专利名称：齿轮类零件的表面非晶化处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及对齿轮类零件表面非晶化处理的装置，也可以应用于一般圆形零件表面非晶化和电子束表面精整加工。
背景技术：
齿轮传动作为动力传动的主体，在传递动力，尤其是较大动力为主的场合，仍然具有不可取代的地位。目前我国齿轮存在的主要问题是精度低、生产效率低、使用寿命短，其中使用寿命短的问题尤为突出。而材料及其表面处理与此有着密切的联系。
为提高齿轮的承载能力，一般采取降低轮齿单位面积应力和提高轮齿强度两种措施。机械设计和加工工艺人员一直偏重于采用更改设计参数，如选用更大的模数或增加齿厚等方法进行改良，这势必造成传动设备的庞大和材料浪费。国际上对齿轮强度的研究主要在齿形的改进、齿轮表面处理等方面，我国研究出分阶式双渐开线齿轮和点线啮合齿轮等新型齿轮，但由于加工工艺的原因，并没有得到好的推广和应用。而且在一定的条件下，齿形的改进对提高齿轮强度是有限的。因此，随着表面工程技术的发展，通过对齿轮表面的处理而提高齿轮的综合性能具有广阔的研究空间。
非晶态金属是表面形成覆盖一定厚度的玻璃状非晶化组织的金属，它是一种充满活力的新型材料，具有引人注目的特点优异的物理、化学及机械性能；晶态金属难以达到的高强度、高硬度、高韧性、高塑性和高耐蚀性，具有良好的抗疲劳强度、良好的电学性能和良好的软磁特性等综合性能。目前，对非晶态金属的研究、开发和应用已成为材料科学的重要课题之一。
采用对齿轮表面进行非晶态处理，齿轮表面形成一层非晶化金属膜，使齿轮表面具有优良的物理、化学和机械性能，一方面可以提高齿轮的耐腐蚀、抗磨损和抗疲劳性能，另一方面可以降低传动副间的摩擦磨损，提高齿轮的承载能力和寿命。与表面陶瓷齿轮相比较，齿轮表面非晶化处理获得的非晶化膜和金属基体为一个整体，避免了类似于涂层的剥落，从而大幅提高齿轮的接触疲劳强度。
近十几年来，利用脉冲高能密束(电子束、离子束、激光束)进行金属材料表面非晶化和改性得到了迅速发展。当高能量密度的射束作用到材料表面时，大量的能量会在短时间里沉积在材料表面的薄层中，被加热层的温度迅速升高，以至导致熔化、汽化等现象。使金属表面产生极薄的熔化层，高能束的能量几乎很少传到金属内部，从而使熔化层与基体保持极高的温度梯度，当能量输入结束后，熔化层在基体的带动下迅速冷却，冷却速度最高可以达到108℃/s，使金属表面熔化层非晶化。同时，由热膨胀引起的动态应力也会在整个材料中产生强烈作用。当输入能量结束时，工件表面会急速冷却。经过这几个过程的综合作用，材料表面层的性质会发生明显地变化。这样就可以使材料表面具有用常规方法难以达到的物理、化学或力学性质。
现有技术中，国内外进行金属表面非晶化的技术主要包括①利用激光快速熔凝非晶化技术得到快速发展。激光束的功率密度为104-107W/cm2，利用激光束对金属非晶化能够在工件表面上形成玻璃状非晶化组织，使材料表面具有高硬度、耐磨蚀和耐腐蚀等优异性能。但由于目前的激光技术聚焦到可以对金属融化并非晶化处理的能力时，直径一般偏小，只有几个毫米，这样在非晶化处理过程中，熔化层区域很小，熔化层和周边金属温度梯度很大，熔池内合金成分极不均匀，各微小体积元之间出现成分起伏，甚至在熔池中还会保留未完全熔化的原始晶体，从而该微区域非晶形成能力不高，不能形成理想的非晶化处理条件，从而降低了整个熔区的非晶形成能力。
②利用电子束加工是解决上述问题的有效途径，电子束属于一种高能量密度的热源，其最大功率密度可达109W/cm2。用于金属表面改性，在极短的时间内就可使金属表面熔化，其特点是“快”，迅速加热，迅速冷却，速度可达103-106℃/s。当它作用于金属表面时，可根据工件改性的要求，调整电子束束斑直径、功率密度、脉冲时间、作用形式等参数，使其组织、性能按照人们需要的方向改变。电子束处理是一种选择性区域处理，可以根据工件的加工需要进行区域控制。而且电子束处理在真空中进行，可减少氧化、渗氮的影响，可得到纯净的表面处理层。
而常规电子束加工装置存在电子束斑直径小，截面形状单一仅为圆形，能量分布不均匀以及加工效率不高等缺点。而且，目前并没有针对齿轮类零件的非晶化处理方法和装置的出现。
实用新型内容针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种电子束斑有效直径在φ50mm以上，并且电子束斑截面形状可以根据需要改变，保证非晶化处理过程的能量均匀，提高加工效率的齿轮类零件的表面非晶化处理装置。
本实用新型的目的是这样实现的齿轮类零件的表面非晶化处理装置，包括强流脉冲电子束装置、控制中心、真空室和设于真空室内底部与强流脉冲电子束装置相对的可控工作台，强流脉冲电子束装置设于真空室的顶部，控制中心分别控制电磁线圈和可控工作台；真空室内的上部依次设有钼光阑和由控制中心控制的偏转线圈；工作台上设有夹持齿轮工件的旋转轴及定位套，旋转轴由控制中心通过工作台控制系统由驱动电机控制旋转。
进一步的改进在于控制中心为计算机控制系统。所述钼光阑型腔截面形状为矩形、圆、椭圆或其它多边形，根据被加工模具或工件的表面形状和加工要求来确定；偏转线圈为两组相互垂直放置的激励线圈，缠绕方式为矩形、鞍形或喇叭形线圈分绕法。
相比现有技术，本实用新型具有如下优点1、齿轮表面经过本装置的非晶化处理，可以充分保证齿轮表面的耐腐蚀、抗磨损、抗疲劳性能，而且非晶化层的表面粗糙度很低，而且可以充分降低传动元件之间的摩擦，降低噪声，提高了齿轮的承载能力和寿命；2、由控制中心控制工作台及其安装工件的旋转轴，结合工作台沿齿轮轴线方向的运动和齿轮绕轴心旋转运动相结合，在齿轮表面获得均匀的非晶化层，与金属基体融为有机一体；具有加工周期短，加工效率优，自动化水平高的优点；3、电子束斑有效直径在φ50mm以上，电子束截面形状可控，照射能量分布均匀，极大地减小零件的表面应力，保证非晶化处理过程的能量均匀；4、设计合理、结构简单，具有较好的应用前景。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是图1的A-A剖视图(真空室内部分)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型齿轮类零件的表面非晶化处理装置，包括强流脉冲电子束装置、控制中心12、真空室10和设于真空室10内底部与强流脉冲电子束装置相对的可控工作台14，强流脉冲电子束装置设于真空室10的顶部，控制中心12分别通过电磁线圈控制装置8、工作台控制系统15控制电磁线圈4和可控工作台14工作；真空室10内的上部依次设有钼光阑2和由控制中心12控制的偏转线圈1；工作台14上设有夹持齿轮工件的旋转轴17及定位套，旋转轴17由控制中心12通过工作台控制系统15由驱动电机16控制旋转。
其中，强流脉冲电子束装置由电磁线圈4、电子束发生装置5、离子体6、阳极7构成，可以采用俄罗斯的“Nadezhda-2”型强流脉冲电子束(HCPEB)装置或同类现有设备，用于产生极粗电子束。强流脉冲电子束装置固定在真空室顶上，偏转线圈1装在线圈骨架里并固定在真空室内壁；钼光阑2固定在真空室内壁上。
本实用新型的控制中心12为具有计算机控制系统，根据加工要求利用计算机系统发出指令控制电磁线圈控制装置8、偏转线圈控制装置9和工作台控制系统15正常工作，从而分别控制电磁线圈4、偏转线圈1和可控工作台14；偏转线圈1为两组相互垂直放置的激励线圈，缠绕方式主要为矩形、鞍形或喇叭形线圈分绕法，偏转线圈的安扎数、直径和绕法根据装置的加工能力定制；钼光阑2的型腔截面可为矩形、圆、椭圆或其他多边形，可根据被加工模具或工件的表面形状和加工要求来确定。在防辐射板的真空室10上设有抽真空装置11。
图2中，13是齿轮工件，工件13依靠旋转轴17夹持住，并通过轴承和步进电机16相连。
本实用新型基于可控变形电子束精整加工方法而设计，其使用方法和操作步骤如下1、首先，将工件13夹持固定于设在可控工作台14的旋转轴17上，齿沿正对上方的电子束发生装置5；2、使用抽真空系统11，将真空室10中的真空抽到符合加工要求的真空度；3、根据齿轮工件13的零件特征和加工要求，控制中心12控制生成电子束的能量密度、照射次数和照射位置等相关参数；4、启动电子束发生装置5使之产生电子，电子经过等离子体6、阳极7的作用，并利用控制中心12控制电磁线圈控制装置8指挥电磁线圈4汇聚形成直径不少于50mm的电子束斑，电子束3经过具有一定截面形状的中空钼光阑2，在出口形成具有相应截面形状的变形电子束；5、根据控制中心12控制偏转控制装置9，使偏转线圈1产生相应磁场对变形后的电子束3进行可控偏转，偏转量根据齿轮的表面非晶化要求，改变偏转线圈的电磁场控制；6、齿轮表面在电子束能量照射下局部熔化，电子束扫描过后，金属表面迅速冷却，液化的金属由于形核条件不充分，并且没有充分的时间结晶，从而在齿轮表面形成一层非晶化金属，从而保证齿轮表面的粗糙度低、表面应力均匀、耐磨和耐腐蚀性能优良，也达到抛光和材料表面改性的目的；7、电子束的照射位置、照射束斑与齿轮表面切向的夹角由偏转线圈、工作台沿齿轮轴线方向的运动位置和齿轮随电机绕齿轮轴心旋转角度共同确定，其中可控工作台14沿齿轮轴线方向的运动由控制中心12驱动步进电机15进行协调，齿轮绕轴心的旋转由控制中心12通过工作台控制系统15驱动步进电机16旋转控制。
采用本实用新型具有精度高、操作自动化程度高、加工周期短等优点，其不仅可用于齿轮的表面非晶化，还可以应用于常用旋转零件的表面非晶化和电子束精整加工。
本实用新型根据现有金属非晶化处理的存在的不足，针对性实用新型设计出一种齿轮类零件的表面非晶化处理方法，以及可控变形电子束表面精整加工装置。其特点为电子束斑有效直径在φ50mm以上，并且电子束斑截面形状可以根据改为形状，比如矩形、椭圆、多边形等，电子束可以在加工中直接进行可控偏转，这样一方面保证了非晶化处理过程的能量均匀，防止融化金属在冷却过程中由于温度和成分不均匀而形核结晶，而且可以充分保证金属表面在非晶化处理过程的液相冷却速度，有利于工件非晶化的顺利进行。这种表面非晶化装置的特点还在于加工效率高，材料表面应力低，可以进行产品的大规模成批量连续加工。
权利要求1.齿轮类零件的表面非晶化处理装置，包括强流脉冲电子束装置、控制中心(12)、真空室(10)和设于真空室(10)内底部与强流脉冲电子束装置相对的可控工作台(14)，强流脉冲电子束装置设于真空室(10)的顶部，控制中心(12)分别控制电磁线圈(4)和可控工作台(14)；其特征在于真空室(10)内的上部依次设有钼光阑(2)和由控制中心(12)控制的偏转线圈(1)；工作台(14)上设有夹持齿轮工件的旋转轴(17)及定位套，旋转轴(17)由控制中心(12)通过工作台控制系统(15)由电机(16)控制旋转。
2.根据权利要求1所述的齿轮类零件的表面非晶化处理装置，其特征在于所述钼光阑(2)型腔截面形状为矩形、圆或椭圆形。
3.根据权利要求1所述的齿轮类零件的表面非晶化处理装置，其特征在于所述偏转线圈(1)为两组相互垂直放置的激励线圈，缠绕方式为矩形、鞍形或喇叭形线圈。
专利摘要本实用新型公开一种齿轮类零件的表面非晶化处理装置，包括强流脉冲电子束装置、控制中心、真空室和设于真空室内底部与强流脉冲电子束装置相对的可控工作台，强流脉冲电子束装置设于真空室的顶部，控制中心分别控制电磁线圈和可控工作台；真空室内的上部依次设有钼光阑和由控制中心控制的偏转线圈；工作台上设有夹持齿轮工件的旋转轴及定位套，旋转轴由控制中心通过工作台控制系统由驱动电机控制旋转。本装置电子束截面形状可控，照射能量分布均匀，极大地减小零件的表面应力，保证非晶化处理过程的能量均匀，提高了齿轮的承载能力和寿命；还具有设计合理、结构简单，加工周期短，自动化水平高等优点。
文档编号C21D1/06GK2923727SQ200620110070
公开日2007年7月18日 申请日期2006年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者许洪斌, 胡建军, 陈元芳, 蒋鹏 申请人:重庆工学院