CN1334346A - 利用喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过利用喷丸强化工艺在齿轮表面形成压缩残余应力来提高齿轮的疲劳强度的方法。本发明的方法是在利用高压空气向齿轮表面投射大量的喷丸时向与连接作为喷射对象的齿轮齿的齿根圆与渐开线的交点(B2)及与上述喷射对象的齿轮齿相邻的齿轮齿的齿顶圆与渐开线的交点(B1)的直线平行的方向,更具体地讲,是向与该直线成0°至15°角的方向投射。

Description

利用喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法
本发明涉及通过利用喷丸强化工艺在齿轮表面形成压缩残余应力来提高齿轮的疲劳强度的方法。
由于技术的发展在机动车或者工业用装置等使用的机械零件上要求有高的强度。与此相伴提出了多种提高机械零件等的强度的方法。对于基本机械零件之一的齿轮来说，主要是利用喷丸强化工艺来提高其强度。
喷丸强化工艺是通过向制品表面高速投射大量的喷丸从而在制品表面上维持压缩残余应力来提高制品强度的方法。为了投射喷丸使用抛沙叶轮或者空气喷嘴，最近利用空气喷嘴投射喷丸的方法被广泛使用。
图1图示了用空气喷嘴投射喷丸的喷丸强化工艺方法，如图所示，高压空气供给管3和喷丸供给管4连接到空气喷嘴2上，空气喷嘴2朝向齿轮1。通过喷丸供给管4供给喷嘴2的喷丸由通过喷嘴2喷射的高压空气的运动能量高速地向齿轮1的表面投射。
当喷丸高速碰撞到齿轮1的表面时，由于该冲击使齿轮表面的压缩残余应力变大。因此，齿轮1的强度被提高，特别是由于大大地增加了齿轮1作动时受力的齿根部分的强度，所以可以防止齿轮1的破损。
但是，在上述那样利用喷丸强化工艺提高齿轮1的强度的原有的方法中，从空气喷嘴2投出的喷丸向齿轮1的中心投射。换句话说，喷丸向与齿根圆和节圆那样的齿轮圆的切线相垂直的方向投射。因此，与投射方向倾斜的齿轮齿的侧面上形成的压缩残余应力比在齿端面和齿根面上形成的压缩残余应力弱。
即，如图2所示那样，对于齿端面和齿根面来说，由于喷丸向与其面正交的方向投射，所以喷丸碰撞其表面时所施加的冲击能量(E1)具有1/2·mv2大小，但是对于与齿端面和齿根面倾斜的齿轮齿的侧面来说，由于喷丸以倾斜角度θ投射，所以喷丸碰撞到齿轮齿的侧面时加上的冲击能量(E2)具有1/2·mv2·sinθ大小。因此，在齿轮齿的侧面上形成的压缩残余应力比在齿端面和齿根面上形成的压缩残余应力弱。其结果，由于压缩残余应力之差所产生的变形，而在齿端面的两端、即在齿轮齿的外侧缘形成凸起。
齿轮作动时，在齿轮齿的外侧缘上形成的凸起反复地干涉齿根面并加以冲击，存在齿轮的齿根面被破损而缩短齿轮的寿命的问题。
为了防止上述现象发生，在制造齿轮时在喷丸工序之后必须通过剃前或者研削工序去除凸起。这样一来，由于需要追加去除凸起的必要的装备和作业人员，所以制造费用增加并成为生产性低下的主要原因。
另一方面，在齿轮作动时，在齿轮齿的侧面上受力最多。而且由于在齿轮齿的侧面上形成的压缩残余应力的大小与比侧面上受力少的齿轮齿的齿端面上形成的压缩残余应力的大小相比小，所以必须增加喷丸工序所需的时间以使齿轮齿的侧面上具有必要的强度。因此，存在着作业时间及喷丸的消费量增大和喷丸装置的寿命缩短的其他问题。
本发明的目的在于提供一种在齿轮齿的侧面上形成的压缩残余应力的大小至少比在齿端面上形成的压缩残余应力的大小大而可以防止在齿轮齿的外侧缘上形成凸起并可以缩短工序所需时间的利用喷丸强化工艺提高疲劳强度的方法。
利用本发明的喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法，是在利用高压空气向齿轮表面投射大量的喷丸时向与连接作为强化对象的齿轮齿的齿根圆与渐开线的交点及与上述强化对象的齿轮齿相邻的齿轮齿的齿顶圆与渐开线的交点的直线大致平行的方向投射。
理想的是，投射方向与连接作为强化对象的齿轮齿的齿根圆与渐开线的交点及与上述强化对象的齿轮齿相邻的齿轮齿的齿顶圆与渐开线的交点的直线成0°至15°的角度。
上述本发明的目的和别的特征及优点参照下面对本发明的优选实施例的说明就会明确了。
图1是图示利用原有的空气喷嘴喷丸强化工艺提高齿轮疲劳强度的方法的图。
图2是表示在原有的方法中喷丸的投射方向的图。
图3是说明在本发明的利用喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法中设定喷丸投射角的过程的图。
图4是说明在本发明的利用喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法中设定喷丸投射角的过程的图。
下面，通过实施例更详细地说明本发明。
本发明者们为了了解喷丸加工时喷丸相对于加工面的投射角度与在加工面上形成的压缩残余应力的大小之间的关系进行了实验。在被渗碳热处理的平钢板(组织构成：马氏体80％、奥氏体20％)的表面上用不同的投射角投射喷丸(圆的切断钢丝型(round cut wire type)，直径0.6mm、HRC58～62)，测定了在钢板的表面上形成的压缩残余应力的大小和深度。实验结果如下表所示。
喷丸投射角 90° 80°  70°  60°  50°
最大压缩残余应力(Kg/mm2) 135 130  111  105  101
压缩残余应力形成深度(μm) 120 95  88  78  75
从该表可以看出，向与加工面垂直的方向投射喷丸时，在加工面上形成的压缩残余应力最大最深，投射角越小在加工面上形成的压缩残余应力的大小越小，其深度也越小。另外，这也可以根据运动能量的公式E＝1/2mv2·Sinθ在理论上给以证明。
因此，本发明的利用喷丸强化工艺提高齿轮的疲劳强度的方法，在喷丸工序中，如图3所示，在投射在齿轮齿的侧面即齿轮作动时受力大的部分上投射的角度β比在齿端面或者齿根面即受力比较小的部分上投射的角度α大的方向上投射喷丸。
其结果，在齿轮齿的侧面上形成的压缩残余应力的大小与在齿端面上形成的压缩残余应力的大小相似或者更大。因此，可以防止齿轮齿的外侧缘变形和在齿轮齿的外侧缘上形成凸起。
另一方面，在这样的齿轮齿的侧面中，有必要加强在齿轮作动时受力最多的部分即齿根点B2的疲劳强度。因此，考虑到这一点，最合适的投射方向在理论上如图4所示是与从作为强化对象的齿轮齿的渐开线和齿根圆的交点B2延长到与强化对象的齿轮齿相邻的齿轮齿的渐开线与齿端圆的交点B1的直线平行的方向。在该方向上，投射喷丸时齿轮齿中受力最大部分的疲劳强度也可以成为最大。
但是，实际上所投射的喷丸中的一部分与B1点发生冲撞，由于其行进方向变化往往会发生妨碍喷丸向B2点前进的现象，为了防止这种现象的发生，必须在使喷丸投射到B2点上的路径可以受到最小影响的方向上投射喷丸。
该方向由喷丸的大小和硬度、投射速度及制品的形状等各种各样的因素决定，实验结果表明，当在相对于连接齿轮的诸圆上的B2点和B1点的直线成0°～15°的角度的方向投射喷丸时，在受力最多的齿根点B2上形成的压缩残留强度的大小也成为最大值。
因此，通过在与连接B1和B2的直线成0°至15°的角度的方向上投射喷丸，在齿轮齿的侧面上形成的压缩残余应力的大小与在齿端面上形成的压缩残余应力的大小相似或者更大。因此，可以防止象原有的那样在齿轮齿的外侧缘产生凸起，因此，不需要在喷丸工序后实施用于去除凸起的削顶或者研削工序。
再有，由于在齿轮齿的侧面上，特别是在齿根点B2上形成的压缩残留强度的大小成为最大，所以可以减少在齿轮齿的侧面上获得必要的疲劳强度所需的时间。
上面根据实施例详细地说明了本发明，但本发明不局限于实施例，如果具有本发明所属技术领域的通常的知识，在不脱离本发明的思想和精神的情况下，可以修正或者变更本发明。

Claims (2)

1.利用喷丸强化提高齿轮的疲劳强度的方法，它是利用通过高压空气向齿轮表面投射大量的喷丸在齿轮表面上形成压缩残余应力的喷丸强化工艺来提高齿轮的疲劳强度的方法，其特征是，向与连接作为强化对象的齿轮齿的齿根圆与渐开线的交点(B2)及与上述强化对象的齿轮齿相邻的齿轮齿的齿顶圆与渐开线的交点(B1)的直线平行的方向投射上述喷丸的方法。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述投射方向与上述直线成0°至15°的角度。
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