齒輪材料表面電子束改性工藝及其物理性能研究.pdf

1、齒輪是各種現(xiàn)代機(jī)械中最常見的一種傳動(dòng)零件，齒輪傳動(dòng)是傳遞機(jī)器動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的主要形式之一，大部分機(jī)械設(shè)備的主要傳動(dòng)部件都會(huì)采用齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)具有瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)比變化范圍大、傳動(dòng)速度和傳遞功率范圍大、承載能力高、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)簡便、使用壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)。齒輪工作時(shí)運(yùn)動(dòng)速度高，受力情況非常復(fù)雜，產(chǎn)生的損傷形式多樣，目前對齒輪零件的要求是芯部具有較高的強(qiáng)度和耐沖擊韌性，齒面具有較高的硬度和較好的接觸性能。普通的表面處理方式已

2、難以滿足其高速重載的性能要求，利用強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)進(jìn)行齒輪表面的改性，具有高效清潔、能量密度和加工效率高等特點(diǎn)，可直接、有效地改善材料的表層組織性能。本研究受國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助（齒輪表面非晶化工藝與性能研究，編號(hào)：50775229），以齒輪材料和齒輪為對象，通過理論分析、數(shù)值仿真和試驗(yàn)技術(shù)，研究齒輪材料和齒輪表面電子束改性工藝及物理性能，為齒輪表面電子束改性工藝的研究提供理論支撐。
　　論文的主要工作有：
　　（

3、1）分析了電子束加工原理，討論了電子束材料表面改性的機(jī)理，分析了大面積電子束材料表面改性技術(shù)在國內(nèi)外的研究進(jìn)展情況和發(fā)展趨勢。
　?。?）在理論分析電子束加工熱力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，以齒輪材料40Cr為對象，對電子束加工進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究，解析了電子束加工下材料的溫度分布、熔化深度和應(yīng)力狀況以及熱力學(xué)影響情況。
　?。?）利用強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)對40Cr材料表面進(jìn)行改性試驗(yàn)，獲得材料表面狀況隨電子束參數(shù)的變化規(guī)律，研究了電子

4、束加工條件下材料表面原始形貌對改性后材料表面形貌的影響，分析了電子束改性工藝對齒輪材料表面狀況的作用機(jī)理和規(guī)律。
　?。?）對不同參數(shù)電子束工藝下齒輪材料進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析對比，研究并獲得參數(shù)變化對40Cr改性表面組織的影響規(guī)律，對電子束處理工藝下輪齒的表面力學(xué)性能、耐腐蝕性能進(jìn)行了分析，利用試驗(yàn)技術(shù)研究了電子束改性后齒輪材料的摩擦磨損性能，并對電子束改性處理工藝后材料表面組織性能的變化對磨損性能的影響進(jìn)行了分析討論。<

5、br>　　（5）分析了齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)方法和彎曲疲勞壽命數(shù)據(jù)處理方法，從理論計(jì)算、數(shù)值解析和彎曲疲勞加載試驗(yàn)三方面研究了輪齒的齒根應(yīng)力。對不同工藝條件下齒面進(jìn)行強(qiáng)流脈沖電子束改性處理，試驗(yàn)研究了其彎曲疲勞性能，并對改性處理前后的齒面硬度、表面粗糙度、輪齒表面形貌、組織及表面應(yīng)力進(jìn)行了對比，分析了在不同工藝條件下電子束處理齒輪彎曲疲勞性能的影響。
　　通過以上研究表明，金屬材料經(jīng)過電子束改性處理后，表面會(huì)產(chǎn)生大量熔坑，材料表面發(fā)生重

6、熔現(xiàn)象，材料的熔化深度范圍在2-3μm，齒輪材料經(jīng)電子束改性后材料表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。電子束材料改性后產(chǎn)生的熔坑對材料表面的粗糙度影響較大，電子束參數(shù)不同，材料表面的粗糙度有可能升高或者降低，材料原始粗糙度對電子束改性后的表面粗糙度的影響較大，電子束處理對材料表面形貌具有消除劃痕和產(chǎn)生熔坑兩方面的影響，對材料表面粗糙度的影響是上述兩個(gè)過程綜合作用的結(jié)果。經(jīng)過電子束改性后，40Cr材料的表層組織會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過不同電子束參數(shù)改性，獲得的組

7、織、相和分布也不相同。經(jīng)過多次電子束改性后，材料表面耐腐蝕性能增強(qiáng)，40Cr經(jīng)過電子束改性后，材料表面硬度可在表層1mm內(nèi)發(fā)生變化，隨著電子束材料改性次數(shù)的增加，材料表層溫度影響層深度增大，顯微硬度增加，截面顯微硬度值呈振蕩形式分布。在恒幅載荷下，未磨削齒面齒輪經(jīng)電子束改性后在可靠度50％時(shí)彎曲疲勞強(qiáng)度降低了14%，而齒輪齒面經(jīng)過磨削加工后再利用電子束改性，輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度提高6.1%。磨削工藝對齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度影響較大，經(jīng)磨削工藝，

8、原始齒輪和電子束改性齒輪輪齒的彎曲強(qiáng)度分別增加了52.2%和88.2%。磨削和未磨削齒輪經(jīng)電子束處理后，齒面粗糙度均有一定程度的提高，磨削齒輪齒根表面大量細(xì)小劃痕因電子束的―拋光‖效應(yīng)而消失，材料表層晶粒得到了細(xì)化，綜合來看表面狀況得到一定改善。
　　論文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下方面。
　　（1）提出利用強(qiáng)流脈沖電子束工藝對齒輪進(jìn)行表面改性，并設(shè)計(jì)出專用裝置實(shí)現(xiàn)齒輪表面電子束改性工藝。
　?。?）解析了強(qiáng)流脈沖電子束工藝對材