專利名稱：齒輪類零件的表面非晶化處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及對齒輪類零件表面非晶化處理的裝置，也可以應用于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(shù)：
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(chǎn)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(lián)系。
為提高齒輪的承載能力，一般采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(shè)計和加工工藝人員一直偏重于采用更改設(shè)計參數(shù)，如選用更大的模數(shù)或增加齒厚等方法進行改良，這勢必造成傳動設(shè)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，但由于加工工藝的原因，并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(shù)的發(fā)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(tài)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(yōu)異的物理、化學及機械性能；晶態(tài)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(tài)金屬的研究、開發(fā)和應用已成為材料科學的重要課題之一。
采用對齒輪表面進行非晶態(tài)處理，齒輪表面形成一層非晶化金屬膜，使齒輪表面具有優(yōu)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，避免了類似于涂層的剝落，從而大幅提高齒輪的接觸疲勞強度。
近十幾年來，利用脈沖高能密束(電子束、離子束、激光束)進行金屬材料表面非晶化和改性得到了迅速發(fā)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里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(xiàn)象。使金屬表面產(chǎn)生極薄的熔化層，高能束的能量幾乎很少傳到金屬內(nèi)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(jié)束后，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(tài)應力也會在整個材料中產(chǎn)生強烈作用。當輸入能量結(jié)束時，工件表面會急速冷卻。經(jīng)過這幾個過程的綜合作用，材料表面層的性質(zhì)會發(fā)生明顯地變化。這樣就可以使材料表面具有用常規(guī)方法難以達到的物理、化學或力學性質(zhì)。
現(xiàn)有技術(shù)中，國內(nèi)外進行金屬表面非晶化的技術(shù)主要包括①利用激光快速熔凝非晶化技術(shù)得到快速發(fā)展。激光束的功率密度為104-107W/cm2，利用激光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(yōu)異性能。但由于目前的激光技術(shù)聚焦到可以對金屬融化并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(qū)域很小，熔化層和周邊金屬溫度梯度很大，熔池內(nèi)合金成分極不均勻，各微小體積元之間出現(xiàn)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(qū)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(qū)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，電子束屬于一種高能量密度的熱源，其最大功率密度可達109W/cm2。用于金屬表面改性，在極短的時間內(nèi)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。當它作用于金屬表面時，可根據(jù)工件改性的要求，調(diào)整電子束束斑直徑、功率密度、脈沖時間、作用形式等參數(shù)，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(qū)域處理，可以根據(jù)工件的加工需要進行區(qū)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，可得到純凈的表面處理層。
而常規(guī)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，目前并沒有針對齒輪類零件的非晶化處理方法和裝置的出現(xiàn)。
實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實用新型的目的在于提供一種電子束斑有效直徑在φ50mm以上，并且電子束斑截面形狀可以根據(jù)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(xiàn)的齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，包括強流脈沖電子束裝置、控制中心、真空室和設(shè)于真空室內(nèi)底部與強流脈沖電子束裝置相對的可控工作臺，強流脈沖電子束裝置設(shè)于真空室的頂部，控制中心分別控制電磁線圈和可控工作臺；真空室內(nèi)的上部依次設(shè)有鉬光闌和由控制中心控制的偏轉(zhuǎn)線圈；工作臺上設(shè)有夾持齒輪工件的旋轉(zhuǎn)軸及定位套，旋轉(zhuǎn)軸由控制中心通過工作臺控制系統(tǒng)由驅(qū)動電機控制旋轉(zhuǎn)。
進一步的改進在于控制中心為計算機控制系統(tǒng)。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(jù)被加工模具或工件的表面形狀和加工要求來確定；偏轉(zhuǎn)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(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有如下優(yōu)點1、齒輪表面經(jīng)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臺及其安裝工件的旋轉(zhuǎn)軸，結(jié)合工作臺沿齒輪軸線方向的運動和齒輪繞軸心旋轉(zhuǎn)運動相結(jié)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(yōu)，自動化水平高的優(yōu)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(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的應用前景。
圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖(真空室內(nèi)部分)。
具體實施方式
以下結(jié)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，包括強流脈沖電子束裝置、控制中心12、真空室10和設(shè)于真空室10內(nèi)底部與強流脈沖電子束裝置相對的可控工作臺14，強流脈沖電子束裝置設(shè)于真空室10的頂部，控制中心12分別通過電磁線圈控制裝置8、工作臺控制系統(tǒng)15控制電磁線圈4和可控工作臺14工作；真空室10內(nèi)的上部依次設(shè)有鉬光闌2和由控制中心12控制的偏轉(zhuǎn)線圈1；工作臺14上設(shè)有夾持齒輪工件的旋轉(zhuǎn)軸17及定位套，旋轉(zhuǎn)軸17由控制中心12通過工作臺控制系統(tǒng)15由驅(qū)動電機16控制旋轉(zhuǎn)。
其中，強流脈沖電子束裝置由電磁線圈4、電子束發(fā)生裝置5、離子體6、陽極7構(gòu)成，可以采用俄羅斯的“Nadezhda-2”型強流脈沖電子束(HCPEB)裝置或同類現(xiàn)有設(shè)備，用于產(chǎn)生極粗電子束。強流脈沖電子束裝置固定在真空室頂上，偏轉(zhuǎn)線圈1裝在線圈骨架里并固定在真空室內(nèi)壁；鉬光闌2固定在真空室內(nèi)壁上。
本實用新型的控制中心12為具有計算機控制系統(tǒng)，根據(jù)加工要求利用計算機系統(tǒng)發(fā)出指令控制電磁線圈控制裝置8、偏轉(zhuǎn)線圈控制裝置9和工作臺控制系統(tǒng)15正常工作，從而分別控制電磁線圈4、偏轉(zhuǎn)線圈1和可控工作臺14；偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)線圈的安扎數(shù)、直徑和繞法根據(jù)裝置的加工能力定制；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(jù)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(shè)有抽真空裝置11。
圖2中，13是齒輪工件，工件13依靠旋轉(zhuǎn)軸17夾持住，并通過軸承和步進電機16相連。
本實用新型基于可控變形電子束精整加工方法而設(shè)計，其使用方法和操作步驟如下1、首先，將工件13夾持固定于設(shè)在可控工作臺14的旋轉(zhuǎn)軸17上，齒沿正對上方的電子束發(fā)生裝置5；2、使用抽真空系統(tǒng)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(jù)齒輪工件13的零件特征和加工要求，控制中心12控制生成電子束的能量密度、照射次數(shù)和照射位置等相關(guān)參數(shù)；4、啟動電子束發(fā)生裝置5使之產(chǎn)生電子，電子經(jīng)過等離子體6、陽極7的作用，并利用控制中心12控制電磁線圈控制裝置8指揮電磁線圈4匯聚形成直徑不少于50mm的電子束斑，電子束3經(jīng)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(jù)控制中心12控制偏轉(zhuǎn)控制裝置9，使偏轉(zhuǎn)線圈1產(chǎn)生相應磁場對變形后的電子束3進行可控偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量根據(jù)齒輪的表面非晶化要求，改變偏轉(zhuǎn)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，電子束掃描過后，金屬表面迅速冷卻，液化的金屬由于形核條件不充分，并且沒有充分的時間結(jié)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(yōu)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(zhuǎn)線圈、工作臺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(zhuǎn)角度共同確定，其中可控工作臺14沿齒輪軸線方向的運動由控制中心12驅(qū)動步進電機15進行協(xié)調(diào)，齒輪繞軸心的旋轉(zhuǎn)由控制中心12通過工作臺控制系統(tǒng)15驅(qū)動步進電機16旋轉(zhuǎn)控制。
采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(yōu)點，其不僅可用于齒輪的表面非晶化，還可以應用于常用旋轉(zhuǎn)零件的表面非晶化和電子束精整加工。
本實用新型根據(jù)現(xiàn)有金屬非晶化處理的存在的不足，針對性實用新型設(shè)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，并且電子束斑截面形狀可以根據(jù)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(zhuǎn)，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于溫度和成分不均勻而形核結(jié)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，有利于工件非晶化的順利進行。這種表面非晶化裝置的特點還在于加工效率高，材料表面應力低，可以進行產(chǎn)品的大規(guī)模成批量連續(xù)加工。
權(quán)利要求1.齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，包括強流脈沖電子束裝置、控制中心(12)、真空室(10)和設(shè)于真空室(10)內(nèi)底部與強流脈沖電子束裝置相對的可控工作臺(14)，強流脈沖電子束裝置設(shè)于真空室(10)的頂部，控制中心(12)分別控制電磁線圈(4)和可控工作臺(14)；其特征在于真空室(10)內(nèi)的上部依次設(shè)有鉬光闌(2)和由控制中心(12)控制的偏轉(zhuǎn)線圈(1)；工作臺(14)上設(shè)有夾持齒輪工件的旋轉(zhuǎn)軸(17)及定位套，旋轉(zhuǎn)軸(17)由控制中心(12)通過工作臺控制系統(tǒng)(15)由電機(16)控制旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，其特征在于所述鉬光闌(2)型腔截面形狀為矩形、圓或橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪類零件的表面非晶化處理裝置，其特征在于所述偏轉(zhuǎn)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，包括強流脈沖電子束裝置、控制中心、真空室和設(shè)于真空室內(nèi)底部與強流脈沖電子束裝置相對的可控工作臺，強流脈沖電子束裝置設(shè)于真空室的頂部，控制中心分別控制電磁線圈和可控工作臺；真空室內(nèi)的上部依次設(shè)有鉬光闌和由控制中心控制的偏轉(zhuǎn)線圈；工作臺上設(shè)有夾持齒輪工件的旋轉(zhuǎn)軸及定位套，旋轉(zhuǎn)軸由控制中心通過工作臺控制系統(tǒng)由驅(qū)動電機控制旋轉(zhuǎn)。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(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單，加工周期短，自動化水平高等優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2006年3月8日
發(fā)明者許洪斌, 胡建軍, 陳元芳, 蔣鵬 申請人:重慶工學院