齒條噴丸變形控制的研究

王永鵬，李玉帆，南博儒

(中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077)

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齒條噴丸變形控制的研究

王永鵬，李玉帆，南博儒

(中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077)

齒條作為齒輪機(jī)構(gòu)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵零部件，精度要求嚴(yán)格，材料硬度高，同時(shí)表面要求做噴丸強(qiáng)化處理。齒條作為扇形結(jié)構(gòu)零件，噴丸變形大。通過(guò)對(duì)齒條零件噴丸變形控制的研究和試驗(yàn)，得到了準(zhǔn)確地控制噴丸變形的工藝方法，使齒條零件噴丸后的幾何尺寸達(dá)到了噴丸前的質(zhì)量狀態(tài)，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

噴丸強(qiáng)度；曲率半徑；弓高差

齒輪-齒條機(jī)構(gòu)是民用飛機(jī)縫翼作動(dòng)的主要方式(見(jiàn)圖1)[1]，C919的高升力系統(tǒng)中前緣縫翼就是采用齒輪-齒條的作動(dòng)方式，在這種作動(dòng)方式的機(jī)構(gòu)中，齒條是最關(guān)鍵的零部件。齒條零件的齒結(jié)構(gòu)是主要工作部位，通常需要對(duì)其表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。由于齒條零件的扇形開(kāi)放結(jié)構(gòu)，其噴丸后變形較大。本文通過(guò)對(duì)齒條零件噴丸變形控制的研究和試驗(yàn)，得到了準(zhǔn)確地控制噴丸變形的工藝方法。

圖1 縫翼作動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪齒條機(jī)構(gòu)

1 噴丸變形機(jī)理

對(duì)于噴丸來(lái)說(shuō)，彈丸噴向零件表面，會(huì)從零件表面反彈，而彈丸的能量釋放就會(huì)在零件表面留下一個(gè)凹痕和一個(gè)塑性區(qū)域，這個(gè)塑性區(qū)域在彈丸噴打方向上壓縮，因此就會(huì)有向旁邊延伸的趨勢(shì)[2]。大量的彈丸以高速連續(xù)不斷地撞擊零件的噴丸區(qū)域，累積的效果就是每個(gè)壓坑下的塑性區(qū)域結(jié)合到一起，使零件噴丸區(qū)域具有一定深度的表層金屬向面內(nèi)各個(gè)方向產(chǎn)生延伸，從而使零件逐步發(fā)生向受?chē)娒嫱蛊鸬膹澢冃巍娡枳冃螜C(jī)理示意圖如圖2所示。

圖2 噴丸變形機(jī)理示意圖

對(duì)于本文研究的齒條零件，噴丸時(shí)會(huì)導(dǎo)致零件向受?chē)娒娈a(chǎn)生變形，因齒條為扇形結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，對(duì)齒面的噴丸產(chǎn)生的變形會(huì)導(dǎo)致齒條張開(kāi)。在材料、零件結(jié)構(gòu)固定的情況下，影響零件曲率變化的主要因素是噴丸強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)度一般使用Almen試驗(yàn)用的A試片來(lái)進(jìn)行測(cè)定。噴丸強(qiáng)度主要是由彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量和噴丸時(shí)間等參數(shù)決定[3]。

圖3 齒條的扇形結(jié)構(gòu)

2 噴丸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

齒條零件齒面的噴丸強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)性能的要求，因此齒面零件噴丸強(qiáng)度是固定的，相應(yīng)的在噴丸工況不變的情況下，零件齒面噴丸后的張開(kāi)變形量也是相對(duì)固定。試驗(yàn)選取PITCH CIRCLE R648.8的4處孔進(jìn)行測(cè)量(見(jiàn)圖4)，分析噴丸變形。

圖4 齒條變形分析的節(jié)圓(PC)基準(zhǔn)

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如下。

1)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行噴丸前測(cè)量，確定噴丸前4處孔相對(duì)于PC的位置1。

2)對(duì)零件背面進(jìn)行噴丸(不帶齒的面)。

3)計(jì)量零件4處孔坐標(biāo)點(diǎn),確定背面噴丸后4處孔相對(duì)于PC的位置；根據(jù)計(jì)量結(jié)果分析背面噴丸變形趨勢(shì)和變形量。

4)對(duì)零件齒正面進(jìn)行噴丸(帶齒的面)。

5)計(jì)量零件4處孔坐標(biāo)點(diǎn)，確定第1次正面噴丸后4處孔相對(duì)于PC的位置；根據(jù)計(jì)量結(jié)果分析正面噴丸變形趨勢(shì)和變形量。

6)第2次對(duì)零件齒正面噴丸(帶齒的面)。

7)計(jì)量零件4處孔坐標(biāo)點(diǎn)，確定第2次齒正面噴丸后4處孔相對(duì)于PC的位置；根據(jù)計(jì)量結(jié)果分析第2次齒正面噴丸變形趨勢(shì)和變形量。

8)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，制定后續(xù)零件噴丸控制方案。

上述試驗(yàn)中，齒背面與齒正面選用相同的噴丸強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

以齒條左端孔作為基準(zhǔn)孔(見(jiàn)圖5)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 齒條噴丸后測(cè)量的基準(zhǔn)零點(diǎn)

表1 試驗(yàn)件噴丸后測(cè)量結(jié)果 (mm)

從表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，噴丸后總體呈彎曲變形，齒條長(zhǎng)度方向X變化很小，齒條彎曲方向Y變化比較大；但齒條彎曲變形僅是第1次噴丸(齒背面)變形較大，第2次、第3次(齒正面)噴丸變形很小。噴丸試驗(yàn)進(jìn)行前，已經(jīng)分析了齒正面的噴丸變形可能比較小，但試驗(yàn)結(jié)果比預(yù)計(jì)的變形還小，初步分析原因如下：1)第1次是對(duì)齒背面噴丸，第2次、第3次對(duì)齒正面噴丸，噴丸先后順序可能對(duì)變形大小有一定影響，這個(gè)仍需試驗(yàn)驗(yàn)證；2)按照噴丸變形的機(jī)理分析，在材料和零件結(jié)構(gòu)確定的情況下，噴丸變形大小的最主要決定因素是噴丸強(qiáng)度，第3次噴丸強(qiáng)度與第2次一樣，當(dāng)?shù)?次噴丸強(qiáng)度達(dá)到飽和后，相同強(qiáng)度的第3次噴丸變形將很小。

為了能直觀清晰地表現(xiàn)噴丸前后的變化，本文將變化較小的X坐標(biāo)按沒(méi)有變化處理，因X、Y的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)值相對(duì)變形數(shù)值很大，按實(shí)際坐標(biāo)值形成曲線(xiàn)圖，基本看不出變形效果，因此將X和Y的數(shù)值進(jìn)行處理，但保留噴丸前后的Y坐標(biāo)點(diǎn)的變化量，這樣既可以形成比較明顯的噴丸變化曲線(xiàn)圖，又保留噴丸變化量的準(zhǔn)確值。處理后的噴丸變化曲線(xiàn)圖如圖6所示。

圖6 處理后的試驗(yàn)件噴丸變化曲線(xiàn)圖

從圖6可以看出，第1次噴丸后(齒背面)變形較大，噴丸前后曲線(xiàn)的弓高相差約0.16 mm，而第2次、第3次噴丸(齒正面)基本保留了第1次噴丸后的曲線(xiàn)形態(tài)，并沒(méi)有大的張開(kāi)變形(即弓高沒(méi)有降低)。

3 零件噴丸方案

3.1 方案分析

齒正面的噴丸是設(shè)計(jì)需求，其噴丸強(qiáng)度是圖樣

給定的，不能改變；但齒背面的噴丸并非設(shè)計(jì)必然需求，可作為按需進(jìn)行，同時(shí)其噴丸強(qiáng)度也可以變化。因此，齒背面噴丸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)合噴丸變形機(jī)理進(jìn)行分析的結(jié)果正是齒條零件噴丸變形控制的關(guān)鍵點(diǎn)。齒背面的噴丸參數(shù)可以作為一個(gè)可變量，這樣可以通過(guò)齒背面噴丸強(qiáng)度的調(diào)節(jié)來(lái)校正齒正面按圖樣規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行噴丸后產(chǎn)生的張開(kāi)變形，從而使最終噴丸后達(dá)到圖樣要求。因此，對(duì)于正式加工的齒條零件，應(yīng)先對(duì)齒正面噴丸，再根據(jù)齒正面噴丸的變形情況，調(diào)整齒背面的噴丸強(qiáng)度。正式零件進(jìn)行噴丸如圖7所示。

圖7 正式零件進(jìn)行噴丸

3.2 零件噴丸結(jié)果

對(duì)正式的5件齒條零件進(jìn)行了噴丸。先對(duì)2#和5#零件進(jìn)行了齒正面噴丸，噴丸結(jié)束后計(jì)量圓周上4處均布孔，結(jié)果顯示，2個(gè)零件齒正面噴丸后產(chǎn)生的張開(kāi)變形很一致，2個(gè)零件居中的兩孔位置張開(kāi)變形都在0.08～0.084 mm，波動(dòng)比較小。之后根據(jù)變形情況，調(diào)整對(duì)齒背面的噴丸強(qiáng)度，將噴丸的空氣壓力減小到齒正面噴丸空氣壓力的一半，即2 bar，將噴嘴移動(dòng)速度增加到齒正面噴丸時(shí)噴嘴速度的4倍，即40 mm/min，齒背面噴丸結(jié)束后計(jì)量，結(jié)果顯示，基本恢復(fù)到噴丸前的狀態(tài)。噴丸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 正式零件噴丸后測(cè)量結(jié)果 (mm)

為了直觀清晰地表現(xiàn)噴丸前后的變化，依舊將X和Y的數(shù)值進(jìn)行處理，但保留噴丸前后的Y坐標(biāo)點(diǎn)的變化量，形成的噴丸對(duì)比曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。

圖8 2#零件噴丸變化曲線(xiàn)圖

圖9 5#零件噴丸變化曲線(xiàn)圖

從圖8和圖9可以看出，齒正面噴丸后(第1次噴丸)，由噴丸前的曲線(xiàn)，張開(kāi)變形為噴丸后的曲線(xiàn)，2#和5#零件第1次噴丸前后曲線(xiàn)弓高差都達(dá)到0.09 mm；對(duì)齒背面噴丸結(jié)束后(第2次噴丸)形成的曲線(xiàn)基本恢復(fù)到噴丸前曲線(xiàn)的形態(tài)，第2次噴丸與噴丸前相比，2#零件曲線(xiàn)弓高差恢復(fù)到≤0.017 mm，5#零件曲線(xiàn)弓高差恢復(fù)到≤0.006 mm。之后對(duì)2#和5#零件的孔位置度、齒形、齒向、徑向跳動(dòng)、垂直度和平面度等進(jìn)行了計(jì)量，計(jì)量結(jié)果與噴丸前基本保持一致(差值≤0.01 mm)。通過(guò)對(duì)零件的驗(yàn)證，證實(shí)了該噴丸變形控制方案的可行性和準(zhǔn)確性。

4 本次技術(shù)攻關(guān)的基本流程

攻關(guān)基本流程圖如圖10所示。

圖10 攻關(guān)基本流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)齒條結(jié)構(gòu)分析和噴丸變形機(jī)理分析，制定了合理的試驗(yàn)方案，得到了準(zhǔn)確的齒條噴丸變形控制的方法，并通過(guò)正式零件得到充分驗(yàn)證。該研究成果可作為齒條類(lèi)零件噴丸變形控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行參考和借鑒。

[1] 黃建國(guó). 現(xiàn)代飛機(jī)前緣縫翼作動(dòng)裝置——齒輪-齒條的設(shè)計(jì)技巧[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2013，(2)：48-52.

[2] 王仁智. 金屬材料的噴丸強(qiáng)化與表面完整性論文集[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2011.

[3] 趙勇. A100鋼零件復(fù)合噴丸工藝及質(zhì)量控制研究[J].新技術(shù)新工藝，2015(5)：147-149.

責(zé)任編輯 鄭練

The Research on Control Peen Deformation of Sector Gear

WANG Yongpeng, LI Yufan, NAN Boru

(AVIC Qingan Group Co., Ltd., Xi’an 710077, China)

As a key part of gear structure moving and transferring, it is required high accuracy and high harden for the sector gear, and also require shot peening for the surface treatment. Sector gear as an arch structure part has a risk to be oversized after the shot peening operation. With the research and trials for transformation of shot peening control, find an accurate method to control the transformation. Parts can meet the design requirement using this method after the shot peening.

peening intensity, radius of curvature, chord D-value

V 261

A

王永鵬(1982-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事數(shù)控加工工藝及數(shù)字化制造等方面的研究。

2016-07-01