一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法及修复装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法及修复装置，将待修复齿轮通过夹具固定在运动平台上；利用三维形貌仪对待修复区域的几何形貌特征进行测量，并将采集到的信息输入综合控制与监控系统，通过数据库对比待修复齿轮的材料及力学特征，确定最佳激光冲击修复工艺参数；将最佳工艺参数导入脉冲激光发生器，激光发生器根据最佳工艺参数方案发出的激光，经过光路调控系统及光路系统导出激光束；同时，水约束层系统控制水喷嘴在齿面形成水约束层；激光作用于齿面上待修复区域，使齿轮产生所需的强化修复效果，达到修复齿面损伤的目的。本发明专利技术解决传统修复方式存在的工艺复杂、粗糙度大、耐磨性差且只能在齿轮产生明显缺陷或故障之后才能修复的问题。或故障之后才能修复的问题。或故障之后才能修复的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法及修复装置


[0001]本专利技术属于齿轮修复
，具体涉及一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法及修复装置。
[0002]
技术介绍

[0003]齿轮是最常用的机械零件之一，形状复杂，制造成本高。齿轮的工作状况一般为承载条件下连续运转，受脉动循环变应力，经过多次循环后，在节线附近靠近齿根一侧的表面上会产生若干微裂纹，若不加以抑制，则微裂纹继续扩展会导致表层剥落、磨损，影响齿轮传动平稳性，严重的扩展性点蚀甚至会导致齿轮在短时间内报废。所以，在初始微裂纹萌生阶段对齿面进行修复、抑制点蚀扩展意义重大。
[0004]常见的齿轮修复方法有喷丸、熔覆、堆焊。喷丸修复易伤害材料表面，增大表面粗糙度，且产生的残余应力层较浅。熔覆修复涂层与齿面的界面结合力较弱，且过程难以检测，具有不稳定性。堆焊工艺不适应于微裂纹的修复。
[0005]激光冲击强化技术是一种利用冲击波的力学效应对材料表面进行改性的技术。它是一种采用高功率短脉冲激光束与物质相互作用，产生强冲击波或应力波来改善材料性能的新技术，无需改变材料表面的化学成分而能有效提高材料表面机械性能，提高金属材料的强度、硬度、耐腐蚀性能和抗疲劳性，抑制闭合材料表面微裂纹。但是，目前还没有到具体将激光冲击强化技术运用于齿轮修复。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法及修复装置，以解决传统修复方式存在的工艺复杂、粗糙度大、耐磨性差且只能在齿轮产生明显缺陷或故障之后才能修复的问题。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术的实施例提供一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：将待修复齿轮通过夹具固定在运动平台上；利用三维形貌仪对待修复区域的几何形貌特征进行测量，并将采集到的信息输入综合控制与监控系统，通过数据库对比待修复齿轮的材料及力学特征，确定最佳激光冲击修复工艺参数；将最佳工艺参数导入脉冲激光发生器，激光发生器根据最佳工艺参数方案发出的激光，经过光路调控系统及光路系统导出激光束；同时，水约束层系统控制水喷嘴在齿面形成水约束层；激光作用于齿面上待修复区域，使齿轮产生所需的强化修复效果，达到修复齿面损伤的目的。
[0008]优选的，一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法，具体包括以下步骤：S1、清洗检验：将损伤齿轮浸于煤油或者柴油，用棉纱擦洗或用毛刷刷洗，清理齿面油污或金属屑，清洗完成后用抹布将表面残留煤油擦拭干净；S2、分析损伤特征：利用无损检测技术对损伤齿轮啮合齿面进行无损探伤，标定齿面微接触疲劳微缺陷，确定待修复区域；利用三维形貌仪对损伤区域的微观几何形貌进行
定量测量，具体包括微裂纹的形状和长度，微凹坑的大小和深度以及损伤区域表面粗糙度；利用压力法测定显微硬度；利用X射线应力测定仪测量表面残余应力，获取损伤区域的显微硬度和表面残余应力；S3、采用激光冲击强化技术修复：根据损伤区域的几何形貌特征和力学参数分析结果，对比数据库中已有的参数及修复案例选择最优参数组合；所述几何形貌特征包括损伤区域粗糙度、裂纹、凹坑；所述力学参数包括残余应力、硬度；S4、检验处理效果：对激光冲击强化修复区域的表面质量和力学性能进行测量并分析，利用三维形貌仪对修复区域的微观几何形貌进行定量测量，确定修复区域表面粗糙度；利用压力法测定显微硬度；采用X射线应力测定仪测量表面残余应力，获取修复区域的显微硬度和表面残余应力；S5、检验齿轮啮合效果：通过采集激光冲击修复后轮齿刚度、 基体刚度、 接触刚度的变化规律，分析修复后齿轮的时变啮合刚度，对比修复前后齿轮时变啮合刚度的变化，评估激光冲击修复的效果。
[0009]进一步的，所述步骤S3中的数据库是基于实验室数据和修复实例分析得到的，修复过程中的激光参数选择主要基于损伤面积，损伤深度及长度，通过损伤深度确定所需的激光能量，通过损伤长度及面积确定激光光斑直径。
[0010]进一步的，所述步骤S2中微接触疲劳磨损微缺陷可通过超声检测或射线检测。
[0011]进一步的，所述步骤S5中检验齿轮啮合效果可以通过传统检验方法进行检验，所述传统检验方法可采用分析性检验或功能性检验方式进行检验。
[0012]本专利技术的实施例还提供一种修复齿面微接触疲劳损伤的修复装置，其特征在于，包括综合控制与监控系统、高功率脉冲激光器、光路调控系统、光路系统、激光束、水约束层系统、水喷嘴、夹具、运动平台、运动控制系统、三维形貌仪；所述运动平台上安装有工作台，所述工作台上安装有夹具，所述夹具用于加持待修复齿轮工件，所述综合控制与监控系统的输出端电连接高功率脉冲激光器、水约束层系统、运动控制系统和三维形貌仪，所述高功率脉冲激光器发出的激光经过光路调控系统、光路系统导出激光束，所述激光束作用于待修复齿轮工件的待修复区域，所述水约束层系统控制水喷嘴，所述水喷嘴在待修复齿轮工件齿面形成水约束层；所述运动平台包括沿X、Y、Z轴方向移动的工作台以及固定待修复齿轮的夹具，所述运动控制系统控制激光头、运动平台沿着X、Y、Z轴方向移动，所述运动控制系统带动激光头、工作台产生运动并通过编制CNC程序，实现工件系统与激光束产生预设的相对运动。
[0013]本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：（1）本专利技术的一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法及装置，实现在齿轮啮合面微接触疲劳损伤初期即微裂纹萌生阶段抑制点蚀扩展并强化齿面综合力学性能，解决传统修复方式存在的工艺复杂、粗糙度大、耐磨性差且只能在齿轮产生明显缺陷或故障之后才能修复的问题。
[0014]（2）本专利技术针对微接触疲劳磨损特点，在微裂纹产生初期利用激光冲击强化技术消除表层残余拉应力，同时产生残余压应力和加工硬化现象，残余压应力可引起微裂纹的闭合效应，降低疲劳裂纹扩展速率，显著提高材料的抗疲劳性能，达到修复齿面微接触疲劳损伤的目的。随着激光冲击次数增加，轮齿表面形成的微凹坑深度随之增加，必然会造成表
面粗糙度增大，但激光冲击强化技术相对于传统表面改性技术例如喷丸以及其他齿轮修复技术例如堆焊而言，其对材料表面粗糙度的影响较小，能更好的保持冲击区域的粗糙度和尺寸精度，同时强化影响层较深，形成的残余应力场影响深度达2
㎜
，是传统喷丸加工的6倍，可以有效提升齿面抗疲劳性能。
[0015]附图说明
[0016]图1为本专利技术的一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法及修复装置中接触疲劳磨损示意图；其中，图1（a）为啮合初期齿轮接触面粗糙不平的示意图；图1（b）为收敛性点蚀受接触应力被逐渐磨平的示意图；图1（c）为齿面微缺陷（微裂纹、微凹坑）形成的示意图；图1（d）为微缺陷受润滑液楔挤作用剥落的示意图；图2为本专利技术的一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法中激光冲击强化技术原理图；图3 为本专利技术实施例中齿轮损伤区域修复前后内部晶粒的对比图，图3（a）为修复前损伤区域晶粒图；图3（b）为修复后损伤区域晶粒图；图4为本实施例一种修复齿面微接触疲劳损伤的修复装置的结构示意图。
[0017]附图标记说明：1、综合控制与监控系统；2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：将待修复齿轮通过夹具固定在运动平台上；利用三维形貌仪对待修复区域的几何形貌特征进行测量，并将采集到的信息输入综合控制与监控系统，通过数据库对比待修复齿轮的材料及力学特征，确定最佳激光冲击修复工艺参数；将最佳工艺参数导入脉冲激光发生器，激光发生器根据最佳工艺参数方案发出的激光，经过光路调控系统及光路系统导出激光束；同时，水约束层系统控制水喷嘴在齿面形成水约束层；激光作用于齿面上待修复区域，使齿轮产生所需的强化修复效果，达到修复齿面损伤的目的。2.根据权利要求1所述的一种修复齿面微接触疲劳损伤的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、清洗检验：将损伤齿轮浸于煤油或者柴油，用棉纱擦洗或用毛刷刷洗，清理齿面油污或金属屑，清洗完成后用抹布将表面残留煤油擦拭干净；S2、分析损伤特征：利用无损检测技术对损伤齿轮啮合齿面进行无损探伤，标定齿面微接触疲劳微缺陷，确定待修复区域；利用三维形貌仪对损伤区域的微观几何形貌进行定量测量，具体包括微裂纹的形状和长度，微凹坑的大小和深度以及损伤区域表面粗糙度；利用压力法测定显微硬度；利用X射线应力测定仪测量表面残余应力，获取损伤区域的显微硬度和表面残余应力；S3、采用激光冲击强化技术修复：根据损伤区域的几何形貌特征和力学参数分析结果，对比数据库中已有的参数及修复案例选择最优参数组合；所述几何形貌特征包括损伤区域粗糙度、裂纹、凹坑；所述力学参数包括残余应力、硬度；S4、检验处理效果：对激光冲击强化修复区域的表面质量和力学性能进行测量并分析，利用三维形貌仪对修复区域的微观几何形貌进行定量测量，确定修复区域表面粗糙度；利用压力法测定显微硬度；采用X射线应力测定仪测量表面残余应力，获取修复区域的显微硬度和表面残余应力；S5、检验齿轮啮合效果：通过采集激光冲击修复后...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏波泳，张城，徐硕，花国然，王恒，曹宇鹏，姚兴田，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：