大面積低能電子束對齒輪表面改性的應用分析

胡建軍，鄒 毅，侯天鳳

(1.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054; 2.模具技術重慶市高校市級重點實驗室，重慶 400054)

大面積低能電子束對齒輪表面改性的應用分析

胡建軍1，2，鄒 毅1，侯天鳳1

(1.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054; 2.模具技術重慶市高校市級重點實驗室，重慶 400054)

針對提高齒輪零件齒面性能的需求，提出了利用電子束進行齒輪齒面改性的思想。分析了電子束產生原理，討論了大面積低能電子束材料表面改性的技術及特點。設計了專用夾具進行電子束齒輪表面改性，并進行了彎曲疲勞性能研究。實驗結果表明:在恒幅載荷下，磨削齒面齒輪經電子束改性后彎曲疲勞強度提高了6.1%，利用大面積低能電子束技術對齒輪進行表面改性具有一定的應用前景。

電子束;齒輪;表面改性;彎曲性能

齒輪是依靠齒的嚙合傳遞扭矩的輪狀機械零件。齒輪通過與其他齒狀機械零件(如齒輪、齒條、蝸桿等)的嚙合，可實現改變轉速、扭矩、運動方向和運動形式等功能。齒輪傳動效率高、傳動比準確、功率范圍大，在當今的成套機械裝備中應用十分廣泛，如在大型發電設備、大型水泥機械、合成氨設備、軋鋼機、輪船、軍艦等領域。齒輪的設計與制造水平直接影響到工業產品的質量［1－2］。

齒輪工作時的運動和受力情況非常復雜，由此產生的損傷形式也多種多樣。較常見且對性能影響較嚴重的失效形式包括齒根斷齒、齒面膠合和點蝕［3］。齒輪失效多從表面產生，日本機械學會的統計分析結果表明，齒面失效引起的齒輪傳動副失效占74%，因此提高齒面性能成為當前急需研究解決的基本科學問題。表面工程是改善齒輪表面性能的重要工程技術，已成為制造技術領域的主要創新點之一。但對于具有特殊高性能要求的齒輪(如航空航天用齒輪)，普通處理方式已不能滿足其高疲勞強度、高彎曲強度、高紅硬性、低摩擦磨損及承受高速重載的性能要求，因此一些新的表面強化技術被應用于齒輪研究領域［4］。

近年來，利用高能束(電子束、離子束、激光束等)進行材料加工和表面改性的技術得到了迅速發展。該技術可以在材料表層深度超過1 mm內提高性能，同時改善材料的表面狀況，以提高齒輪表面的相關綜合性能［5］。本文對其工藝應用的可能性進行探索和分析。

1 電子束材料表面改性技術

1.1 電子束產生原理

圖1為電子束產生的原理。在該裝置真空室內預摻入了(5～15)×10－2Pa左右的氬氣，由布置在真空室外的電磁線圈產生磁場。在磁場達到最大的瞬間，對陽極施加脈沖電壓，在真空室內產生的電子由于彭寧效應向陽極移動，電子因受到勞倫茲力進行螺旋運動，飛行的電子不斷與氬(Ar)原子沖撞，因此在陽極附近產生陽極等離子體。在該等離子區達到最大的瞬間給陰極施加脈沖電壓，會在陰極附近形成雙電荷層，電場強度相應增強，使得從陰極釋放出來的電子被高電場加速［6］。

圖1 電子束產生的原理

1.2 電子束材料表面改性技術

電子束材料表面改性技術不同于傳統的表面改性方法，它是在短時間內匯聚高能量密度電子，使被處理材料表面出現快速的熔化。電子束材料表面改性是將高能電子的動能轉化為熱能的加工過程，其能量轉化率高，除了部分電子束能量轉化為聲、光外，大部分電子束動能都轉化為熱能，效率最高可達98%。同時材料表面在受熱重熔過程中，由升溫膨脹引起的動態應力會在整個材料中產生強烈作用，材料表層還會受到高速電子的沖擊作用，材料因此能夠獲得普通處理工藝難以達到的性能，可實現材料表層幾個微米深度的熔化，而溫度和應力影響層深度可達數個毫米［3，7－10］。

1.3 大面積低能電子束

常見的電子束加工技術(如電子束打孔和焊接)都需把電子束聚焦成較細的高密度能束。將這種思路反過來，讓電子束不聚焦而放粗后，能產生低能(10～40 keV)、強流(102～104A/cm2)、脈沖時間達到10－6s的電子束(HCPEB)。這種電子束的特點是能量密度較均勻、束斑面積大、處理效率高。利用這種降低了的單位面積電能使表面淺層部分瞬間熔化，可實現能量均勻的材料表面改性。圖2為大面積低能電子束處理的金屬表面［11］。同時這種電子束裝置輻射安全，簡化了高壓裝備及電子槍的結構，壽命更長。

圖2 大面積低能電子束處理的金屬表面

2 齒輪表面電子束改性應用

2.1 電子束改性裝置設計

根據強流脈沖電子束改性設備的大面積束斑及齒輪的外形特點，對電子束齒輪齒面改性設計了專用夾具裝置，如圖3所示。對其齒輪都進行旋轉照射處理，并逐個處理每個輪齒，這樣可以對齒輪的一個圓周實現一次抽真空全部照射，既提高了加工效率，又可獲得均勻的改性齒面。

圖3 齒輪電子束表面改性專用夾具裝置

2.2 試驗方案

齒輪材料為40Cr(C0.40，Si0.23，Mn0.7，Cr0.8，Ni≤0.30－wt%)。齒輪加工后對齒面采用磨削工藝，調質硬度為HRC 40～45。電子束改性束源裝置為俄羅斯強電流電子研究所研制的“RITM－2M”。工藝參數如表1所示。

對磨削后的齒輪進行電子束改性，改性前后的齒輪如圖4所示。

圖4 電子束改性前后的齒輪

2.3 齒輪彎曲疲勞性能

對電子束改性前后的齒輪進行彎曲疲勞強度試驗，試驗方法參照GB/T1430—93《齒輪彎曲疲勞強度試驗方法》。采用少試驗點組合法，試驗由高應力水平到低應力水平逐次進行。加載方式采用雙齒加載，載荷形式為恒幅載荷，在PLG－200高頻疲勞試驗機上進行。負荷滿量程為 ±200 kN，負荷加載精度小于等于±1%。失效判據:齒根斷裂或載荷下降10%［12］。齒輪電子束改性前后彎曲疲勞試驗的齒輪如圖5所示。

圖5 試驗前后齒輪

對電子束改性前后齒輪的疲勞壽命進行對數坐標的最小二乘法擬合，得到可靠度為50%的S－N曲線。2種齒輪所擬合的S－N曲線簇在R= 0.5時的S－N曲線對比如圖6所示，可見彎曲疲勞強度提高了6.1%。

圖6 試驗前后的S－N比較

3 結論

本文討論了電子束材料表面改性技術，并設計了夾具對齒輪進行表面改性研究，測試了其彎曲疲勞性能，得出以下結論:

1)設計的用于實現齒輪表面電子束改性工藝的夾具裝置可以滿足直齒圓柱齒輪電子束改性的工藝要求。

2)在恒幅載荷下，未磨削齒面齒輪經電子束改性后彎曲疲勞強度提高了6.1%。

3)利用大面積低能電子束技術對齒輪進行表面改性具有一定的應用前景。

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(責任編輯 何杰玲)

Application Analysis of Gear Surface Modification with Large Area Low Energy Electron Beam

HU Jian－jun1，2，ZOU Yi1，HOU Tian－feng1
(1.School of Material Science and Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2.Mould Technology Chongqing Municipal Key Laboratory of Institutions of Higher Education，Chongqing 400054，China)

Based on the demand of improving the gear tooth surface performance，the academic thinking of modifying gear tooth surface with electron beam was put forward.The principle of electron beam generating was analyzed and characteristics of large area and low energy electron beam surface modification were discussed.Special fixture was designed to carry on electron beam gear surface modification and research on bending fatigue performance.The experimental results show that gear bend fatigue strength increased by 6.1%surface modified with electron beam after the grinding tooth face under constant amplitude loading.So the large area and low energy electron beam technology has a certain application prospect for gear surface modification.

electron beam;gear;surface modification;bending fatigue

TG668

A

1674－8425(2014)07－0035－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.008

2014－01－18

國家自然科學基金資助項目(51275548);重慶市自然科學基金重點資助項目(cstc2012jjB70002);重慶市高校創新團隊基金資助項目

胡建軍(1974—)，男，河南遂平人，博士，教授，主要從事模具CAD/CAM、齒輪表面改性技術研究。

胡建軍，鄒毅，侯天鳳.大面積低能電子束對齒輪表面改性的應用分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(7):35－38.

format:HU Jian－jun，ZOU Yi，HOU Tian－feng.Application Analysis of Gear Surface Modification with Large Area Low Energy Electron Beam［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7): 35－38.