CN116330164A - 一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法和自动喷丸装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法和自动喷丸装置，涉及金属加工技术领域。本发明每喷丸一次旋转210°再进行下一次喷丸，喷丸位置基本对称，且全覆盖整个外表面，不会出现未喷区和重复喷丸区，由于是相对对称，并且一次喷丸所带来的残留应力较小，其应力不会造成残留应力的变形。利用本发明的装置可以实现反复多次连续对称自动喷丸，在确保谐波减速器柔轮尺寸精度的情况下消除其表面车削加工痕迹，提高其服役寿命。

Description

一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法和自动喷 丸装置

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法和自动喷丸装置。

背景技术

谐波减速器是一种依靠柔性齿轮所产生的可控弹性变形来传递运动和力的新型机械传动，由凸轮(波发生器)、柔轮、输入轴和刚轮四个主要部件构成。当波发生器转动时，迫使柔轮产生弹性变形，使它的齿与刚轮的齿相互作用，从而实现传动的目的。其中最特殊的是柔轮，其在服役过程中，每转发生两次椭圆变形，为满足这种服役特点，一般柔轮的壁厚设计都较薄，在0.5mm左右。这种薄壁的尺寸特点，以及服役过程中反复的变形所产生的交变应力非常容易导致柔轮发生破坏。国产化谐波减速器产品测试发现，在谐波减速器中，柔轮构件的破坏占减速器破坏的99％以上。针对柔轮的破坏问题，有较多的原因集中在柔轮应力条件分析。

在经历本课题组大量的失效分析研究发现，柔轮加工过程车削的痕迹是导致表面应力集中的主要位置，如图1所示。因此，解决柔轮表面加工痕迹对于提高其服役性能具有重要意义。

目前工业上对传动件、弹性件等喷砂喷丸的主要机制是通过风机制造的高速流动空气，带动金刚砂(SiO₂)等固体小颗粒来冲击表面，主要作用是去除部分生锈区域、加工过程中的毛刺等，因此其主要功能并不能解决表面车削加工这种构件基体上的缺陷。

而且利用喷射弹丸消除表面加工缺陷的主要原理是弹丸冲击下导致表面出现微区塑性变形，如通过钢球的冲击载荷将表面加工刀痕磨光、压平等，这会导致表面存在残留应力。此外，采用空压机喷丸在表面是存在较大载荷的，这种载荷在常规较厚的构件上是相对较小的，不会造成较大影响，但是在柔轮这种壁厚在0.5mm的金属构件上就会带来问题，因其壁比较薄，而常规喷丸过程是一个逐步的连续过程，先喷部位会先出现残留应力，当先喷部位的面积达到一定程度后，其积累的应力和还未喷丸区(此时应力较小)就会出现应力不平衡，即已喷丸区和未喷丸区出现应力失衡，针对薄壁只有0.5mm厚的柔轮，这种失衡的应力会导致其在喷丸过程中发生变形，严重影响到柔轮的尺寸精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法和自动喷丸装置，能够在确保柔轮尺寸精度的情况下消除其表面加工痕迹，提高其服役寿命。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法，包括以下步骤：利用压缩空气带动不锈钢弹丸对待处理柔轮表面进行反复多次喷丸；每次喷丸在柔轮侧面形成的喷丸区的覆盖角度为30～60°，每完成一次喷丸，将柔轮转动210°后再进行下一次喷丸，直至将柔轮侧面全部覆盖。

优选的，所述喷丸压力为0.5～0.8MPa。

优选的，所述不锈钢弹丸为304不锈钢弹丸。

优选的，所述不锈钢弹丸的直径为0.1mm。

优选的，所述喷丸的喷口直径为4.5～7.5mm。

优选的，所述喷丸的喷射距离为15～30mm。

优选的，所述每次喷丸在柔轮侧面形成的喷丸区的覆盖角度为40～60°。

本发明提供了一种自动喷丸装置，包括：不完全齿轮、螺杆、连接杆、滑动杆和喷丸设备；所述螺杆用于带动柔轮旋转；

所述不完全齿轮与所述螺杆啮合，形成的啮合区使柔轮只旋转210°；

所述不完全齿轮通过所述连接杆与所述滑动杆的一端相连；所述滑动杆的另一端与所述喷丸设备的喷嘴相连。

优选的，所述连接杆与滑动杆通过铰接轴承连接。

优选的，所述不完全齿轮与连接杆为活动连接。

本发明提供了一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法，包括以下步骤：利用压缩空气带动不锈钢弹丸对待处理柔轮表面进行反复多次喷丸；每次喷丸在柔轮侧面形成的喷丸区的覆盖角度为30～60°，每完成一次喷丸，将柔轮转动210°后再进行下一次喷丸，直至将柔轮侧面全部覆盖。本发明每喷丸一次旋转210°再进行下一次喷丸，喷丸位置基本对称，且全覆盖整个外表面，不会出现未喷区和重复喷丸区，由于是相对对称，并且一次喷丸所带来的残留应力较小，其应力不会造成残留应力的变形。

本发明还提供了一种自动喷丸装置，通过不完全齿轮的连续运动，让喷枪头往复运动，通过不完全齿轮与螺杆啮合，使柔轮定向圆周运动，从而实现在动力连续输出情况下，对柔轮目标区域的连续喷丸。利用本发明的装置可以实现反复多次连续对称自动喷丸，在确保谐波减速器柔轮尺寸精度的情况下消除其表面车削加工痕迹，提高其服役寿命。

附图说明

图1为柔轮表面拉伤实物图；

图2为本发明自动喷丸装置的结构示意图；

图3为不完全齿轮与连接杆连接位置的正视图；

图4为不完全齿轮与连接杆连接位置的侧视图；

图5为连接杆与滑动杆连接位置的正视图；

图6为连接杆与滑动杆连接位置的侧视图；

图7～图11为本发明的自动喷丸装置在不同时刻的工作状态图；

图12为实施例1中礼帽形柔轮喷丸前的局部放大图和整体实物图；

图13为实施例1中礼帽形柔轮喷丸后的局部放大图和整体实物图；

图14为实施例2中杯形柔轮喷丸前后的局部放大图；

图15为实施例2中杯形柔轮喷丸前后的整体实物图；

图16为实施例2中杯形柔轮喷丸前后齿根处的放大照片；

图17为实施例2中杯形柔轮喷丸前后的光学照片。

具体实施方式

本发明提供了一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法，包括以下步骤：利用压缩空气带动不锈钢弹丸对待处理柔轮表面进行反复多次喷丸；每次喷丸在柔轮侧面形成的喷丸区的覆盖角度为30～60°，每完成一次喷丸，将柔轮转动210°后再进行下一次喷丸，直至将柔轮侧面全部覆盖。

在本发明中，所述不锈钢弹丸优选为304不锈钢弹丸；所述不锈钢弹丸的直径优选为0.1mm。在本发明中，所述喷丸的喷口直径优选为4.5～7.5mm，更优选为5.0～7.0mm，进一步优选为5.5～6.5mm。在本发明中，所述喷丸的喷射距离优选为15～30mm，更优选为18～26mm，进一步优选为20～25mm。在本发明中，所述喷丸压力优选为0.5～0.8MPa，更优选为0.6～0.7MPa。本发明将喷丸的条件控制在上述范围有利于减小单次喷丸所带来的残留应力。

在本发明中，每次喷丸在柔轮侧面形成的喷丸区的覆盖角度为30～60°，考虑到实际工程中，喷丸扇形两边的喷射强度低于中间，本发明优选控制覆盖角度为40～60°，确保扇形两边重复喷一下，有利于实现均匀喷丸。

对于柔轮，如果喷完一个区，马上喷第二个区，接下来第三个区，这三个区域相连，假设每个区均为30°，那么喷完后连续的三个区为90°，占了整个柔轮圆周的四分之一，该四分之一区域的应力和其他未喷的四分之三区域存在应力失衡。因此，本发明要避免连续区域喷丸。最理想的对称喷丸是喷完一面后旋转180°喷，但这样喷在实际操作中会只喷两个对称的区域，如再转180°又回到第一次喷的位置，继续转180°就会回到第二次喷的位置，要不断调整角度，对于机械构件的改变比较困难，难以实现自动化。本发明每完成一次喷丸将柔轮转动210°，可以实现自动化过程中，喷丸位置基本对称，且全覆盖整个外表面，不会出现未喷区和重复喷丸区。通过对称喷丸、多次覆盖的方式来防止喷丸应力造成柔轮变形。

如图2所示，本发明提供了一种自动喷丸装置，包括：不完全齿轮、螺杆、连接杆、滑动杆以及喷丸设备；所述螺杆用于带动柔轮旋转；

所述不完全齿轮与所述螺杆啮合，形成的啮合区使柔轮只旋转210°；

所述不完全齿轮通过所述连接杆与所述滑动杆的一端相连；所述滑动杆的另一端与所述喷丸设备的喷嘴相连。

本发明对所述不完全齿轮和螺杆没有特殊的限定，确保二者形成的啮合区使柔轮只旋转210°即可。

在本发明中，所述不完全齿轮与连接杆为活动连接。如图3和图4所示，作为本发明的一个实施例，所述不完全齿轮和连接杆通过铰接轴承2连接，具体的：所述不完全齿轮上设置有垫盘1，用于将铰接轴承2外圈与不完全齿轮固定；螺栓3穿过铰接轴承2中心，用于紧固连接杆，当不完全齿轮转动，螺栓3和连接杆一体，随铰接轴承2自由转动并传递力矩。

在本发明中，所述连接杆与滑动杆通过铰接轴承连接，并且可以通过对连接杆和滑动杆之间相对距离进行调节，实现两个杆之间长度的调节，以满足转动需要。更具体的：如图5和图6所示，4为轴承固定架；5为固定架螺栓，将轴承固定架4固定在滑动杆上；6为铰接轴承；7为螺栓，该螺栓固定在轴承内孔，用于固定连接杆；8为滑动杆上内槽，轴承固定架4可在内部滑动，可通过松开固定架螺栓5，让轴承固定架4在槽内移动，以调节滑动杆的长短；9为连接杆上内槽，可通过螺栓7调整在内槽中的位置，实现连接杆长短调节。连接杆和滑动杆之间通过铰接轴承连接，且可分别通过松开螺栓5和7，让铰接轴承在滑动槽8和9中运动，从而可以分别相对调整连接杆和滑动槽的长短，以满足需要。

在本发明中，所述自动喷丸装置的工作原理如下：

如图7所示，不完全齿轮和螺杆啮合，开始让螺杆带动柔轮旋转，啮合区能保证柔轮只旋转210°。喷丸设备的喷嘴在齿轮带动下达到最右边，喷嘴未停止喷射，但喷射区已离开柔轮表面。相当于停止对正在旋转柔轮的喷丸。

如图8所示，随着不完全齿轮的旋转，当不完全齿轮已离开螺杆，柔轮旋转210°后停止。在不完全齿轮带动下喷嘴重新回到工作区，对准轮壁开始喷丸，并持续向左移动。

如图9所示，不完全齿轮继续旋转，喷嘴持续左移并在到达柔轮左端位置后准备右移。

如图10所示，不完全齿轮持续旋转，喷嘴右移并覆盖喷丸，此时柔轮依然保持静止。

如图11所示，不完全齿轮和螺杆再次啮合，准备促进柔轮旋转210°，喷嘴再次在齿轮带动下达到最右边，喷射区已离开柔轮表面，暂停对正在旋转柔轮的喷丸。至此，完成一次喷丸，准备开启下一次喷丸。

本发明通过不完全齿轮的连续运动，让喷枪头往复运动，通过不完全齿轮与螺杆啮合，使柔轮定向圆周运动，从而实现在动力连续输出情况下，对柔轮目标区域的连续喷丸。利用本发明的装置可以实现反复多次连续对称自动喷丸，在确保谐波减速器柔轮尺寸精度的情况下消除其表面车削加工痕迹，提高其服役寿命。

在本发明中，将所述自动喷丸装置用于实际喷丸时，所述不完全齿轮的转速优选为5～10转/min，对应的喷丸扫描速率为0.4～0.6mm/s。本发明通过控制不完全齿轮的转速来调节喷丸扫描速率，如转速快，喷头扫过柔轮就快，喷丸力度就弱。

下面结合实施例对本发明提供的消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法和自动喷丸装置进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

以礼帽形柔轮为例，未进行喷丸，导致快速的疲劳破坏，不到3000小时就开裂。图12中左图显示柔轮表面有严重的加工纹路，右图显示在服役张中柔轮直接断裂。失效分析发现为典型的沿齿底加工刀痕开裂。

利用本发明的自动喷丸装置对礼帽型柔轮进行喷丸，喷丸压力调控为0.8MPa，304不锈钢弹丸直径0.1mm，喷丸喷口直径7mm，喷射距离20mm，每次喷丸的覆盖角度为30°，不完全齿轮转动速率为10转/min，每完成一次喷丸，将柔轮转动210°后再进行下一次喷丸，直至将柔轮侧面全部覆盖。

通过本发明方法进行喷丸后，一方面缓解上加工痕迹(见图13中左图)，另一方面薄壁件得到均匀的喷丸处理，并无显著变形(见图13中右图)。寿命延长5倍以上。

实施例2

以杯形柔轮为例，喷丸前加工痕迹明显(见图14中左图和图15中左图)，采用本发明的自动喷丸装置对杯形柔轮进行喷丸，喷丸压力调控为0.6MPa，304不锈钢弹丸直径0.1mm，喷丸喷口直径6mm，喷射距离15mm，每次喷丸的覆盖角度为40°，不完全齿轮转动速率设定为8转/min，每完成一次喷丸，将柔轮转动210°后再进行下一次喷丸，直至将柔轮侧面全部覆盖。喷丸后，加工痕迹显著缓解(见图14中右图)，并且未出现残留应力导致的薄壁变形(如图15中右图所示)。

图16为实施例2中杯形柔轮喷丸前后齿根处放大照片，左图为喷丸前，显示有明显的拉伤痕迹，右图为完成喷丸后，显示拉伤痕迹明显缓解。

通过光学显微镜(放大20倍)进一步观察喷丸前后的柔轮，结果见图17，左图喷丸前有明显的加工划痕，如不连续的纹路，中断的纹路，这些都是应力集中的区域，缺口敏感。右图喷丸后完全消除了加工方向性痕迹，降低了缺口敏感。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种消除谐波减速器柔轮表面车削加工痕迹的方法，其特征在于，包括以下步骤：利用压缩空气带动不锈钢弹丸对待处理柔轮表面进行反复多次喷丸；每次喷丸在柔轮侧面形成的喷丸区的覆盖角度为30～60°，每完成一次喷丸，将柔轮转动210°后再进行下一次喷丸，直至将柔轮侧面全部覆盖。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷丸压力为0.5～0.8MPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不锈钢弹丸为304不锈钢弹丸。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述不锈钢弹丸的直径为0.1mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷丸的喷口直径为4.5～7.5mm。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述喷丸的喷射距离为15～30mm。

7.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述每次喷丸在柔轮侧面形成的喷丸区的覆盖角度为40～60°。

8.一种自动喷丸装置，其特征在于，包括：不完全齿轮、螺杆、连接杆、滑动杆和喷丸设备；所述螺杆用于带动柔轮旋转；

所述不完全齿轮与所述螺杆啮合，形成的啮合区使柔轮只旋转210°；

所述不完全齿轮通过所述连接杆与所述滑动杆的一端相连；所述滑动杆的另一端与所述喷丸设备的喷嘴相连。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述连接杆与滑动杆通过铰接轴承连接。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述不完全齿轮与连接杆为活动连接。

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