CN116587174A - 齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法及其试片固定工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法及其试片固定工装，试片固定工装包括工装主体，所述工装主体沿长度方向分为第一部分和第二部分；所述第一部分的前端面作为第一基底，第二部分的两个侧面作为第二基底和第三基底；所述第一基底、第二基底和第三基底分别用于固定阿尔门试片；所述工装主体中部设置有上下贯穿的中心孔，所述中心孔用于与喷丸设备底座的安装接口进行安装配合；所述第一基底、第二基底和第三基底上分别设置有多个螺栓孔。本发明给出的喷丸弧高一致性调整方法及其试片固定工装确保了齿轮的齿面与齿根喷丸强度的一致性，相应地保证了齿面与齿根残余应力的一致性。
Description
技术领域
本发明属于金属表面机械强化技术领域，涉及一种齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法及其试片固定工装。
背景技术
在齿轮加工行业中，齿轮类零件一般为钢制件，使用渗碳淬火工艺以在齿轮表面形成一层高强度和耐磨性的表层，从而使齿轮的表面具备更好的耐磨损性能和疲劳寿命，可以承受更大的载荷和扭矩。在后续工序中采用喷丸工艺则可以用来去除齿轮表面的毛刺、氧化皮等不均匀物质，改善表面粗糙度，提高表面硬度，增强齿轮的耐磨性和疲劳寿命。同时，喷丸工艺可以产生残余压应力，在金属表面形成一个压强超过材料屈服极限，由拉应力变为压应力的区域，这种残余压应力对提高零件表面的耐磨、抗裂纹扩展等性能有益，可以避免外界载荷或温度变化产生更多的塑性变形或者破坏，同时也可以延缓表面裂纹、龟裂、腐蚀等问题的出现。
常规的喷丸工艺对零件齿根的残余压应力要求较高，而对齿面要求较低。现有特殊齿轮结构零件，要求齿面与齿根的喷丸强度相一致，且满足图纸的喷丸强度要求。按照目前的喷丸工艺控制手段，在工艺调试中，难以保证齿面与齿根的喷丸强度一致性，常常出现顾此失彼的情况，因此亟需研究新的喷丸工装与工艺。
发明内容
本发明的目的在于提出一种齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法及其试片固定工装，用以解决现有的喷丸工艺对齿轮的工艺调试中难以保证齿面与齿根的喷丸强度一致性的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一方面，本发明提供了一种阿尔门试片固定工装，包括工装主体，所述工装主体沿长度方向分为第一部分和第二部分；所述第一部分的前端面作为第一基底，第二部分的两个侧面作为第二基底和第三基底；所述第一基底、第二基底和第三基底分别用于固定阿尔门试片；所述工装主体中部设置有上下贯穿的中心孔，所述中心孔用于与喷丸设备底座的安装接口进行安装配合；所述第一基底、第二基底和第三基底上分别设置有多个螺栓孔；
齿轮零件的齿根圆和分度圆的圆心均与中心孔的横截面的圆心重合；在相同高度的水平截面中，第一基底的中点与中心孔圆心的连线垂直于第一基底，且第一基底的中点位于齿根圆上；第二基底和第三基底呈对称设置，且二者之间的夹角范围为[0°，60°]；在相同高度的水平截面中，第二基底、第三基底的中点与中心孔圆心的连线与对应基底的夹角范围均为14.5°～30°，且第二基底、第三基底的中点均位于分度圆上。
进一步的，所述第一基底、第二基底和第三基底上分别设置有至少4个螺栓孔。
另一方面，本发明提供了一种齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法，基于上述本发明所述的阿尔门试片固定工装，具体包括如下步骤：
步骤1，将齿轮装入喷丸装置底座上，调整两把喷枪均指向齿轮中心，且两把喷枪与齿轮中心的距离相等，确定初次喷丸的喷枪与齿轮中心的相对距离x；将三个阿尔门试片固定于阿尔门试片工装上；
步骤2，将齿轮卸下，换上安装了阿尔门试片的阿尔门试片工装，进行喷丸操作，结束后进行三个阿尔门试片的弧高值检测并记录；三个阿尔门试片的弧高值分别代表齿轮零件的齿根部位、左齿面部位和右齿面部位的弧高值；
步骤3，保持步骤2中的喷丸参数不变，将阿尔门试片工装卸下并换上齿轮，逐次调整喷枪与齿轮中心的相对距离，单次的距离调整量a根据零件齿的模数m确定；对于每次调整后的喷枪与齿轮中心的相对距离，执行步骤2，获得当喷枪与齿轮中心的相对距离分别为x+a、x+2a、…、x+na、x-a、x-2a、…、x-na时对应的三个阿尔门试片的弧高值；
步骤4，对步骤3获得的左齿面部位、右齿面部位、齿根部位对应的阿尔门试片的弧高值数据进行绘图共得到三条弧高值曲线，将左齿面部位、右齿面部位的阿尔门试片的弧高值曲线这两个曲线并做一条曲线，该曲线与齿根部位的阿尔门试片的弧高值曲线相交于一点，将该交点处的弧高值对应的喷枪与齿轮中心的相对距离作为最终确定的喷枪与齿轮中心的相对距离。
进一步的，步骤1中，初次喷丸的喷枪与齿轮中心的相对距离x取值范围：0.5d≤x≤1.5d，d为齿轮直径。
进一步的，步骤1中，单次的距离调整量a≤m*20mm。
相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
1、本发明针对齿轮结构零件设计了一种通用型结构的工装，将工装的关键尺寸与角度与齿轮尺寸相结合，能够有效模拟齿轮的齿面与齿根的喷丸环境。
2、在本发明的工装的基础上，本发明给出了应用于喷丸工艺的齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法，通过工装的使用及喷枪与齿轮中心的距离调节，确保了齿轮的齿面与齿根喷丸强度的一致性，相应地保证了齿面与齿根残余应力的一致性。
附图说明
图1为本发明的阿尔门试片固定工装的主视图。
图2为本发明的阿尔门试片固定工装的左视图。
图3为本发明的阿尔门试片固定工装固定阿尔门试片后的示意图。
图4为本发明的阿尔门试片固定工装的俯视图。
图5为第一基底与第二基底夹角为60°的阿尔门试片固定工装的俯视图。
图6为本发明的方法参与后的喷丸方法的试验流程。
图7为某齿轮喷丸试验中喷枪与齿轮中心的相对距离与三个试片的弧高值曲线。
图8为某齿轮齿面及齿根残余应力检测结果。
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
在喷丸工艺中，喷丸过程中冲击能量的大小一般使用阿尔门试片进行检测，阿尔门试片在弹丸的冲击下表面层发生塑性流变，导致阿尔门试片向喷丸面呈球面状弯曲，通过测量其弯曲程度，表征冲击能量的大小。为了更好地模拟齿轮齿面与齿根的喷丸环境，本发明给出了一种阿尔门试片固定工装。
如图1至图5所示，本发明给出的阿尔门试片固定工装包括工装主体1，工装主体1沿长度方向分为第一部分11和第二部分12；第一部分11的前端面作为第一基底，第二部分12的两个侧面作为第二基底和第三基底；第一基底、第二基底和第三基底分别用于固定阿尔门试片；工装主体1中部设置有上下贯穿的中心孔2，中心孔2用于与喷丸设备底座的安装接口进行安装配合；第一基底、第二基底和第三基底上分别设置有至少4个螺栓孔，4个螺栓孔呈两排两列分布，螺栓孔配备有螺钉，用于可拆卸地安装阿尔门试片。
齿轮零件的齿根圆和分度圆的圆心均与中心孔2的横截面的圆心重合(齿根圆和分度圆如图4、5中的两个虚线圆，齿根圆的直径小于分度圆)。在相同高度的水平截面中，第一基底的中点与中心孔2圆心的连线垂直于第一基底，且第一基底的中点位于齿根圆上。
第二基底和第三基底呈对称设置，且二者之间的夹角范围为[0°，60°]；该角度设计思路如下：A、根据齿轮零件的类型不同，该角度范围能够适应多类型齿轮零件。如图4所示两基底的夹角均为0°，如图5所示两基底夹角为60°。B、当第二基底和第三基底的螺纹孔不相冲突时，第二基底、第三基底可为平行状态，当两处位置螺纹孔可能会发生冲突时，二者可通过设置一定的夹角来避免，该角度设置不宜大于60°，以保证工装的质量分布均匀性，若该夹角过大，喷丸时阿尔门试片与相邻区域工装表面的夹角过小，喷丸效果易被工装面反弹的钢丸所影响。
在相同高度的水平截面中，第二基底、第三基底的中点与中心孔2圆心的连线与对应基底的夹角均为14.5°～30°(该角度与齿轮的压力角相一致)，且第二基底、第三基底的中点均位于分度圆上。
由于阿尔门试片固定工装的基底尺寸(基底指工装上安装试片的固定平面)在各国标准中有一致的规定，包含固定平面的长、宽尺寸及螺纹孔的规格与位置，在此基础上，本发明的上述技术方案设置了3处阿尔门试片的固定平面作为基底，在这三个固定平面上安装阿尔门试片分别用于实现模拟齿轮零件的齿根、左齿面、右齿面的喷丸环境。
喷丸过程中，钢丸的硬度约为58～63HRC左右，为保证工装的寿命，工装工装1的表面硬度要求≥60HRC，材料及热处理工艺可选择低碳钢渗碳淬火，或者高碳工具钢淬火。热处理后，对阿尔门试片固定基底进行热后精加工以保证基底的粗糙度与平面度要求。
基于上述本发明的阿尔门试片工装，本发明给出了一种齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法，该方法用于喷丸工艺调试阶段之前，具体包括如下步骤：
步骤1，将齿轮装入喷丸装置底座上，调整两把喷枪均指向齿轮中心，且两把喷枪与齿轮中心的距离相等，确定初次喷丸的喷枪与齿轮中心的相对距离x，当齿轮直径为d时，x的初次选择范围一般为0.5d≤x≤1.5d；将三个阿尔门试片固定于阿尔门试片工装上；
步骤2，将齿轮卸下，换上安装了阿尔门试片的阿尔门试片工装，进行喷丸操作，结束后进行三个阿尔门试片的弧高值检测并记录；三个阿尔门试片的弧高值分别代表齿轮零件的齿根部位、左齿面部位和右齿面部位的弧高值；
步骤3，保持步骤2中的喷丸参数不变，将阿尔门试片工装卸下并换上齿轮，逐次调整喷枪与齿轮中心的相对距离，单次的距离调整量a根据零件齿的模数m确定(模数m越小，单次的距离增加量a越小)，a≤m*20mm；对于每次调整后的喷枪与齿轮中心的相对距离，执行步骤2，获得当喷枪与齿轮中心的相对距离分别为x+a、x+2a、…、x+na、x-a、x-2a、…、x-na时对应的三个阿尔门试片的弧高值；
步骤4，对步骤3获得的每个部位对应的所有数据进行绘图，共得到三条弧高值曲线(见图5)，试验可见左齿面部位、右齿面部位的阿尔门试片的弧高值曲线形状基本一致，可认为是重合的，将这两个曲线并做一条曲线，该曲线与齿根部位的阿尔门试片的弧高值曲线相交于一点(在交点处三条曲线的弧高值基本相等)，将该交点处的弧高值对应的喷枪与齿轮中心的相对距离作为最终确定的喷枪与齿轮中心的相对距离。弧高一致性调整方法结束。
本发明的方法适用于单工位配备双喷枪的设备，以上方法操作的原理为：当喷枪与齿轮中心的相对距离变化时，在喷枪自身角度不变的情况下，喷枪与齿轮齿根及齿面的夹角也会发生变化，当喷枪与齿根及齿面的夹角保持一致时，相应的阿尔门试片弧高值数据也一致化。
常规的喷丸工艺关注零件齿根的残余应力，喷枪的方向一般直指齿轮的中心，而此时喷枪与齿面分度圆位置的夹角约为20-30°，大量文献证明，当喷丸角度由90°逐渐减为0°时，喷丸的强度是逐渐下降的，因此在这种情况下，齿面的喷丸强度是小于齿根的，由此导致齿面与齿根的喷丸强度一致性较差。由上，本发明根据需要开发喷丸工艺的齿轮零件的齿部尺寸进行阿尔门试片固定工装设计，随后进行弧高值一致性调整，通过调整喷枪与齿轮/工装中心的距离进行喷丸试验，统计并汇总各次的试验数据，根据数据绘图，确定使得齿面与齿根弧高值一致的喷枪与齿轮中心的相对距离距离，然后保持该距离不变，进行后续的喷丸工艺调试，确定好工艺参数后对零件进行喷丸处理。后续工艺调整根据零件要求及实际生产经验进行调整，如覆盖率试验、喷丸强度试验等，均为本领域常规操作。如图6所示。最终进行齿面与齿根的残余应力检测，验证工艺的有效性。
图7为某齿轮喷丸试验喷枪与齿轮中心的相对距离与各部位弧高值数据，可以看到，当喷枪与齿轮中心的相对距离x值约为190mm时，齿面部位与齿根部位的阿尔门试片弧高值基本保持一致。图8为该齿轮齿面与齿根的残余应力检测数据，可以看到齿面与齿根的残余应力数据基本保持一致，证明本发明的方法切实有效。
Claims (5)
1.一种阿尔门试片固定工装，其特征在于，包括工装主体(1)，所述工装主体(1)沿长度方向分为第一部分(11)和第二部分(12)；所述第一部分(11)的前端面作为第一基底，第二部分(12)的两个侧面作为第二基底和第三基底；所述第一基底、第二基底和第三基底分别用于固定阿尔门试片；所述工装主体(1)中部设置有上下贯穿的中心孔(2)，所述中心孔(2)用于与喷丸设备底座的安装接口进行安装配合；所述第一基底、第二基底和第三基底上分别设置有多个螺栓孔；
齿轮零件的齿根圆和分度圆的圆心均与中心孔(2)的横截面的圆心重合；在相同高度的水平截面中，第一基底的中点与中心孔(2)圆心的连线垂直于第一基底，且第一基底的中点位于齿根圆上；第二基底和第三基底呈对称设置，且二者之间的夹角范围为[0°，60°]；在相同高度的水平截面中，第二基底、第三基底的中点与中心孔(2)圆心的连线与对应基底的夹角范围均为14.5°～30°，且第二基底、第三基底的中点均位于分度圆上。
2.如权利要求1所述的阿尔门试片固定工装，其特征在于，所述第一基底、第二基底和第三基底上分别设置有至少4个螺栓孔。
3.一种齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的阿尔门试片固定工装，具体包括如下步骤：
步骤1，将齿轮装入喷丸装置底座上，调整两把喷枪均指向齿轮中心，且两把喷枪与齿轮中心的距离相等，确定初次喷丸的喷枪与齿轮中心的相对距离x；将三个阿尔门试片固定于阿尔门试片工装上；
步骤2，将齿轮卸下，换上安装了阿尔门试片的阿尔门试片工装，进行喷丸操作，结束后进行三个阿尔门试片的弧高值检测并记录；三个阿尔门试片的弧高值分别代表齿轮零件的齿根部位、左齿面部位和右齿面部位的弧高值；
步骤3，保持步骤2中的喷丸参数不变，将阿尔门试片工装卸下并换上齿轮，逐次调整喷枪与齿轮中心的相对距离，单次的距离调整量a根据零件齿的模数m确定；对于每次调整后的喷枪与齿轮中心的相对距离，执行步骤2，获得当喷枪与齿轮中心的相对距离分别为x+a、x+2a、…、x+na、x-a、x-2a、…、x-na时对应的三个阿尔门试片的弧高值；
步骤4，对步骤3获得的每个部位对应的所有数据进行绘图，共得到三条弧高值曲线，将左齿面部位、右齿面部位的阿尔门试片的弧高值曲线这两个曲线并做一条曲线，该曲线与齿根部位的阿尔门试片的弧高值曲线相交于一点，将该交点处的弧高值对应的喷枪与齿轮中心的相对距离作为最终确定的喷枪与齿轮中心的相对距离。
4.如权利要求3所述的齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法，其特征在于，步骤1中，初次喷丸的喷枪与齿轮中心的相对距离x取值范围：0.5d≤x≤1.5d，d为齿轮直径。
5.如权利要求3所述的齿轮零件的喷丸弧高一致性调整方法，其特征在于，步骤1中，单次的距离调整量a≤m*20mm。
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