齒輪類零件的表面非晶化處理裝置的製作方法
2023-06-01 21:03:01 5
專利名稱：齒輪類零件的表面非晶化處理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及對齒輪類零件表面非晶化處理的裝置，也可以應用於一般圓形零件表面非晶化和電子束表面精整加工。
背景技術：
齒輪傳動作為動力傳動的主體，在傳遞動力，尤其是較大動力為主的場合，仍然具有不可取代的地位。目前我國齒輪存在的主要問題是精度低、生產效率低、使用壽命短，其中使用壽命短的問題尤為突出。而材料及其表面處理與此有著密切的聯繫。
為提高齒輪的承載能力，一般採取降低輪齒單位面積應力和提高輪齒強度兩種措施。機械設計和加工工藝人員一直偏重於採用更改設計參數，如選用更大的模數或增加齒厚等方法進行改良，這勢必造成傳動設備的龐大和材料浪費。國際上對齒輪強度的研究主要在齒形的改進、齒輪表面處理等方面，我國研究出分階式雙漸開線齒輪和點線嚙合齒輪等新型齒輪，但由於加工工藝的原因，並沒有得到好的推廣和應用。而且在一定的條件下，齒形的改進對提高齒輪強度是有限的。因此，隨著表面工程技術的發展，通過對齒輪表面的處理而提高齒輪的綜合性能具有廣闊的研究空間。
非晶態金屬是表面形成覆蓋一定厚度的玻璃狀非晶化組織的金屬，它是一種充滿活力的新型材料，具有引人注目的特點優異的物理、化學及機械性能；晶態金屬難以達到的高強度、高硬度、高韌性、高塑性和高耐蝕性，具有良好的抗疲勞強度、良好的電學性能和良好的軟磁特性等綜合性能。目前，對非晶態金屬的研究、開發和應用已成為材料科學的重要課題之一。
採用對齒輪表面進行非晶態處理，齒輪表面形成一層非晶化金屬膜，使齒輪表面具有優良的物理、化學和機械性能，一方面可以提高齒輪的耐腐蝕、抗磨損和抗疲勞性能，另一方面可以降低傳動副間的摩擦磨損，提高齒輪的承載能力和壽命。與表面陶瓷齒輪相比較，齒輪表面非晶化處理獲得的非晶化膜和金屬基體為一個整體，避免了類似於塗層的剝落，從而大幅提高齒輪的接觸疲勞強度。
近十幾年來，利用脈衝高能密束(電子束、離子束、雷射束)進行金屬材料表面非晶化和改性得到了迅速發展。當高能量密度的射束作用到材料表面時，大量的能量會在短時間裡沉積在材料表面的薄層中，被加熱層的溫度迅速升高，以至導致熔化、汽化等現象。使金屬表面產生極薄的熔化層，高能束的能量幾乎很少傳到金屬內部，從而使熔化層與基體保持極高的溫度梯度，當能量輸入結束後，熔化層在基體的帶動下迅速冷卻，冷卻速度最高可以達到108℃/s，使金屬表面熔化層非晶化。同時，由熱膨脹引起的動態應力也會在整個材料中產生強烈作用。當輸入能量結束時，工件表面會急速冷卻。經過這幾個過程的綜合作用，材料表面層的性質會發生明顯地變化。這樣就可以使材料表面具有用常規方法難以達到的物理、化學或力學性質。
現有技術中，國內外進行金屬表面非晶化的技術主要包括①利用雷射快速熔凝非晶化技術得到快速發展。雷射束的功率密度為104-107W/cm2，利用雷射束對金屬非晶化能夠在工件表面上形成玻璃狀非晶化組織，使材料表面具有高硬度、耐磨蝕和耐腐蝕等優異性能。但由於目前的雷射技術聚焦到可以對金屬融化並非晶化處理的能力時，直徑一般偏小，只有幾個毫米，這樣在非晶化處理過程中，熔化層區域很小，熔化層和周邊金屬溫度梯度很大，熔池內合金成分極不均勻，各微小體積元之間出現成分起伏，甚至在熔池中還會保留未完全熔化的原始晶體，從而該微區域非晶形成能力不高，不能形成理想的非晶化處理條件，從而降低了整個熔區的非晶形成能力。
②利用電子束加工是解決上述問題的有效途徑，電子束屬於一種高能量密度的熱源，其最大功率密度可達109W/cm2。用於金屬表面改性，在極短的時間內就可使金屬表面熔化，其特點是「快」，迅速加熱，迅速冷卻，速度可達103-106℃/s。當它作用於金屬表面時，可根據工件改性的要求，調整電子束束斑直徑、功率密度、脈衝時間、作用形式等參數，使其組織、性能按照人們需要的方向改變。電子束處理是一種選擇性區域處理，可以根據工件的加工需要進行區域控制。而且電子束處理在真空中進行，可減少氧化、滲氮的影響，可得到純淨的表面處理層。
而常規電子束加工裝置存在電子束斑直徑小，截面形狀單一僅為圓形，能量分布不均勻以及加工效率不高等缺點。而且，目前並沒有針對齒輪類零件的非晶化處理方法和裝置的出現。
實用新型內容針對現有技術存在的上述不足，本實用新型的目的在於提供一種電子束斑有效直徑在φ50mm以上，並且電子束斑截面形狀可以根據需要改變，保證非晶化處理過程的能量均勻，提高加工效率的齒輪類零件的表面非晶化處理裝置。
本實用新型的目的是這樣實現的齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，包括強流脈衝電子束裝置、控制中心、真空室和設於真空室內底部與強流脈衝電子束裝置相對的可控工作檯，強流脈衝電子束裝置設於真空室的頂部，控制中心分別控制電磁線圈和可控工作檯；真空室內的上部依次設有鉬光闌和由控制中心控制的偏轉線圈；工作檯上設有夾持齒輪工件的旋轉軸及定位套，旋轉軸由控制中心通過工作檯控制系統由驅動電機控制旋轉。
進一步的改進在於控制中心為計算機控制系統。所述鉬光闌型腔截面形狀為矩形、圓、橢圓或其它多邊形，根據被加工模具或工件的表面形狀和加工要求來確定；偏轉線圈為兩組相互垂直放置的激勵線圈，纏繞方式為矩形、鞍形或喇叭形線圈分繞法。
相比現有技術，本實用新型具有如下優點1、齒輪表面經過本裝置的非晶化處理，可以充分保證齒輪表面的耐腐蝕、抗磨損、抗疲勞性能，而且非晶化層的表面粗糙度很低，而且可以充分降低傳動元件之間的摩擦，降低噪聲，提高了齒輪的承載能力和壽命；2、由控制中心控制工作檯及其安裝工件的旋轉軸，結合工作檯沿齒輪軸線方向的運動和齒輪繞軸心旋轉運動相結合，在齒輪表面獲得均勻的非晶化層，與金屬基體融為有機一體；具有加工周期短，加工效率優，自動化水平高的優點；3、電子束斑有效直徑在φ50mm以上，電子束截面形狀可控，照射能量分布均勻，極大地減小零件的表面應力，保證非晶化處理過程的能量均勻；4、設計合理、結構簡單，具有較好的應用前景。
圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖(真空室內部分)。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示，本實用新型齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，包括強流脈衝電子束裝置、控制中心12、真空室10和設於真空室10內底部與強流脈衝電子束裝置相對的可控工作檯14，強流脈衝電子束裝置設於真空室10的頂部，控制中心12分別通過電磁線圈控制裝置8、工作檯控制系統15控制電磁線圈4和可控工作檯14工作；真空室10內的上部依次設有鉬光闌2和由控制中心12控制的偏轉線圈1；工作檯14上設有夾持齒輪工件的旋轉軸17及定位套，旋轉軸17由控制中心12通過工作檯控制系統15由驅動電機16控制旋轉。
其中，強流脈衝電子束裝置由電磁線圈4、電子束髮生裝置5、離子體6、陽極7構成，可以採用俄羅斯的「Nadezhda-2」型強流脈衝電子束(HCPEB)裝置或同類現有設備，用於產生極粗電子束。強流脈衝電子束裝置固定在真空室頂上，偏轉線圈1裝在線圈骨架裡並固定在真空室內壁；鉬光闌2固定在真空室內壁上。
本實用新型的控制中心12為具有計算機控制系統，根據加工要求利用計算機系統發出指令控制電磁線圈控制裝置8、偏轉線圈控制裝置9和工作檯控制系統15正常工作，從而分別控制電磁線圈4、偏轉線圈1和可控工作檯14；偏轉線圈1為兩組相互垂直放置的激勵線圈，纏繞方式主要為矩形、鞍形或喇叭形線圈分繞法，偏轉線圈的安扎數、直徑和繞法根據裝置的加工能力定製；鉬光闌2的型腔截面可為矩形、圓、橢圓或其他多邊形，可根據被加工模具或工件的表面形狀和加工要求來確定。在防輻射板的真空室10上設有抽真空裝置11。
圖2中，13是齒輪工件，工件13依靠旋轉軸17夾持住，並通過軸承和步進電機16相連。
本實用新型基於可控變形電子束精整加工方法而設計，其使用方法和操作步驟如下1、首先，將工件13夾持固定於設在可控工作檯14的旋轉軸17上，齒沿正對上方的電子束髮生裝置5；2、使用抽真空系統11，將真空室10中的真空抽到符合加工要求的真空度；3、根據齒輪工件13的零件特徵和加工要求，控制中心12控制生成電子束的能量密度、照射次數和照射位置等相關參數；4、啟動電子束髮生裝置5使之產生電子，電子經過等離子體6、陽極7的作用，並利用控制中心12控制電磁線圈控制裝置8指揮電磁線圈4匯聚形成直徑不少於50mm的電子束斑，電子束3經過具有一定截面形狀的中空鉬光闌2，在出口形成具有相應截面形狀的變形電子束；5、根據控制中心12控制偏轉控制裝置9，使偏轉線圈1產生相應磁場對變形後的電子束3進行可控偏轉，偏轉量根據齒輪的表面非晶化要求，改變偏轉線圈的電磁場控制；6、齒輪表面在電子束能量照射下局部熔化，電子束掃描過後，金屬表面迅速冷卻，液化的金屬由於形核條件不充分，並且沒有充分的時間結晶，從而在齒輪表面形成一層非晶化金屬，從而保證齒輪表面的粗糙度低、表面應力均勻、耐磨和耐腐蝕性能優良，也達到拋光和材料表面改性的目的；7、電子束的照射位置、照射束斑與齒輪表面切向的夾角由偏轉線圈、工作檯沿齒輪軸線方向的運動位置和齒輪隨電機繞齒輪軸心旋轉角度共同確定，其中可控工作檯14沿齒輪軸線方向的運動由控制中心12驅動步進電機15進行協調，齒輪繞軸心的旋轉由控制中心12通過工作檯控制系統15驅動步進電機16旋轉控制。
採用本實用新型具有精度高、操作自動化程度高、加工周期短等優點，其不僅可用於齒輪的表面非晶化，還可以應用於常用旋轉零件的表面非晶化和電子束精整加工。
本實用新型根據現有金屬非晶化處理的存在的不足，針對性實用新型設計出一種齒輪類零件的表面非晶化處理方法，以及可控變形電子束表面精整加工裝置。其特點為電子束斑有效直徑在φ50mm以上，並且電子束斑截面形狀可以根據改為形狀，比如矩形、橢圓、多邊形等，電子束可以在加工中直接進行可控偏轉，這樣一方面保證了非晶化處理過程的能量均勻，防止融化金屬在冷卻過程中由於溫度和成分不均勻而形核結晶，而且可以充分保證金屬表面在非晶化處理過程的液相冷卻速度，有利於工件非晶化的順利進行。這種表面非晶化裝置的特點還在於加工效率高，材料表面應力低，可以進行產品的大規模成批量連續加工。
權利要求1.齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，包括強流脈衝電子束裝置、控制中心(12)、真空室(10)和設於真空室(10)內底部與強流脈衝電子束裝置相對的可控工作檯(14)，強流脈衝電子束裝置設於真空室(10)的頂部，控制中心(12)分別控制電磁線圈(4)和可控工作檯(14)；其特徵在於真空室(10)內的上部依次設有鉬光闌(2)和由控制中心(12)控制的偏轉線圈(1)；工作檯(14)上設有夾持齒輪工件的旋轉軸(17)及定位套，旋轉軸(17)由控制中心(12)通過工作檯控制系統(15)由電機(16)控制旋轉。
2.根據權利要求1所述的齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，其特徵在於所述鉬光闌(2)型腔截面形狀為矩形、圓或橢圓形。
3.根據權利要求1所述的齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，其特徵在於所述偏轉線圈(1)為兩組相互垂直放置的激勵線圈，纏繞方式為矩形、鞍形或喇叭形線圈。
專利摘要本實用新型公開一種齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，包括強流脈衝電子束裝置、控制中心、真空室和設於真空室內底部與強流脈衝電子束裝置相對的可控工作檯，強流脈衝電子束裝置設於真空室的頂部，控制中心分別控制電磁線圈和可控工作檯；真空室內的上部依次設有鉬光闌和由控制中心控制的偏轉線圈；工作檯上設有夾持齒輪工件的旋轉軸及定位套，旋轉軸由控制中心通過工作檯控制系統由驅動電機控制旋轉。本裝置電子束截面形狀可控，照射能量分布均勻，極大地減小零件的表面應力，保證非晶化處理過程的能量均勻，提高了齒輪的承載能力和壽命；還具有設計合理、結構簡單，加工周期短，自動化水平高等優點。
文檔編號C21D1/06GK2923727SQ200620110070
公開日2007年7月18日 申請日期2006年3月8日 優先權日2006年3月8日
發明者許洪斌, 胡建軍, 陳元芳, 蔣鵬 申請人:重慶工學院