一种分层结构的面齿轮及其实现方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术增强齿轮的抗胶合磨损能力，延长齿轮的寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于航空传动技术和重载车辆传动

技术介绍
航空齿轮传动系统具有载荷大、速度高、工况条件恶劣和精度要求高等特点。这种高速重载的工况条件使齿轮成为传动系统中最薄弱的环节之一，也是造成传动系统失效的主要原因之一。随着国防能力的需求和科技的进步，对航空传动系统的要求越来越高，不仅要求体积小、质量轻、噪声低，更要求可靠性高、使用寿命长。面齿轮是一种新型的传动部件，主要用来传递相交轴和交错轴之间的运动和动力，具有分流特性好、承载能力高和结构紧凑的优点，是航空传动和重载车辆传动技术的重要研宄课题之一。在高速重载工况条件下，面齿轮的主要失效形式为齿面胶合磨损。防止胶合磨损的措施除了改善齿轮润滑条件、优化齿轮结构设计参数和降低表面粗糙度之外，提高齿轮表面材料的硬度，增强耐磨性能也是行之有效的方法。提高齿轮表面硬度的传统方法有淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等。对于高速重载齿轮，常采用低碳或中低碳合金结构钢为原料，通过渗碳或渗氮提高齿轮表面硬度。但一般渗碳和渗氮齿轮使用的温度低于100°c，而高速重载齿轮齿面温度常常达到200?300°C，甚至更高，远远超过渗碳或渗氮齿轮的回火温度，齿轮表面层硬度在高温下大大降低。因此，高速重载面齿轮的齿面需要在高温条件下具有较好的硬度保持性和耐磨性。根据面齿轮的承载特点，要求齿轮心部具有较好的韧性，齿面具有耐磨损、耐高温的特性。一种材料同时具备上述各种特性比较困难，而且也会造成不必要的材料成本的提高。如果选用两种或两种以上的材料分别满足心部韧性好和齿面高温耐磨性好的要求，形成一定的材料梯度，对齿轮齿面进行强化，则可以为提高面齿轮的抗胶合能力提供新的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种高速重载工况条件下保持高硬度和良好耐磨性的面齿轮分层结构及其实现方法，以增强齿轮的抗胶合磨损能力，延长齿轮的寿命。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为:一种分层结构的面齿轮，包括面齿轮轮齿基体和轮齿齿面熔覆层，其特征在于:面齿轮轮齿基体和轮齿齿面熔覆层采用不同材料，使轮齿由里及表形成硬度递增的梯度分布；轮齿齿面熔覆层可以为单层，也可为多层，当轮齿齿面熔覆层为多层结构时，第二层熔覆层硬度高于第一层硬度，依此类推，第η层熔覆层硬度高于第η-1层。其中，多层结构的轮齿齿面熔覆层可由轮齿齿面过渡层、轮齿齿面第一熔覆层和轮齿齿面第二熔覆层构成；轮齿齿面过渡层采用镍基自熔性合金材料，其硬度介于面齿轮轮齿基体和轮齿齿面第一熔覆层之间；轮齿齿面第一熔覆层和轮齿齿面第二熔覆层采用金属陶瓷复合材料，且轮齿齿面第二熔覆层材料中含有的硬质相比例高于轮齿齿面第一熔覆层，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的硬度高于轮齿齿面第一熔覆层。其中，面齿轮轮齿基体采用碳钢或合金钢，利用插齿、铣齿或滚齿方法加工而成，并为轮齿齿面熔覆层的厚度预留加工余量。本专利技术另外提供一种分层结构面齿轮的实现方法，其特征在于:利用激光熔覆加工方法实现面齿轮轮齿基体和轮齿齿面熔覆层的连接；激光熔覆系统由激光器、激光头、送粉器、粉末分离器、数控系统和运动执行部件组成；激光器产生的激光束通过激光头输出并作用在面齿轮齿面形成熔池，送粉器将熔覆材料粉末经粉末分离器分离后，形成均匀分布的粉末流落在激光束作用的熔池内，经过快速加热和快速冷却形成轮齿齿面熔覆层；根据面齿轮齿面几何特征，激光头偏转一定角度，激光束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；激光束的扫描轨迹运动由数控系统控制运动执行部件实现。本专利技术的原理在于: 本专利技术的面齿轮分层结构包括面齿轮轮齿基体和轮齿齿面熔覆层，轮齿由里及表形成材料梯度和硬度趋增的分布特征。轮齿齿面熔覆层与面齿轮轮齿基体的连接采用激光熔覆方法形成良好的结合强度。主要采取以下技术方案:1.面齿轮轮齿基体是面齿轮的主体，采用齿轮常用金属材料碳钢或合金钢等，提高齿轮主体的韧性，采用常规齿轮加工方法制造而成，例如插齿、铣齿、滚齿等方法。2.轮齿齿面熔覆层为单层或多层，所选用的材料硬度高于面齿轮轮齿基体。当熔覆层为多层时，第二层熔覆层硬度高于第一层硬度，依此类推，第η层熔覆层硬度高于第η-1 层。3.多层结构的轮齿齿面恪覆层可由轮齿齿面过渡层、轮齿齿面第一恪覆层和轮齿齿面第二熔覆层构成。轮齿齿面过渡层介于轮齿基体和轮齿齿面熔覆层之间，轮齿齿面过渡层可采用镍基自熔性合金材料，通过激光熔覆加工方法与轮齿基体和轮齿齿面熔覆层均形成良好的冶金结合，并使轮齿硬度从轮齿基体到轮齿齿面熔覆层呈逐渐增加的合理分布趋势。轮齿齿面第一恪覆层和轮齿齿面第二恪覆层可采用金属陶瓷复合材料，轮齿齿面第二熔覆层材料中含有的硬质相比例高于轮齿齿面第一熔覆层，以形成硬度递增，或者通过改变加工工艺参数，使轮齿齿面第二熔覆层的硬度高于轮齿齿面第一熔覆层。4.按照上述面齿轮轮齿分层结构技术方案，采取如下方法实现轮齿分层结构构成:I)根据面齿轮啮合特性和功能需求，设计轮齿齿面熔覆层的厚度，并选择适宜的材料，从面齿轮轮齿基体到轮齿齿面熔覆层形成满足功能特性的材料梯度。2)根据轮齿齿面熔覆层的总厚度和面齿轮啮合尺寸要求，加工成型面齿轮轮齿基体，并为轮齿齿面熔覆层的厚度预留加工余量。3)在面齿轮轮齿基体表面选取若干采样点进行三维坐标点测试，并记录测试数据，计算分析测试点的法线方向。或者采用面齿轮轮齿基体表面采样点的理论坐标值代替测试值。4)利用激光熔覆加工方法实现面齿轮轮齿基体和轮齿齿面熔覆层的连接。激光熔覆系统由激光器、激光头、送粉器、粉末分离器、数控系统和运动执行部件组成。激光器产生的激光束通过激光头输出并作用在面齿轮齿面形成熔池，送粉器将熔覆材料粉末经粉末分离器分离后，形成均匀分布的粉末流落在激光束作用的熔池内，经过快速加热和快速冷却形成轮齿齿面熔覆层。根据面齿轮齿面几何特征，激光头偏转一定角度，激光束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。激光束的扫描轨迹运动由轮齿基体表面的采样点三维坐标值确定，并由数控系统控制运动执行部件来实现。5)在面齿轮轮齿基体表面熔覆轮齿齿面熔覆层时，激光熔覆工艺参数由拟熔覆的轮齿齿面熔覆层厚度确定，并保证轮齿齿面熔覆层与面齿轮轮齿基体形成良好的界面结合强度。当轮齿齿面熔覆层为多层时，通过改变熔覆层材料的硬质相成分比例，或者改变激光熔覆工艺参数来实现硬度逐层增加。本专利技术具有如下特点:第一，本专利技术的面齿轮轮齿分层结构有利于实现齿轮的高性能传动要求，并可拓展面齿轮的应用领域。第二，分层结构的面齿轮材料具有功能梯度特性，满足齿轮心部韧性高和齿面硬度高耐磨性好的要求，而单一材料的传统齿轮则难以实现这一特征要求。第三，通过选择适宜的轮齿齿面熔覆层的材料，可以使面齿轮在中高温工作条件下仍然保持较高的硬度和耐磨性，有利于提高高速重载面齿轮的抗胶合能力；而单一材料的传统齿轮，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分层结构的面齿轮，包括面齿轮轮齿基体(1)和轮齿齿面熔覆层(2)，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)可以为单层，也可为多层，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王延忠，臧春城，陈燕燕，唐文，张以都，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11