4组成，所述壳体1内部设置有与振动头6形状相同的型腔，振动头6与壳体1的型腔为间隙配合，并且间隙小于弹丸4的半径，所述壳体1与被加工齿轮配合的两侧轮廓形状为渐开线，壳体1的两侧轮廓与被加工齿轮之间存在间隙，并且间隙小于弹丸4的半径，壳体1两侧设置有蜂窝状的正六边形弹道101，弹道的内切圆半径为5mm，弹道101的轴线与水平面存在倾角，倾角大小为15度，弹道101靠近振动头6的一端设置有内挡板槽102，靠近被加工齿轮的一端设置有外挡板槽103，所述内挡板槽102和外挡板槽103的宽度小于弹丸4的半径，弹丸的半径为3mm，超声喷丸开始前，将内挡板2插入内挡板槽102中，在每个弹道101内装入一颗弹丸4后，将外挡板3插入外挡板槽103中，振动头6与被加工齿轮安装好后，将外挡板3与内挡板2抽出，上盖板5通过螺栓与壳体1固定。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，包括超声振动装置与弹丸冲击机构，其特征在于，所述超声振动装置由超声波发生器（9）、换能器（8）、变幅杆（7）和振动头（6）组成，所述振动头（6）工作端的截面形状为梯形，振动方式为径向振动，所述弹丸冲击机构由壳体（1）、上盖板（5）、内挡板（2）、外挡板（3）和弹丸（4）组成，所述壳体（1）内部设置有与振动头（6）形状相同的型腔，振动头（6）与壳体（1）的型腔为间隙配合，并且间隙小于弹丸（4）的半径，所述壳体（1）与被加工齿轮配合的两侧轮廓形状为渐开线，壳体（1）的两侧轮廓与被加工齿轮之间存在间隙，并且间隙小于弹丸（4）的半径，壳体（1）两侧设置有蜂窝状的正六边形弹道（101），弹道（101）的轴线与水平面存在倾角，弹道（101）靠近振动头（6）的一端设置有内挡板槽（102），靠近被加工齿轮的一端设置有外挡板槽（103），所述内挡板槽（102）和外挡板槽（103）的宽度小于弹丸（4）的半径，超声喷丸开始前，将内挡板（2）插入内挡板槽（102）中，在每个弹道（101）内装入一颗弹丸（4）后，将外挡板（3）插入外挡板槽（103）中，振动头（6）与被加工齿轮安装好后，将外挡板（3）与内挡板（2）抽出，上盖板（5）通过螺栓与壳体（1）固定。

2.如权利要求1所述的一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，其特征在于，所述弹道（101）的轴线与水平面存在的倾角角度为10~15度。

3.如权利要求1所述的一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，其特征在于，所述振动头（6）工作端的截面形状为等腰梯形。

4.如权利要求1所述的一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，其特征在于，所述振动头（6）的振幅范围为30~50微米，振动频率为20kHz~30kHz。

5.如权利要求1所述的一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，其特征在于，所述弹丸（4）的半径为1~3mm。

6.如权利要求1所述的一种弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，其特征在于，所述弹道（101）的内切圆半径为4~5mm。