CN113996804B - 一种分区梯度组分齿轮的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种分区梯度组分齿轮的制备方法，所述梯度组分齿轮从外到内依次分为硬度区、过渡区、韧性区三个工作区；硬度区、过渡区、韧性区三个工作区的高度比为3:4:3。本发明采用数字化的增材成形技术按照如下步骤制备齿轮：取Cr粉，C粉，Si粉，Mn粉，P粉，S粉，Ti粉，Cu粉，Fe粉分时间，位置，温度，控制不同的质量百分比混合处理进行制备。成品齿轮具有从高韧低硬过度到低韧高硬的梯度性能，能保证普通齿轮所达不到的机械性能，更加耐重载冲击，使寿命在一定情况下得到提升，是一种具有发展前景的高性能齿轮。

Description

一种分区梯度组分齿轮的制备方法
技术领域
本发明涉及一种分区梯度组分齿轮的制备方法，属于机械传动机构设计技术 领域。
背景技术
梯度齿轮是基于梯度材料衍生出来的一种新型高性能零件，摆脱了传统工 业生产的工艺束缚，采用的一种增材制造技术加工的梯度齿轮具有前所未有的性 能，应用领域也是十分广泛的，对齿轮的生产制造领域也是一次质的提升。目前 梯度齿轮可用于，机械装置，尖端器具等高性能高要求的领域；随着工业生产技 术要求的提升，梯度齿轮的制备方法是十分亟需攻克的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能梯度组分齿轮的制备方法，为传统的插 齿，滚齿，铣齿以及高精度磨齿，提出一种新的处理制备方法，克服了加工方式 单一，难以制备多种材料梯度齿轮的问题，具体包括以下步骤：
(1)利用建模软件建立齿轮的三维模型并将建模转换成打印机识别的二维 切片，选中不同区让其进行3d打印，配置到不同区域与不同的金属粉末含量；
(2)将质量百分比为Cr粉1-2％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉 0.15-0.23％，Si粉0.17-0.37％，Mn粉0.8-1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉 0.04-0.1％，Cu粉≤0.2％放到二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒； 选中相应选区进行齿牙韧性区打印；
(3)将质量百分比为Cr粉2-3％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉 0.15-0.23％，Si粉0.17-0.37％，Mn粉0.8-1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉 0.04-0.1％，Cu粉≤0.2％放到二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒； 选中相应选区进行齿牙过渡区打印；
(4)将质量百分比为Cr粉3-4％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉 0.15-0.23％，Si粉0.17-0.37％，Mn粉0.8-1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉 0.04-0.1％，Cu粉≤0.2％放到二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒； 选中相应选区进行齿牙硬度区打印；
(5)将打印完成的齿轮送入热处理室进行热处理，热处理完成以后随炉冷 却至室温，将热处理后的梯度齿轮按照工艺要求喷砂抛光至要求精度。
进一步的，本发明所述梯度组分齿轮从外到内依次分为硬度区、过渡区、韧 性区三个工作区；硬度区、过渡区、韧性区三个工作区的高度比为3:4:3。
进一步的，本发明步骤(2)～(4)中上位机同步在线传输扫描路径数据给 机器人，机器人在线实时执行传输路径数据，具体参数为：出口后30mm内粉 束直径：Φ1～Φ5mm；送粉量连续可调，范围为0～40g/min，粉末粒度为60～150 μm；激光器输出功率为50-3000W；光斑直径变化范围为Φ1～Φ2.5mm；聚焦镜 焦距115～120mm。
进一步的，本发明步骤(5)中热处理的条件为：在真空度为10-2～10-4Pa 的热处理室进行热处理，880-900℃保温1-2.5h。
本发明所述3d打印过程：齿轮成形箱应为氩气环境进行保护，避免打印粉体 氧化进行反应，根据工艺要求严格控制铺粉装置精度误差在成型箱均匀喷粉，严 格控制激光温度进行选区打印，完成一种选区再进行下一个选区的打印，如此进 行三个选区打印完成整个选区梯度齿轮的打印。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述梯度组分齿轮具有普通齿轮所达不到的机械性能，更加耐 重载冲击，使寿命在一定情况下得到提升；所需原材料价格低廉，来源广泛。所 需设备简单，设备易于操作，适用于规模化批量生产，制备三维建模简单，加工 过程安全，制备过程选用多种粉末实时均匀混合物，可代替繁琐高成本精度不足的工人作业，实现先进的三维立体打印，制备过程中精准控制不同的送粉速率， 并在激光的高温状态下进行均匀熔融。
(2)对于常规齿轮，传统齿轮存在以下问题：齿轮表面需要繁琐的后处理 工序，增加生产加工时间，常用渗碳和渗氮技术，后处理过程中会出现不必要的 加工盈余。对比本专利梯度齿轮精准赋予不同区域上不同材料，达到最优机械效 果
(3)所选原料为合金钢粉末，原料成本低，加工简单，在齿轮应用较广， 而在传统后处理中，芯部的处理加工很难保证，越深的位置越难预测性能变化。 由此选用的材料，硬度区具有很高可预知的硬度，硬度区耐较高的低温冲击强度， 良好的加工性，抗疲劳性能表现良好。芯部韧性好，硬度低，耐扭转应力，在结构上更适用于齿轮的受力情况。
(4)选用一体的激光3d打印减少了普通烧结界面难以耦合的困难，打印不 同区域间无需二次加工。解决了整体强化和表面强化工艺难以克服的矛盾带，带 来了齿轮生产加工新的方法，对齿轮材质，加工，设计创造了新的效益。
附图说明
图1是本发明所述梯度组分齿轮的结构示意图；
图2是本发明打印齿牙的不同分区图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范 围并不限于所述内容。
本发明所述3d打印系统由激光器，六轴控制中心，采用多路送粉装置，惰性 气体保护箱，多轴送粉头组成，底板材料用45钢，底板尺寸为 50mm*50mm*10mm；送粉量连续可调，范围为0～40g/min，最大送粉量40g/min，增材粉末粒度适用范围为60～150μm；激光器输出功率范围为50-3000W；光斑 直径变化范围为Φ1～Φ2.5mm可变化；聚焦镜焦距约119mm。
实施例1
本实施例所述梯度组分齿轮从外到内依次分为硬度区、过渡区、韧性区三个 工作区；硬度区、过渡区、韧性区三个工作区的高度比为3:4:3。
具体制备方法为：利用建模软件建立齿轮的三维模型并将建模转换成打印机 识别的二维切片，选中不同区让其进行打印，配置到不同区域与不同的金属粉末 含量，最后配置打印机参数进行打印。
韧性区：
将质量百分比为Cr粉1％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.15，Si粉0.2％，Mn粉0.8％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.04％，Cu粉≤0.2％放到二 号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙韧性 区打印。
过度区：
将质量百分比为Cr粉2％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.15，Si粉0.2％，Mn粉0.8％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.04％，Cu粉≤0.2％放到二 号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙过渡 区打印。
硬度区：
将质量百分比为Cr粉3％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.15，Si粉0.2％，Mn粉0.8％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.04％，Cu粉≤0.2％放到二 号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙硬度 区打印。
配置打印机参数：
出口后30mm内粉束直径为Φ3.7mm；送粉量连续可调为30g/min，最大送 粉量30g/min，粉末粒度适用为112.5μm；激光器输出功率为2250W；光斑直径 为Φ1.9mm；聚焦镜焦距约119mm；上位机同步在线传输扫描路径数据给机器人， 机器人在线实时执行传输路径数据。保护气氛环境进行保护，根据工艺要求严格 控制铺粉装置精度误差在成型箱均匀喷粉，严格控制激光温度进行选区打印，完 成一种选区再进行下一个选区的打印，如此进行三个选区打印完成整个选区梯度齿轮的打印。
后处理：将打印完成的齿轮送入真空度为10-2～10-4Pa的热处理室进行热处理，保温880℃，保温2.5h。随炉冷却至室温，将热处理后的梯度齿轮按照工艺要求喷砂抛光至要求精度。
实施例2
本实施例所述梯度组分齿轮从外到内依次分为硬度区、过渡区、韧性区三个 工作区；硬度区、过渡区、韧性区三个工作区的高度比为3:4:3。
具体制备方法为：利用建模软件建立齿轮的三维模型并将建模转换成打印机 识别的二维切片，选中不同区让其进行打印，配置到不同区域与不同的金属粉末 含量，最后配置打印机参数进行打印。
韧性区：
将质量百分比为Cr粉2％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.23％，Si 粉0.37％，Mn粉1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.1％，Cu粉≤0.2％放到 二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙韧 性区打印。
过度区：
将质量百分比为Cr粉3％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.23％，Si 粉0.37％，Mn粉1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.1％，Cu粉≤0.2％放到 二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙过 渡区打印。
硬度区：
将质量百分比为Cr粉4％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.23％，Si 粉0.37％，Mn粉1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.1％，Cu粉≤0.2％放到 二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙硬 度区打印。
配置打印机参数：
出口后30mm内粉束直径为Φ3.7mm；送粉量连续可调为30g/min，最大送 粉量30g/min，粉末粒度适用为112.5μm；激光器输出功率为2250W；光斑直径 为Φ1.9mm；聚焦镜焦距约119mm；上位机同步在线传输扫描路径数据给机器人， 机器人在线实时执行传输路径数据。保护气氛环境进行保护，根据工艺要求严格 控制铺粉装置精度误差在成型箱均匀喷粉，严格控制激光温度进行选区打印，完 成一种选区再进行下一个选区的打印，如此进行三个选区打印完成整个选区梯度齿轮的打印。
后处理：将打印完成的齿轮送入真空度为10-2～10-4Pa的热处理室进行热处理，保温900℃，保温1h。随炉冷却至室温，将热处理后的梯度齿轮按照工艺要求喷砂抛光至要求精度。
和常规齿轮相比，本发明实施例1具有更大的耐冲击载荷，齿牙根部耐塑性 应力；可针对不同工作情况改变粉体材料，如若增加更多硬度，可增加少量钨； 如若减少成本，可改变韧性区粉末组分；本专利提供了对不同齿轮不同受力情况 提供一种制造方法，可对受力区再进行细化简化，可改变工作区数量，可改变工作区形状，更好的适用于更多不同工况的齿轮应用。
实例1中，材料中铬是主要改变的梯度成分，其增加渗透性及强化齿顶硬度 的效果，该成分里钛的参与使这种Fe基合金中晶粒更加细化，起到后处理过程中 渗碳晶粒的变大，增加了齿轮的强度以及韧性。

Claims (4)

1.一种分区梯度组分齿轮的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)利用建模软件建立齿轮的三维模型并将建模转换成打印机识别的二维切片，选中不同区让其进行3d打印，配置到不同区域与不同的金属粉末含量；
(2)将质量百分比为Cr粉1-2％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.15-0.23％，Si粉0.17-0.37％，Mn粉0.8-1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.04-0.1％，Cu粉≤0.2％放到二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙韧性区打印；
(3)将质量百分比为Cr粉2-3％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.15-0.23％，Si粉0.17-0.37％，Mn粉0.8-1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.04-0.1％，Cu粉≤0.2％放到二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙过渡区打印；
(4)将质量百分比为Cr粉3-4％放到一号喷粉盒内；将质量百分比为C粉0.15-0.23％，Si粉0.17-0.37％，Mn粉0.8-1.1％，P粉≤0.035％，S粉≤0.035％，Ti粉0.04-0.1％，Cu粉≤0.2％放到二号喷粉盒内充分搅拌；将剩余Fe粉放到三号喷粉盒；选中相应选区进行齿牙硬度区打印；
(5)将打印完成的齿轮送入热处理室进行热处理，热处理完成以后随炉冷却至室温，将热处理后的梯度齿轮按照工艺要求喷砂抛光至要求精度。
2.根据权利要求1所述分区梯度组分齿轮的制备方法，其特征在于：所述梯度组分齿轮从外到内依次分为硬度区、过渡区、韧性区三个工作区；硬度区、过渡区、韧性区三个工作区的高度比为3:4:3。
3.根据权利要求1所述分区梯度组分齿轮的制备方法，其特征在于：步骤(2)～(4)中上位机同步在线传输扫描路径数据给机器人，机器人在线实时执行传输路径数据，具体参数为：出口后30mm内粉束直径：Φ1～Φ5mm；送粉量连续可调，范围为0～40g/min，粉末粒度为60～150μm；激光器输出功率为50-3000W；光斑直径变化范围为Φ1～Φ2.5mm；聚焦镜焦距115～120mm。
4.根据权利要求1所述分区梯度组分齿轮的制备方法，其特征在于：步骤(5)中热处理的条件为：在真空度为10-2～10-4Pa的热处理室进行热处理，880-900℃保温1-2.5h。
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