[发明专利]一种分层结构的面齿轮及其实现方法

摘要

本发明涉及一种分层结构的面齿轮及其实现方法。分层结构的面齿轮包括面齿轮轮齿基体(1)和轮齿齿面熔覆层(2)，通过选择不同材料，使轮齿由里及表形成硬度递增的梯度分布特征。通过激光熔覆加工方法将不同材料的轮齿基体(1)和轮齿齿面熔覆层(2)结合为一体。轮齿齿面熔覆层(2)可以为单层，也可为多层。当为多层时，可通过逐层增加熔覆材料中硬质相含量，或者通过改变激光熔覆工艺参数，实现轮齿硬度递增的分布特征。本发明增强齿轮的抗胶合磨损能力，延长齿轮的寿命。

主权项

一种分层结构的面齿轮的实现方法，该面齿轮包括面齿轮轮齿基体(1)和轮齿齿面熔覆层(2)，其特征在于：面齿轮轮齿基体(1)和轮齿齿面熔覆层(2)采用不同材料，使轮齿由里及表形成硬度递增的梯度分布；轮齿齿面熔覆层(2)为多层，当轮齿齿面熔覆层(2)为多层结构时，第二层熔覆层硬度高于第一层硬度，依此类推，第n层熔覆层硬度高于第n‑1层；多层结构的轮齿齿面熔覆层(2)可由轮齿齿面过渡层(3)、轮齿齿面第一熔覆层(4)和轮齿齿面第二熔覆层(5)构成；轮齿齿面过渡层(3)采用镍基自熔性合金材料，其硬度介于面齿轮轮齿基体(1)和轮齿齿面第一熔覆层(4)之间；轮齿齿面第一熔覆层(4)和轮齿齿面第二熔覆层(5)采用金属陶瓷复合材料，且轮齿齿面第二熔覆层(5)材料中含有的硬质相比例高于轮齿齿面第一熔覆层(4)，形成硬度递增，或者通过改变加工工艺参数，使轮齿齿面第二熔覆层(5)的硬度高于轮齿齿面第一熔覆层(4)；面齿轮轮齿基体(1)采用碳钢或合金钢，利用插齿、铣齿或滚齿方法加工而成，并为轮齿齿面熔覆层(2)的厚度预留加工余量；该方法利用激光熔覆加工方法实现面齿轮轮齿基体(1)和轮齿齿面熔覆层(2)的连接；激光熔覆系统由激光器(6)、激光头(13)、送粉器(7)、粉末分离器(8)、数控系统(10)和运动执行部件(12)组成；激光器(6)产生的激光束(14)通过激光头(13)输出并作用在面齿轮齿面形成熔池，送粉器(7)将熔覆材料粉末经粉末分离器(8)分离后，形成均匀分布的粉末流(15)落在激光束(14)作用的熔池内，经过快速加热和快速冷却形成轮齿齿面熔覆层(2)；根据面齿轮齿面几何特征，激光头(13)偏转一定角度，激光束(14)沿面齿轮齿宽和齿高方向上进行激光扫描完成一侧齿面熔覆，面齿轮沿自身轴线旋转指定角度，进行下一个齿侧面熔覆，直至完成所有齿面的熔覆，然后再进行下一层轮齿齿面熔覆层的熔覆，直至熔覆完成所有轮齿齿面熔覆层；激光束(14)的扫描轨迹运动由数控系统(10)控制运动执行部件(12)实现；轮齿齿面熔覆层(2)由轮齿齿面过渡层(3)、轮齿齿面第一熔覆层(4)和轮齿齿面第二熔覆层(5)构成，从面齿轮轮齿基体(1)到轮齿齿面第二熔覆层(5)形成硬度逐渐增加的分布特征，以满足齿轮心部韧性高表层硬度高耐磨性好的要求，轮齿齿面熔覆层与轮齿基体选用不同材料，各层之间的连接通过激光熔覆技术来实现，面齿轮轮齿基体(1)选用高速重载齿轮常用材料合金钢，轮齿齿面第一熔覆层(4)和轮齿齿面第二熔覆层(5)选用中高温下能保持高硬度和良好耐磨性的金属陶瓷复合材料NiCr‑Cr3C2或者选用Ni‑WC；激光熔覆系统中激光器(6)产生激光束(14)至激光头(13)，并辐射在待熔覆工件(11)上，形成熔池，送粉器(7)输出粉末后经过粉末分离器(8)形成四股粉末流输入到设置在激光头(13)上的喷管中，由喷管喷出后落入熔池，并被激光束(14)快速加热熔化，经快速冷却凝固形成熔覆层，运动执行系统(12)是激光头(13)的载体，在数控系统(10)的控制下，可以使激光头按预定扫描轨迹运动，被熔覆工件(11)放置在工作台(9)上，可以进行平移和旋转运动；激光熔覆分层结构正交偏置面齿轮时，激光头(13)在竖直面内有偏转角度ΔθLf；激光熔覆面齿轮齿面时，激光头沿齿宽的方向、沿一条扫描路径进行扫描，在完成一条扫描路径的扫描之后，激光头在齿高的方向上移动，然后再沿齿宽的方向进行下一条扫描路径的扫描；或者，激光头沿齿高的方向、沿一条扫描路径进行扫描，在完成一条扫描路径的扫描之后，激光头在齿宽的方向上移动，然后再沿齿高的方向进行下一条扫描路径的扫描；Aij(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)为齿面激光扫描轨迹(16)中的离散点，这些轨迹离散点的坐标值可以事先通过三维坐标扫描仪进行测试得到，然后输入到激光熔覆数控程序中，激光扫描轨迹(16)的起点为A11，终点为Am1或Amn，激光扫描时选择基准线A11A1n为对光基准线，以保证扫描轨迹的精度满足要求，首先熔覆所有轮齿的一侧齿面，再熔覆另一侧齿面，然后熔覆齿顶和齿根，实现所有轮齿的全齿面熔覆，直至将轮齿齿面过渡层(3)、轮齿齿面第一熔覆层(4)和轮齿齿面第二熔覆层(5)全部完成熔覆为止。