CN115556005A - 一种基于新型复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于新型复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法，包括以下步骤：S1、齿轮试件的工艺参数设计与确定；S2、试片喷丸强度准备，确认喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径工艺参数，并进行相应的预喷丸处理；S3、预喷丸处理后，根据零部件材料的几何形状和热处理加工需求，确定热处理及磨削加工工艺参数；S4、渗碳磨削处理后，对齿轮进行喷丸处理，确定喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径工艺参数；S5、喷丸处理后的零件进行滚磨光整处理，确定主轴转速、磨料种类、磨液、光整时间工艺参数；解决现有齿轮处理加工工艺对齿轮的处理效果单一，齿轮表面硬度、残余应力较差，表面粗糙度较高的问题。
Description
技术领域
本发明属于机械加工及表面处理领域，涉及一种基于新型复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法，尤其涉及一种基于预喷丸-热处理-磨削-喷丸-滚磨光整复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法。
背景技术
齿轮是重要的工业基础件，其服役性能直接决定航空、航天、风电、高铁、工程机械、新能源汽车、舰艇等装备的可靠性。长期以来我国重主机、轻部件，在齿轮的高可靠、长寿命、轻量化方面，与国外先进水平存在显著差距。高表面完整性是决定齿轮服役性能的重要保障，高表面完整性如何创成成为齿轮设计制造的一个重要研究课题，表面完整性是零部件加工后表面几何和物理性质的总称，表面完整性包括表面粗糙度、显微结构、硬度梯度、残余应力等。
为使得齿轮等零部件获得足够的几何精度，常用磨齿等工艺使得齿轮具备良好的几何精度；为使得齿轮零件具备良好的硬度梯度分布，常采用渗碳淬火等热处理工艺进行处理，从而使得零件具备一定的硬度梯度分布；为使得具备高表面完整性，喷丸、光整等工艺常被采用，从而使得表面硬度高、残余应力大、粗糙度小等特点。为使得齿轮具备更好的表面完整性，在热处理前进行预喷丸处理，提高渗碳效率，并使得渗碳效果显著提升，再采用磨齿工艺获得足够的几何精度，最后进行喷丸和滚磨光整的表面强化工艺，使得齿轮创成出高表面完整性，提高抗疲劳及传动性能。
上述这些齿轮处理加工工艺对齿轮的处理效果单一，难以使得齿轮在具备良好几何精度的基础上，有效地提升齿轮的残余应力、硬度梯度，降低表面粗糙度。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有的齿轮处理加工工艺对齿轮的处理效果单一，齿轮表面硬度、残余应力较差，表面粗糙度较高的问题，提供一种基于复合新型工艺的齿轮高表面完整性创成方法，该基于预喷丸-热处理-磨削-喷丸-滚磨光整复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法，它能有效地提升齿轮的残余应力、硬度梯度，降低表面粗糙度，且工艺操作过程简单实用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于新型复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法，包括以下步骤：
S1、齿轮试件工艺路线和工艺参数的设计与确定；
S2、试片喷丸强度准备，确认喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径工艺参数，并进行相应的预喷丸处理，通过喷丸强度绘制弧高值-时间曲线，从而确定喷丸时间；
S3、预喷丸处理后，根据零部件材料的几何形状和热处理加工需求，确定热处理及磨削加工工艺参数；
S4、渗碳磨削处理后，对齿轮进行喷丸处理，确定喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径工艺参数；
S5、喷丸处理后的零件进行滚磨光整处理，确定主轴转速、磨料种类、磨液、光整时间工艺参数。
进一步，步骤S1中齿轮试件工艺路线和工艺参数的设计与确定是根据齿轮的材料、传动性能、服役要求来确定。
进一步，步骤S2中利用试片进行喷丸强度的工艺参数调试，根据喷丸强度确定喷丸机进行工艺参数调试所需的喷丸气压、喷丸流量、喷射距离。
进一步，步骤S3中根据齿轮应用场景及服役性能，确定热处理工艺参数；根据齿轮几何精度形状要求，确定磨齿精加工工艺参数，从而保证齿轮的几何精度。
进一步，步骤S3中热处理工艺路线为：渗碳-保温-高温回火-淬火-低温回火。
进一步，步骤S3中磨削工艺采用加工工艺为下料—粗车—精车—渗碳—精磨—线切割键槽，精磨为外圆磨，使得齿轮表面粗糙度＜Ra 0.8μm。
进一步，步骤S4中根据齿轮的服役性能要求，确定喷丸直径、喷丸强度、喷丸覆盖率工艺参数要求。
进一步，步骤S5中齿轮表面光整采用立式旋流式光整机。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的基于复合新型工艺的齿轮高表面完整性创成方法，通过创新齿轮的加工工艺路线，使得齿轮的表面硬度高、硬化层深度厚、残余压应力高、表面粗糙度低，从而有效地提升齿轮的抗疲劳及服役性能，为齿轮的设计制造提供工艺储备。
2、本发明所公开的基于复合新型工艺的齿轮高表面完整性创成方法，能有效地提升齿轮的残余应力、硬度梯度，降低表面粗糙度，提升高性能齿轮的抗疲劳效果，且复合工艺工艺操作过程简单实用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为传统齿轮的加工流程图和本发明新型复合工艺高表面完整性创成工艺流程图；
图2为经对比例和本发明实施例加工后齿轮硬度梯度曲线对比图；
图3为经对比例和本发明实施例加工后齿轮表面硬度和有效硬化层深度效果对比图；
图4为经对比例和本发明实施例加工后齿轮残余应力效果对比图；
图5为经对比例和本发明实施例加工后齿轮表面粗糙度测量值对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
本实施例以进行喷丸预处理对AISI 9310航空渗碳齿轮的等效滚子试件的表面完整性的提升效果为例，探究新型高表面完整性创成复合工艺的影响，包括以下步骤：
步骤1、齿轮试件的工艺参数设计与确定
根据零件的设计参数及服役要求，确定齿轮的表面完整性参数要求，根据实际加工要求，确定预喷丸、热处理、磨齿、喷丸、滚磨光整等工艺参数，如图1所示，为使得高表面完整性创成的新型复合加工工艺。
步骤2、Almen试片喷丸强度准备，确认喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径等工艺参数，并进行相应的预喷丸处理。
根据初始零部件的硬度等力学属性，根据“SAE AMS-S-13165，1997”,(“SAE航空航天材料规范金属零件的喷丸处理”)确定不同材料不同硬度对应的预喷丸强度、覆盖率及弹丸直径等预喷丸工艺参数，本实施例参考该标准，选择0.6mm钢丝切丸，0.50mmA的预喷丸强度，200％的预喷丸覆盖率。
按照设计选定的预喷丸强度，利用Almen试片进行喷丸强度的工艺参数调试，确定喷丸机进行工艺参数调试所需的喷丸气压、喷丸流量、喷射距离等参数。
本实施例采用气动式喷丸机进行喷丸处理，首先根据喷枪与零部件之间的距离，调整喷丸设备后，采用180mm的喷射距离，发射采用喷丸气压为0.55MPa，喷丸流量为10kg/mim时能达到0.5mmA的喷丸强度，喷丸时间为90s，确定预喷丸覆盖率能达到200％。
步骤3、预喷丸处理后，根据零部件材料的几何形状和热处理等加工需求，确定热处理及磨削等加工工艺参数；
根据设计参数要求，确定渗碳层深度及表面几何精度等，确定热处理的工艺参数和磨齿等工艺参数。本实施例中为保证热处理磨削后的表面硬度能达到650HV以上，硬化层深度达到0.75mm以上，确定的热处理工艺路线为：渗碳-保温-高温回火-淬火-低温回火。
其中，第一步进炉，其温度为820℃，碳势为0.8±0.1％，处理时间为40min；第二步进行强渗碳处理，首先采用碳势为1±0.05％在温度为925℃处理25min，随后在碳势为1.28±0.05％、温度为925±5℃处理340min，从而保证强渗碳工艺能够顺利进行。第三为扩散渗碳，其渗碳温度为925℃保持不变，其处理碳势为0.78±0.05％，处理时间为155min。进行完渗碳处理之后，开始进行保温处理，其保温时间为35min，保温温度为860℃，碳势略有提升，提升到0.8±0.05％。进行完渗碳保温等化学处理之后，进而开展常规热处理，首先开始的是高温回火处理，处理温度为640℃，回火时间为180min，随后开展860℃的淬火，随后时间为30min。最后一步热处理工艺为低温回火处理，处理温度为180℃，处理时间达到180min。
步骤4、步骤3热处理之后，确保齿轮等几何精度等级，确定磨齿的工艺参数，采用等效滚子保证一样的几何精度，表面粗糙度Ra 0.8μm以下。磨削工艺采用加工工艺为下料—粗车—精车—渗碳—精磨—线切割键槽，精磨为外圆磨，砂轮线速度为30m/s，磨削深度ap为50μm，进给速度20μm/s，从而确保相应的几何精度，并使得表面粗糙度＜Ra 0.8μm。
步骤5、步骤4渗碳磨削处理后，对齿轮进行喷丸处理，确定喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径等工艺参数。
根据零部件的对于残余应力及表面硬度的需求，确认喷丸工艺参数，从而对零件进行喷丸处理。本实施例喷丸工艺参数选用0.6mm钢丝切丸，0.35mmA的喷丸强度，200％的喷丸覆盖率。
步骤6、步骤5喷丸处理后的零件进行滚磨光整处理，确定主轴转速、磨料种类、磨液、光整时间等工艺参数。
根据零部件对于表面粗粗糙度的要求，根据“JB/T 11082-2011”,(“内燃机零部件表面光整加工技术条件”)、“CB/T 4224-2013”,(“船舶推进系统零部件表面光整加工技术要求”)等标准，对齿轮等零部件的光整工艺参数进行选择。本实施例采用XL 400立式旋流式光整机，主轴转速147r/min，滚筒转速47r/min，整个加工过程中主轴正反转时间相同，零件埋入深度150mm；磨料采用TP3×3白刚玉，料筒磨块装入量80％，磨剂采用HA-PC(3％浓度)，pH值为8.3。
对比例
步骤1、齿轮试件的工艺参数设计与确定
根据零件的设计参数及服役要求，确定齿轮的表面完整性参数要求，根据实际加工要求，确定粗加工、渗碳热处理、磨齿等工艺参数，如图1所示。
步骤2、根据实际加工要求，初加工齿轮至预设尺寸。
步骤3、对初加工后的齿轮进行渗碳处理，提高齿轮表面的耐磨性和硬度。
步骤4、齿轮渗碳处理之后，为确保齿轮等几何精度等级，确定磨齿的工艺参数，采用等效滚子保证一样的几何精度，表面粗糙度Ra 0.8μm以下。
经传统加工方法(对比例)和本发明提出的新型加工方法(实施例)加工后齿轮的硬度梯度曲线分布对比如图2所示。
经传统加工方法(对比例)和本发明提出的新型加工方法(实施例)加工后齿轮表面硬度和有效硬化层深度效果对比见图3，从图3看出：本发明与常规方法相比，传统加工方法的硬化层深度为780μm左右，表面硬度为645HV。而本发明提出的预喷丸-渗碳磨削-喷丸-滚磨光整复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法处理的硬化能达到1300μm，表面硬度能达到720HV，因此，可以看出采用本发明方法能显著提升齿轮的硬化层深度和表面硬度，达到有效地提升硬度梯度的效果。
经传统加工方法(对比例)和本发明提出的新型加工方法(实施例)加工后齿轮残余应力效果对比见图4，从图4看出：本发明能使的齿轮表面残余压应力提升接近1000MPa，残余应力层深度显著提升，能有效增加残余压应力的影响效果，提高齿轮等零部件的服役性能。
经传统加工方法(对比例)和本发明提出的新型加工方法(实施例)加工后齿轮表面粗糙度效果对比见图5，从图5看出：本发明能使齿轮的表面粗糙度显著降低，表面粗糙度Ra下降到0.14μm，表面粗糙度Rq下降到0.19μm，有效降低表面粗糙度，提升表面光洁度，提高齿轮等零部件抗胶合、抗点蚀等服役性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于新型复合工艺的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、齿轮试件工艺路线和工艺参数的设计与确定；
S2、试片喷丸强度准备，确认喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径工艺参数，并进行相应的预喷丸处理，通过喷丸强度绘制弧高值-时间曲线，从而确定喷丸时间；
S3、预喷丸处理后，根据零部件材料的几何形状和热处理加工需求，确定热处理及磨削加工工艺参数；
S4、渗碳磨削处理后，对齿轮进行喷丸处理，确定喷丸强度、喷丸覆盖率、弹丸直径工艺；
S5、喷丸处理后的零件进行滚磨光整处理，确定主轴转速、磨料种类、磨液、光整时间工艺参数。
2.如权利要求1所述的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，步骤S1中齿轮试件工艺路线和工艺参数的设计与确定是根据齿轮的材料、传动性能、服役要求来确定。
3.如权利要求1所述的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，步骤S2中利用试片进行喷丸强度的工艺参数调试，根据喷丸强度确定喷丸机进行工艺参数调试所需的喷丸气压、喷丸流量、喷射距离。
4.如权利要求1所述的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，步骤S3中根据齿轮应用场景及服役性能，确定热处理工艺参数；根据齿轮几何精度形状要求，确定磨齿精加工工艺参数，从而保证齿轮的几何精度。
5.如权利要求4所述的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，步骤S3中热处理工艺路线为：渗碳-保温-高温回火-淬火-低温回火。
6.如权利要求5所述的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，步骤S3中磨削工艺采用加工工艺为下料—粗车—精车—渗碳—精磨—线切割键槽，精磨为外圆磨，使得齿轮表面粗糙度＜Ra 0.8μm。
7.如权利要求1所述的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，步骤S4中根据齿轮的服役性能要求，确定喷丸直径、喷丸强度、喷丸覆盖率工艺参数要求。
8.如权利要求1所述的齿轮高表面完整性创成方法，其特征在于，步骤S5中齿轮表面光整采用立式旋流式光整机。
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