专利名称：用于齿轮的喷丸处理方法和相关的齿轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷丸处理方法，用于在齿轮旋转的同时向齿轮的外表面进行喷丸，从而硬化其外表面。本发明还涉及采用这种喷丸处理的齿轮。
背景技术：
近年来，对诸如汽车发动机之间的机构存在着不断增长的小型化要求，促进了对小尺寸齿轮的需求。简单的尺寸缩小使齿轮不能承受诸如转矩这样的负载，因此作出许多尝试来改善齿轮的强度。作为诸多改善齿轮强度方法的一种，喷丸处理是众所周知的。喷丸处理通过使用抛丸机或喷管向工件的外表面喷射诸如铁球的弹丸，是使诸如齿轮的工件表面硬化的一种处理方法。
图7说明了使用喷管喷丸的一个例子。图7中，诸如铁球的弹丸101与齿轮100的外表面相碰撞。齿轮100设计成包括(1)齿顶面102；(2)齿根面103；(3)齿侧面104，每一齿侧面是由例如一条从每一齿根面103延伸至每一齿顶面102的渐开线曲线构成的；以及(4)齿顶倒角105，每一倒角均位于每一齿侧面104与每一齿顶面102之间。弹丸101从喷管106中射出。从喷管106射出的弹丸101的喷射方向107是与旋转的齿轮100的某一齿根面103大致垂直的。
然而，这样一种常规喷丸方法存在的问题是，由于在弹丸101碰撞时产生的冲击，会在齿轮100的轮齿顶部，尤其是在作为每一齿侧面104和每一齿顶倒角105的交线的每一脊线上产生塑性变形，而这种变形会导致在齿侧面104上形成小凸起108。凸起108会损伤与齿轮100相啮合的另一齿轮，从而导致齿轮的使用寿命缩短。另外，当齿轮相互啮合时，它们会因凸起108的存在而形成噪声。
本发明是为解决前述问题而完成的，因而本发明的目标之一是提供一种用于齿轮的喷丸方法，适于硬化齿轮表面而不会在其齿顶部形成凸起。本发明的另一目标是提供经这种喷丸方法硬化的高强度齿轮。
本发明的公开鉴于上述目的，本发明提供一种用于齿轮的喷丸方法，在旋转齿轮的同时向齿轮的外表面喷射弹丸，从而硬化其外表面；该齿轮包括齿顶面、齿根面、呈曲线状从每一齿根面延伸到每一齿顶面的齿侧面，以及位于每一齿顶面与每一齿侧面之间的齿顶倒角。这种方法包括(1)一个预喷丸步骤，用于喷射弹丸，使弹丸专门碰撞齿轮的齿顶部分；和(2)一个齿根面喷丸步骤，用于在预喷丸步骤之后，以大致垂直的方向，向某一齿根面上喷射弹丸，以便弹丸能碰撞整个齿轮。
在依据本发明的用于齿轮的喷丸方法中，“齿根面喷丸”用于以大致垂直于齿轮某一齿根面的方向喷丸，在此之前，先执行预喷丸，以使弹丸碰撞齿轮的齿顶部分而预先硬化齿顶部分。基于这样的安排，在齿根面喷丸步骤中，当弹丸碰撞齿顶时，在齿顶部不会产生凸起，从而可以保证更高程度的硬化。这样，本发明的喷丸方法解决了“一对啮合齿轮中另一齿轮使用寿命缩短”和“当齿轮相互啮合时产生噪声”的问题。
本发明的喷丸方法作了较好的安排，从而在横交齿轮轴线的平面中，预喷丸步骤的喷射目标是作为齿顶倒角线和齿侧面线交点的脊点，当从齿轮旋转方向观察该齿时，这些线位于齿的上游部分；并且预喷丸中的喷管轴线被安排在一条二等分了以脊点作为顶点的齿轮一角的内角度的二等分线与一条连接了脊点与脊点相对的另一齿的顶点的直线之间的区域。
通过调整前述预喷丸步骤的喷射方向，脊点邻近部分被硬化并被挤压成圆角或钝角形状，该脊点即倒角线与齿侧面线的交点，是凸起最易形成的地方。结果，齿面凸起的形成被有效抑制了。在这种情况下，如果喷丸喷射方向的轴线位于以脊点作为顶点的齿轮一角的内角度的二等分线之外，那么弹丸的撞击力会集中在相对于由齿顶倒角与齿侧面形成的脊线的齿侧面一边，从而增加了产生凸起形成的可能性。如果喷丸方向的轴线位于连接脊点和与脊点相对的另一齿的顶点的直线之外，此相对的齿会妨碍喷丸击中脊点。
另外，本发明的喷丸方法可这样安排，即在横交齿轮轴线的平面内，预喷丸步骤中的喷射目标是作为齿顶倒角线和齿侧面线交点的脊点，从齿轮旋转方向观察该齿时，这些线位于齿的下游部分；并且，
用于预喷丸的喷管轴线位于齿顶面线的延长线与下游部分齿顶倒角线的延长线下游部分之间的区域内。
在预喷丸步骤的喷射方向如前述安排的喷丸方法中，如果喷射方向的轴线超出位于相对于齿轮旋转方向的齿的下游部分的倒角线的延长线，弹丸会从侧面碰撞在倒角线相交于邻近倒角线的齿侧面线所在处的脊点，这些线位于相对于齿轮旋转方向的下游部分。这样就有可能导致在相对于脊点的齿侧面一边上形成凸起。如果喷射方向的轴线位于齿顶面线的延长线之外，喷丸击中脊点会受到妨碍，脊点是齿顶面线与齿下游部分的倒角线的交点。
依据本发明的一实施例，提供了一种齿轮，其外表面包括齿顶面、齿根面、从每一齿根面向每一齿顶面呈曲线状延伸的齿侧面和位于每一齿侧面和每一齿顶面之间的齿顶倒角；齿轮的外表面经喷丸处理用弹丸冲击，这种喷丸处理包括(1)一个预喷丸步骤，用于喷射弹丸，以便使弹丸专门碰撞齿轮的齿顶部分，和(2)一个齿根面喷丸步骤，用于在预喷丸步骤之后，以大致垂直的方向，向某一齿根面上喷射弹丸，以便弹丸能碰撞整个齿轮。
依据本发明的齿轮是经过喷丸处理的，其中在用于以大致垂直于齿轮某一齿根面的方向喷射弹丸的“齿根面喷丸”之前完成予喷丸，以使弹丸碰撞齿轮的齿顶部而预先硬化齿顶部，以致在齿轮齿顶不会有凸起。
可取的是，依据本发明的齿轮所经过的喷丸处理的安排是，在横交齿轮轴线的平面内，预喷丸步骤的喷射目标是脊点，也就是齿顶倒角线与齿侧面线的交点，当从齿轮旋转方向观察时，这些线处于齿的上游部分；并且预喷丸步骤中的喷管轴线被安置在一条二等分了以脊点作为顶点的齿轮一角的内角度的二等分线与一条连接脊点和与脊点相对的另一齿的顶点的直线之间的区域内。
另外，依据本发明的齿轮所经过的喷丸处理可以这样安排，即在横交齿轮轴线的平面内，预喷丸步骤的喷射目标是脊点，它是齿顶倒角线和齿侧面线的交汇点；当从齿轮旋转方向观察时，这些线处于齿的下游部分。并且预喷丸喷管的轴线位于下游部分齿顶面线的延长线与齿顶倒角线的延长线之间的区域中。
依据本发明的另一实施例，提供了一种齿轮，其外表面由齿顶面、齿根面、从每一齿根面向每一齿顶面沿曲线延伸的齿侧面和各自位于每一齿侧面和每一齿顶面之间的齿顶倒角，齿轮外表面经过喷丸处理中弹丸的冲击，其中用于大致上垂直于某一齿根面而从事喷丸的齿根面弹丸的弧高是0.6mmA或更大，并且在每一齿侧面和每一齿顶倒角的每一脊线上产生的凸起的凸起量为5微米或更少。
依据本发明，在每一齿侧面和每一齿顶倒角形成的每一脊线上产生的凸起的凸起量设定为5u或更少，这是出于齿表面粗糙度的考虑而要求的允许量级。本发明所采用的弧高设定为0.6mmA或更大，这使得可能用“硬喷丸”来提供较高的压缩残余应力，从而取得高强度。因此，依据本发明的齿轮是在强度和精度两方面都令人满意的产品。
本发明的其它目的将在后述的详细描述中显示出来。不过，当指明本发明的各项优选实施例时应当理解，这些详细描述和具体例子仅作为例证给出，因为，从这些详细的描述中，在本发明的精神和范围内的各种改动和修改对于本技术领域内的专业人员是显而易见的，附图的简要说明
图1至6与依据本发明的一项优选实施例的用于齿轮的喷丸方法相关。
图1是表明根据该实施例的预喷丸步骤的局部侧视图。
图2是表明根据该实施例的另一预喷丸步骤的局部侧视图。
图3是表明根据该实施例的齿根喷丸步骤的局部侧视图。
图4是表明根据该实施例实现齿轮喷丸方法的一种安排的示意简图。
图5(a)和5(b)是显示依据该实施例喷丸方法所作测试结果的曲线图。
图6是依据该实施例的喷丸方法硬化后的齿轮的透视图。
图7用图示方法说明了采用前述技术方案存在的问题。
实施本发明的最佳模式参考这些附图，用于齿轮的喷丸方法和相关的齿轮将依据本发明的各项优选实施例来描述。
图1是表明依据本发明的一个实施例的预喷丸步骤的局部侧视图。
依据该实施例的齿轮外表面具有齿顶面1、齿根面2，左渐开线表面4a、右渐开线表面4b和齿顶倒角5a、5b。在齿3A中，左右渐开线表面4a、4b分别从齿根面2沿曲线延伸至齿顶面1，形成了齿3A的侧面，并且齿顶面倒角5a、5b分别位于左和右渐开线表面4a、4b与齿顶面1之间。在图1所示的实施例中，一个压缩空气喷管7设置得以使弹丸(在本实施例中是铁球)喷射到一个由左渐开线表面4a和齿顶倒角5a形成的脊线上(为简单起见，这条脊线此后称为“脊点6a”，脊点存在于齿廓面内，即一个垂直横交齿轮轴线的平面上)。更为具体地说，压缩空气喷管7安排得以便从压缩空气喷管7中喷出的铁球的轴线8会经过脊点6a。
压缩空气喷管的轴线8位于一条二等分了以脊点6a作为顶点的齿轮一角的内角度的二等分线9与一条连接脊点6a和与脊点6a相对的齿3B的顶点的直线10之间。图1所示的齿轮逆时针旋转，因此脊点6a、齿顶倒角5a和渐开线表面4a是朝着喷管7的方向运动的。应当指出的是，图1描述了齿轮的一个瞬间状态。这样，从压缩空气喷管喷出的铁球与脊点6a及其附近区域也就是与齿3A的顶部相碰撞，从而使齿顶得到硬化。相对于脊点6a的渐开线表面4a一侧的区域，也就是图7的先前技术中所说明的凸起108容易形成的地方，被压缩成圆弧或钝角形状。结果，在后文将要描述的齿根面喷丸处理期间，在相对于脊点6a的渐开线表面4a一侧的区域内没有凸起形成。
如果压缩空气喷管7的轴线被安排在直线10以外(即位于图1所示直线10的下方)，齿3B将会妨碍弹丸击中脊点6a。另一方面，如果压缩空气喷管7的轴线8被安排在二等分线9之外(即位于图1所示二等分线9的上方)，凸起就可能在相对于脊点6a的渐开线表面4a一侧的区域内形成。
更为可取地，如图1所示，在齿轮逆时针旋转并且齿顶已硬化后，齿轮就倒转过来在相反的一侧进行同样的预喷丸处理，从而使齿3A的左右两侧能被对称地硬化，并且一致地在强度上得到改善。
图2显示压缩空气喷管7喷射方向的另一实施例。压缩空气喷管7的轴线8经过作为齿顶面1和右齿顶倒角5b交点的脊点11，就齿轮旋转方向而言，右齿顶倒角5b位于左齿顶倒角5b的下游。轴线8设在齿顶面1延长线12与右倒角5b延长线13之间的区域内。应当理解的是，图2也是描述了齿轮的一个瞬间状态，并且实际上铁球碰撞齿3A的整个部分。
如果压缩空气喷管7的轴线8设在延长线12之外(即位于图2所示延长线12之下)，以脊点11作为喷射目标的喷射将受到阻碍。另一方面，如果压缩气体喷管7的轴线8设在延长线13之外(即位于图2所示延长线13之上)，凸起就可能在相对于脊点6b的渐开线表面4b一侧的区域内产生，脊点6b是右齿顶倒角5b与右渐开线表面4b的交点。
同样，在本实施例中，当齿轮如图2所示按逆时针旋转并且齿顶已经硬化时，齿轮就倒转过来在相反的一侧进行同样的预喷丸处理，从而使齿3A的左右两侧能被对称地硬化，并且一致地在强度上得到改善。
在如图1和2所示的用于硬化齿轮齿顶的预喷丸已经进行之后，压缩空气喷管7′被安排成其轴线8′与齿底面2相垂直，以便进行“齿根面喷丸”。齿轮在齿根面喷丸过程中是旋转的，从而使铁球与所有部分相碰撞，即齿根面2、渐开线表面4a，4b、齿顶倒角5a，5b和齿顶面1，进而使齿轮被整个地硬化了。因为齿顶面已被前述的预喷丸硬化了，所以，在齿根面喷丸过程中齿顶面没有凸起形成。
图4说明了齿轮与压缩空气喷管7，7′之间的位置关系。例如，齿轮的直径是105.88mm，由压缩空气喷管7喷出铁球20的宽度是20mm(从喷射区域左端21到右端22之间的距离)。压缩空气喷管7的位置安排得以便喷射区域的左端21接触齿轮径向线段24的前端，而径向线段24相对于齿轮径向线段23成34度角，线段23则与压缩空气喷管7的轴线8成直角。结果，压缩空气喷管7的轴线8与齿轮中心之间的距离为59mm。压缩空气喷管7相对于齿轮的位置安排得以便进行图2所述的预喷丸过程。
在图4中，所设计的用来进行齿根面喷丸的压缩空气喷管7′与前述压缩空气喷管7在尺寸上是相同的，并与压缩空气喷管7成平行布置。用于齿根面喷丸的压缩空气喷管7′的轴线8′经过齿轮的中心25，并且压缩空气喷管7′的轴线8′与压缩空气喷管7轴线8之间的距离为59mm。
参照图5和6，描述了一个采用图4所示的系统把喷丸应用于齿轮的例子。该齿轮是一个直齿圆柱齿轮(模数＝3.0；压力角＝20度；齿数＝33；材质＝SNCM220H；经过热处理、碳氮共渗和淬火加回火)，其直径为105.88mm。预喷丸和齿根面喷丸都采用压缩空气喷管7和7′而施用于图6所示的齿轮上半部，仅齿根面喷丸采用压缩空气喷管7′而施用于齿轮的下半部。喷丸是在弧高(这是一个指示喷射力量的指标)变化并采用同一弧高进行10次的情况下进行的。
表1依次说明了在这个齿轮的上半部和下半部上所进行的各试验步骤。
上半部下半部
在本测试中，预喷丸采用压力为2kg/cm2，并采用铁球作为弹丸。预喷丸的目的是均匀地硬化整个齿顶部。在预喷丸中没有特别的要求，但建议进行预喷丸的弧高不超过齿根面喷丸的弧高，以免损害齿侧面的表面粗糙度。为了比较，图5(a)和5(b)显示了采用预喷丸和没有采用预喷丸两种情况的测试结果。图5(a)所示的曲线图显示了弧高、齿顶的最大凸起量与压缩残余应力之间的关系。而图5(b)所示的曲线图则显示了弧高与齿顶平均凸起量之间的关系。
图5已经清楚表明在没有进行预喷丸的情况，当弧高增加时，压缩残余应力随着齿顶凸起量和强度的增加以及齿侧面的精度的降低而增加。同样可以理解的是，尽管弧高增加了，但齿顶最大凸起量和齿顶平均凸起量均由于采用预喷丸而被抑制了。
在齿顶处允许的凸起量大约是5μ，它是在考虑到表面粗糙度的情况下获得的。就这个允许的凸起量而言，可以认为在弧高小于0.6mmA时，即使不采用预喷丸，实际上也不会产生问题。然而，压缩应力为100kg/mm2或更高(在图5中表示为负值)在强化喷丸也就是把较高的压缩残余应力施加于齿轮以使其获得高强度的情况下是需要的。把压缩应力转换为弧高，0.6mmA或更高是必需的。这说明在采用0.6mmA或更高的弧高生产高强度齿轮时，齿顶的凸起量为5μ或更多，因此，应用依据本实例的预喷丸处理是必须的。理论上，预喷丸在弧高超过1.0mmA时是有益的，但实际上，通常都使用弧高不超过1.0mmA的喷丸方法，这样使得残余应力是饱和的。
前述的实施例除了用于预喷丸的压缩空气喷管7之外，还采用了用于齿根面喷丸的压缩空气喷管7′。然而，用于预喷丸的压缩空气喷管7可通过改变其压缩空气喷管7的安装角度而被同样地用于在一种喷丸系统中的齿根面喷丸。在预喷丸中，当齿轮被倒转过来以便一致地硬化前述实施例中的齿轮左右两侧时，可以安排两个压缩空气喷管7，其中之一用于对齿轮的左侧表面进行喷丸，另一个则用于对同一齿轮的右侧表面进行喷丸。通过调整一个喷管的喷射方向，可使预喷丸从左右两侧进行。
在用铁球作为前述实施例的弹丸的同时，玻璃细珠、氧化铝质球或超硬球都可替代铁球使用。在预喷丸中，对于弹丸的尺寸没有限制，但通常使用直径为1.2mm或更小的弹丸。
在前述实施例中，齿的两侧轮廓是渐开曲线，但侧面形状并不特别限定为这种形状，可以采用各种诸如摆线曲线和直线的形状。
显然，这里所描述的发明，可有各种形式的变化。这些变化形式不应被认为是对本发明的精神和范围的偏离，而且对于本技术领域的专业人员而言是显而易见的所有修改都将被认为是包含在后述的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种齿轮喷丸方法，用于在齿轮旋转的同时对齿轮外表面进行喷丸处理以硬化其外表面，该齿轮包括齿顶面，齿根面，从每一齿根面沿曲线延伸至每一齿顶面的齿侧面，以及位于每一齿侧面和每一齿顶面之间的齿顶倒角；该方法包括(1)一个预喷丸步骤，用于喷射弹丸，并使弹丸专门碰撞齿轮齿顶部；以及(2)一个齿根面喷丸步骤，在预喷丸步骤之后，以大致垂直的方向向齿根面喷射弹丸，以便弹丸碰撞整个齿轮。
2.如权利要求1所述的喷丸方法，其中在横交齿轮轴线的平面内，预喷丸步骤的喷射目标是作为齿顶倒角线和齿侧面线的交点的脊点，当从齿轮旋转方向上观察该齿时，所述这些线均位于该齿的上游部分，并且其中用于预喷丸的喷管轴线位于一条二等分了以脊点作为顶点的齿轮一角的内部角度的二等分线与一条连接所述脊点和与该脊点相对的另一齿顶点的直线之间的区域内。
3.如权利要求1所述的喷丸方法，其中在横交齿轮轴线的平面内，预喷丸步骤的喷射目标是作为齿顶倒角线和齿侧面线的交点的脊点，当从齿轮旋转方向上观察该齿时，所述这些线均位于该齿的下游部分，并且其中用于预喷丸的喷管轴线位于下游部分齿顶面延长线和齿顶倒角线延长线之间的区域内。
4.一种齿轮，其外表面包括齿顶面、齿根面、从每一齿根面沿曲线延伸至每一齿顶面的每一齿侧面和分别位于每一齿侧面与每一齿顶面之间的每一齿顶倒角，该齿轮的外表面经过喷丸处理弹丸的冲击，该喷丸处理包括(1)一个预喷丸步骤，用于喷射弹丸，并使弹丸专门碰撞齿轮齿的顶部；以及(2)一个齿根喷丸步骤，在预喷丸步骤之后，以大致垂直的方向向齿根面喷射弹丸，以便弹丸碰撞整个齿轮。
5.如权利要求4所述的齿轮，其中在横交齿轮轴线的平面内，预喷丸步骤的喷射目标是作为齿顶倒角线与齿侧面线的交点的脊点，当从齿轮旋转方向上观察该齿时，所述这些线均位于该齿的上游部分，并且其中用于预喷丸的喷管轴线位于一条二等分了以脊点作为顶点的齿轮一角的内角度的二等分线与一条连接所述脊点和与该脊点相对的另一齿顶点的直线之间的区域内。
6.如权利要求4所述的齿轮，其中在横交齿轮轴线的平面内，预喷丸步骤的喷射目标是作为齿顶倒角线和齿侧面线的交点的脊点，当从齿轮旋转方向上观察该齿时，所述这些线均位于该齿的下游部分，并且其中用于预喷丸的喷管轴线位于下游部分齿顶面延长线和齿顶倒角线延长线之间的区域内。
7.一种齿轮，其外表面包括齿顶面、齿根面、从每一齿根面沿曲线延伸至每一齿顶面的每一齿侧面和分别位于每一齿侧面与每一齿顶面之间的齿顶倒角，该齿轮的外表面经过喷丸处理弹丸的冲击，其中用于大致垂直于某个齿根面的方向向齿根面喷射弹丸的齿根喷丸所采用的弧高为0.6mmA或更大，并且在每一齿侧面和每一齿顶倒角的每一脊线上产生的凸起的凸起量为5μ或更少。
全文摘要
一种用于齿轮的喷丸处理方法,适用于硬化齿轮而不会在齿顶部产生凸起,并且提供经这种喷丸方法处理过的没有凸起的齿轮。在用压缩空气喷管仅对齿顶部进行喷丸而硬化齿轮齿顶的预喷丸完成以后,再进行用压缩空气喷管以大致垂直的方向向齿根面喷射弹丸的齿根面喷丸,从而硬化整个齿轮。
文档编号C21D7/00GK1190918SQ96195506
公开日1998年8月19日 申请日期1996年7月10日 优先权日1995年7月13日
发明者浜坂直治, 中尾力, 久世隆 申请人:株式会社小松制作所