[发明专利]一种渐开线圆柱齿轮轮齿表面超声强化装置

说明书

技术领域

本发明属于齿轮轮齿表面强化技术领域，将超声深滚技术与渐开线展成原理有机结合，研制出一套适合于渐开线圆柱齿轮轮齿表面强化的超声滚压强化装置，改善磨齿后齿轮表面的残余应力状态，达到提高齿轮的使用寿命的目的。

背景技术

磨齿是齿轮经过热处理后，齿轮加工的最终工序和保证齿轮精度的主要精加工手段。由于在磨削过程中，砂轮与被加工表面相互接触，产生了很高的热量。磨削热造成磨削区的局部瞬时温度超过了渗碳钢的正常回火温度，不仅会造成局部渗碳淬火组织发生转变，导致齿面硬度降低，影响齿轮的使用性能，而且会使浅表层金属残余应力再分布，导致材料表面和亚表面的损伤，这种损伤直接影响磨削裂纹的产生，进而降低了齿轮的使用寿命和疲劳极限。

目前，主要利用喷丸强化工艺，来提高齿轮的疲劳强度。喷丸作为一种金属表面冷加工技术，被广泛应用于航空、汽车、电力等行业。喷丸强化过程是通过硬度较高的小直径球形丸粒高速冲击金属材料表面，使金属表面发生塑性变形，并伴随有细化表面晶粒、表层局部向外延展和表面材料冷作硬化等现象，通常会在零件表层金属产生120～1000μm的残余压应力层，能够有效减缓或防止受循环载荷作用的金属零件过早失效。但是喷丸后零件表面粗糙度较高，影响齿轮传动的平稳性，同时不利于传动过程中噪声的降低。由于喷丸过程中，高速粒子运动方向的不确定性，强化之后表面应力的不均匀性，极易在轮齿表面产生微观裂痕，不利于齿轮寿命的提高。

激光冲击强化工艺利用激光对工件表面上的一种特殊涂层的快速熔烧所产生的冲击波使工件表面产生残余压应力，与喷丸相比有较低的表面加工硬化。但是激光冲击强化设备复杂昂贵，加工整个齿面的加工成本高，不利于批量生产。

近些年来，随着超声波技术的不断发展和广泛应用，超声波技术广泛应用于各个领域。超声深滚技术就是利用了超声波产生的巨大的瞬时能量，从而实现表面强化的一种方法。采用超声深滚的方法对金属表面进行强化，能够有效地改变材料表面的应力状况，能够在材料表面产生残余压应力或者有效降低残余拉应力值，同时能够有效地提高材料表面的硬度，光洁度。因此，将超声深滚技术与渐开线展成法有机结合，研制一套适合于渐开线齿面的强化装置，用于渐开线齿形的表面强化，进而提高齿轮的使用寿命，该研究是非常有必要、有意义的。

发明内容

本发明基于超声深滚技术与渐开线展成原理，是一种渐开线圆柱齿轮轮齿表面超声强化装置。

本发明的技术方案如下：

该装置包括超声波发生装置、超声加工头、压力进给装置、第一滑板、第二滑板、基圆盘、导尺和底座。

超声波发生装置由超声波发生器、超声波换能器和变幅杆组成。将超声波发生器的输出信号线与超声波换能器相连，通过超声波换能器的转换作用，将超声波发生器产生的超声波转换为机械波，变幅杆与超声波换能器采用螺纹无缝连接，利用变幅杆的变幅作用，对机械波进行传导和放大，使输出端产生高频高能量的机械振动。超声波换能器通过夹具与第二滑板相连接。

为了使超声加工头能够深入齿槽内部，实现对整个齿面的强化，用于齿面强化的超声加工头采用L形状，且超声加工头的宽度与被强化齿轮的齿宽相同，实现在强化过程中，超声加工头以线接触的方式与被强化齿轮进行啮合，提高加工效率。超声加工头通过螺钉与变幅杆实现无缝连接，变幅杆输出端的高频机械波传递到超声加工头上，通过超声加工头与被强化齿轮的相互啮合，实现对被强化齿轮轮齿表面的强化。

压力进给装置由弹簧、弹簧导轨、移动滑块、固定滑块和螺钉组成。弹簧导轨固定在夹具上，弹簧内孔与弹簧导轨间隙配合，使弹簧在导轨方向上自由伸缩。移动滑块上的安装孔与弹簧导轨间隙配合，实现移动滑块在弹簧导轨的牵引下往复直线移动。固定滑块固定在第二滑板上。通过调整固定滑块上的螺钉的位置，推进移动滑块，改变弹簧的压缩量，实现调整超声加工头与被强化齿轮齿面间初始静压力的目的。

基圆盘的直径等于齿轮的理论基圆直径，基圆盘与被强化齿轮装配于同一心轴上，并由螺母紧固，心轴通过轴承装配于第一滑板上。第一滑板与第二滑板安装于底座的导轨上，通过手柄带动第一丝杠，驱动第一滑板直线移动，调整超声加工头与被强化齿轮的相互位置。利用手柄或电机驱动第二丝杠，使第二滑板沿着导轨副做往复的直线运动，安装在第二滑板上的导尺通过摩擦力带动基圆盘与被强化齿轮转动，使超声加工头与被强化齿轮轮齿啮合运动，同时完成对被强化齿轮轮齿的超声强化。