专利名称：一种提高机械零件表面承载能力的方法
技术领域：
本发明涉及一种机械零件表面加工方法，特别是一种提高机械零件表面 承载能力的方法。
技术背景现代机械零件倾向于在越来越重的载荷、更高的运动速度和更高的温度 下工作，而机械零件尺寸又呈不断减小的趋势。这对机械零件表面承载能力 提出了越来越高的要求。目前，人们正不断地寻求提高机械零件表面承载能 力的办法。获得新的有效的机械零件表面承载能力提高技术对于开发先进机 械零件具有重要意义。概括起来，当前常用的比较成熟的提高机械零件表面 承载能力的技术有以下几种1、 使用较好的材料。这种方法是采用具有较高力学性能如强度和冲击韧性等的材料来制造机 械零件，进而提高机械零件表面的承载能力。比如，在齿轮设计中就是这样， 常常采用合金钢等较好材料来制造重载、高速工况下工作的齿轮。通常，这 种方法结合表面热处理技术进行才能达到目的。显然，这种方法需耗费大量 贵重金属，不省材，损耗资源，成本高。其缺陷明显。2、 表面热处理技术。表面热处理技术是提高机械零件表面强度和承载能力的常用方法之一。它是通过提高机械零件表面硬度来实现的。常见的提高表面硬度的热处理方 法有表面淬火、表面渗碳淬火、表面碳氮共渗淬火等。这种方法须在较好的 选材基础上进行才能收到效果。而且它需要配套的昂贵热处理设备，并占用 大的厂房空间。另一方面，表面淬火工艺不容易控制，对工人技术要求高。 而且这种方法容易产生表面缺陷如表面应力集中、表面裂纹等，所达到的表 面硬度值受到限制。因此，它提高表面承载能力的潜力受到限制，还会因表 面缺陷的产生而不能有效提高表面承载能力。它还需要机械零件表面具有高 的光洁度。故它具有成本较高、提高表面承载能力受限制的缺陷。 3、表面涂层技术。这种技术是在机械零件表面涂敷一薄层材料并结合表面处理技术来提高 机械零件表面的强度、硬度、低摩、耐磨等力学性能，进而提高机械零件表 面承载能力。表面渗碳淬火和表面碳氮共渗淬火也可看作属于这种技术。表 面涂层可以是化学涂层，也可以是物理涂层。前者通过化学反应形成表面涂 层，后者通过物理吸附形成表面涂层。这种技术许可机械零件基体材料差些， 发挥表面涂层材料的力学性能。但它需要相关的涂敷设备，需要好的涂层材 料，表面涂层会因粘结强度不足而脱落，而且表面涂层承载能力受表面涂层 力学性能及其应力状况限制。因此，这种技术的成本常常较高，表面承载能 力的提高受到限制。其缺陷显然。发明内容本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的、通 过设计并制造出特定的表面形貌来提高机械零件表面承载能力的方法。本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种提高机械零件表面承载能力的方法，其特点是，其步骤如下(1) 制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表 面，去除油污和杂质；(2) 制作加工模板，所述的模板为表面上具有周期分布的脊的带脊模板，该 脊在模板表面上的分布呈一维分布；所述的脊为等腰三角形的脊，它由 b、 h、 e三个参数确定，e的值为20。 一40° ，优选25° —30° ， b、 h、e满足以下关系(2 h ctge+b) N=L h ctge=b/2射b为模板表面上相邻脊在一维分布方向上在模板表面上的距离； h为模板表面上脊的高度；^为模板表面上脊的两侧边与模板表面间的夹角； L为机械零件表面总宽度；N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数； 再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机 械零件表面产生一定量的塑性压縮变形，并使模板表面上的"脊"压入机 械零件表面，使机械零件表面得到所需要的由上述三个参数b、 h、 S确定 的表面形貌即可；在此过程中，注意控制模板的压入量，得到所需要的上 述三个表面形貌参数值即可，不可过度压縮机械零件表面。 或者，(2)制作加工模板，所述的模板为表面平整的简易模板；再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机械零件表面产生 一定量的塑性压縮变形，即使机械零件表面的粗糙体产生塑性变形，从而使机械零件表面得到由b'、 L、 N三个参数确定的表面形貌，且b'、 L、N三个参数满足以下关系b' = L/2N其中b'为变形后粗糙体即处理后粗糙体的顶部宽度； L为机械零件表面总宽度；N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数； (3)对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。这不仅使 加工出的机械零件表面形貌具有更好的保持能力，还可使机械零件表面 具有更好的力学性能。 本发明采用设计一定的机械零件表面形貌来提高机械零件表面承载能 力，与现有技术中所述的表面技术不同，它不从提高表面材料力学性能入手， 而是通过设计并制造出特定的表面形貌来提高表面承载能力。本发明中带脊模板根据被处理机械零件的表面情况来制作。考虑机械零 件表面的粗糙体顶部承载效应和粗糙体间谷部的贮油和润滑效应，取机械零件表面上粗糙体顶部的宽度b等于粗糙体间谷部的宽度2化*Ctge (见图6)，所以有h ctge=b/2 (2 h ctge+b) N=L 在本发明中，当选用带脊模板进行加工来制造机械零件表面形貌时，需控制b、 h和S这三个参数值其中，模板表面上相邻脊在一维分布方向上在模板表面上的距离b值可 使机械零件工作时其工作表面处于弹性变形范围内，避免工作表面塑性变形 的发生或大的弹性变形，从而保持工作下机械零件的精度并提高工作表面的接触刚度。另一方面，b值可显著地减小工作下机械零件表面的接触温升，从而避免由接触表面温升引起的接触表面润滑和胶合等失效。这样就可显著增大机械零件表面承载能力。参数b主要用于承载，可有效地减小承载下机械零件表面的变形，使机械零件表面工作在弹性变形范围内，不仅保证机械零 件表面接触刚度，还能保证机械零件的精度。这容易由弹塑性接触力学证明。 由接触力学知， 一定的承载下，只要使接触表面的接触宽度足够大，就可使 接触变形为弹性变形。我们知道，相对于塑性变形，弹性变形为小变形。因 此， 一定承载下，设计出足够大的b值用于承载，可使机械零件接触表面工 作在弹性变形条件下并能控制其弹性变形量，这样就能保证机械零件表面接 触刚度，维持工作中机械零件精度。接触力学知识表明，在相同的弹性压縮变形下，接触表面承载能力随着承载接触区宽度b的增大而迅速增大；增大b 值对于提高接触区的承载能力效果非常显著。另一方面，由机械零件表面接 触温升知识可知，当接触区工作在弹性变形条件下时，在同样的承载和接触 表面摩擦系数条件下，接触区温升随着接触区宽度b值的增大而显著减小。 我们知道，机械零件工作中，机械零件工作表面过高温升可导致机械零件表 面甚至基体材料软化乃至机械零件表面胶合发生而使机械零件表面失效；接 触表面温升是限制机械零件表面承载能力的重要原因。因此，从降低接触表 面温升角度考虑，增大接触区宽度b值也可有效增大接触区承载能力。综合以上两种因素，增大b值能显著增大机械零件表面承载能力。机械零件工作时其工作表面常处于润滑状态，设计并制造出S的最优值可 使机械零件工作表面处于最佳润滑状态，从而在保证机械零件表面承载能力 条件下有效地降低表面摩擦系数和减小表面温升，同时有效地提高机械零件 工作表面的耐磨损能力。这样，可有效地保证机械零件表面工作性能，从而 提高机械零件表面承载能力。过大或过小的W直均不能使表面的润滑效应和承 载能力达到最佳状态。此最优W直对于降低机械零件表面温升、减小机械零件 表面工作能耗和优化机械零件表面工作性能也很重要。设计并制造出一定的h值不仅可保证机械零件表面润滑能力，还能保证 机械零件表面接触刚度并充分发挥粗糙体顶部的承载作用。保持适当的h值 是必要的。过小的h值会使机械零件表面润滑区域过小而使机械零件表面润 滑效应变差；过大的h值会使机械零件表面的润滑区域过大而使粗糙体顶部 承载区域过小，不能显著提高机械零件表面接触刚度和承载能力。因此，带脊模板可以很好地控制并得到机械零件表面形貌参数值。 当对需要处理的机械零件表面承载能力要求相对较低时，可以采用本发 明中所述的简易模板进行机械零件表面加工，在简易模板和机械零件表面间 施加压力，使机械零件表面产生一定量的塑性压縮变形，即使机械零件表面的粗糙体产生塑性变形，从而使机械零件表面得到由b'、 L、 N三个参数确定的表面形貌。根据现有机械零件表面的制造工艺和加工出来的机械零件表面 形貌，这种简易的机械零件表面处理方法实际上也能取得较满意的处理效果， 而且其处理成本较低。本发明所述的机械零件表面的粗糙体使机械零件表面具有一定粗糙度，粗糙度值视机械零件表面功能而定，由机械零件设计者确定，粗糙度值通常 在0.4—32微米之间。本发明是从新的角度采用设计特定表面形貌的方法来提高机械零件表面 的承载能力，这种方法具有显著的效果。与原有技术相比，它具有以下优点: 可大幅度地提高机械零件表面弹性接触刚度、减小工作中机械零件表面接触 变形和降低机械零件表面接触温升，机械零件表面承载能力相应地得到显著 提高。而且釆用本发明方法设计出的机械零件表面具有存油作用，这样可使 机械零件表面具有较好的润滑效应，使机械零件表面摩擦系数减低、温升减 小、能耗降低，使机械零件表面耐磨能力提高，这样机械零件表面承载能力 可进一步得到提高。本发明方法简单，提高机械零件表面承载能力的效果显 著、潜力很大，技术性能好。生产效率高；工艺参数容易控制和实现，技术容易实施。所需设备简单，操作简单，成本低。应用场合广泛，适用于各种 金属和宽广的机械零件工况。
图l为带脊模板的一维表面形状图。图2为采用带脊模板制造的机械零件表面一维形貌图。图3为两种粗糙体弹性压縮量c下单个粗糙体顶部承受的无量纲载荷W 与单个粗糙体顶部无量纲宽度B的关系图。图4为单个粗糙体顶部无量纲弹性接触刚度绝对值S与单个粗糙体顶部 无量纲宽度B的关系图。图5为粗糙体处于弹性接触时同样承载下粗糙体顶部宽度对于粗糙体顶 部温升的影响图。图6为机械零件表面形貌的关键参数控制图。图7为简易模板的表面形状图。
具体实施方式
实施例l。参照图l-2。 一种提高机械零件表面承载能力的方法，其步骤如下(1) 制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表 面，去除油污和杂质；(2) 制作加工模板，所述的模板为表面上具有周期分布的脊的带脊模板，该 脊在模板表面上的分布呈一维分布；所述的脊为等腰三角形的脊，它由 b、 h、 e三个参数确定，^的值为20。 ， b、 h、 ^满足以下关系(2 h ctge+b) N=L h*ctge=b/2射b为模板表面上相邻脊在一维分布方向上在模板表面上的距离； h为模板表面上脊的高度；^为模板表面上脊的两侧边与模板表面间的夹角； L为机械零件表面总宽度；N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数； 再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机 械零件表面产生一定量的塑性压縮变形，并使模板表面上的"脊"压入机 械零件表面，使机械零件表面得到所需要的由上述三个参数b、 h、 S确定 的表面形貌即可；(3)对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。实施例2。参照图l-2。 一种提高机械零件表面承载能力的方法，其步骤 如下(1) 制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表面，去除油污和杂质；(2) 制作加工模板，所述的模板为表面上具有周期分布的脊的带脊模板，该 脊在模板表面上的分布呈一维分布；所述的脊为等腰三角形的脊，它由 b、 h、 e三个参数确定，e的值为40。
， b、 h、 ^满足以下关系(2 h ctge+b) N=L h ctge=b/2其中b为模板表面上相邻脊在一维分布方向上在模板表面上的距离； h为模板表面上脊的高度；^为模板表面上脊的两侧边与模板表面间的夹角； L为机械零件表面总宽度；N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数； 再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机 械零件表面产生一定量的塑性压縮变形，并使模板表面上的"脊"压入机 械零件表面，使机械零件表面得到所需要的由上述三个参数b、 h、 S确定 的表面形貌即可；(3) 对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。 实施例3。参照图l-2。 一种提高机械零件表面承载能力的方法，其步骤如下
(1) 制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表 面，去除油污和杂质；
(2) 制作加工模板，所述的模板为表面上具有周期分布的脊的带脊模板，该 脊在模板表面上的分布呈一维分布；所述的脊为等腰三角形的脊，它由 b、 h、 e三个参数确定，S的值为30。
， b、 h、 e满足以下关系
(2 h ctge+b) N=L h ctge=b/2
射
b为模板表面上相邻脊在一维分布方向上在模板表面上的距离；
h为模板表面上脊的高度；
^为模板表面上脊的两侧边与模板表面间的夹角； L为机械零件表面总宽度；
N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数； 再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机 械零件表面产生一定量的塑性压縮变形，并使模板表面上的"脊"压入机 械零件表面，使机械零件表面得到所需要的由上述三个参数b、 h、 0确定 的表面形貌即可；
(3) 对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。 实施例4。参照图l-5。 一种提高机械零件表面承载能力的方法，其步骤
如下
(1)制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表面，去除油污和杂质；
(2) 制作加工模板，所述的模板为表面上具有周期分布的脊的带脊模板，该 脊在模板表面上的分布呈一维分布；所述的脊为等腰三角形的脊，它由 b、 h、 e三个参数确定，0的值为25。
， b、 h、 e满足以下关系<formula>formula see original document page 14</formula>
g巾-
b为模板表面上相邻脊在一维分布方向上在模板表面上的距离；
h为模板表面上脊的高度；
0为模板表面上脊的两侧边与模板表面间的夹角；
L为机械零件表面总宽度；
N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数；
再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机 械零件表面产生一定量的塑性压縮变形，并使模板表面上的"脊"压入机 械零件表面，使机械零件表面得到所需要的由上述三个参数b、 h、 e确定
的表面形貌即可；
(3) 对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。
以下是发明人所做的使用本实施例技术进行的两钢制平板接触试验结果。
其中一块平板表面具有很高的硬度，且抛光得非常平整，如镜面。另一
块平板采用本技术进行表面形貌制造。分别采用四种b值制出四种表面形貌。
将这些加工好表面形貌的平板与镜面平板分别进行加载和相对滑动接触试验。
图3给出在两种粗糙体弹性压縮量C下测得的单个粗糙体顶部承受的无 量纲载荷W与单个粗糙体顶部无量纲宽度B的关系。从图中可见，在相同的 弹性压縮量C下，粗糙体顶部承受的载荷随粗糙体顶部宽度的增大而迅速增 大。
图4给出单个粗糙体顶部无量纲弹性接触刚度绝对值S与单个粗糙体顶 部无量纲宽度B的关系。从图中可见，S值随B值的增大而近似呈线性迅速 增大。对于足够大的B值，S值可达到很大。因此，增大粗糙体顶部宽度可 迅速增大粗糙体弹性接触刚度，进而迅速增大两接触表面间的弹性接触刚度。 采用适当的粗糙体顶部宽度后，两平板间的弹性接触刚度可达到很大的值。 这常常是机械零件在工作中所希望具有的表面特性。
图5给出当粗糙体处于弹性接触时同样承载下粗糙体顶部无量纲宽度B 对于粗糙体顶部温升的影响。从图中可见，在同样承载下，粗糙体顶部宽度 的增大可显著减小粗糙体顶部的温升即接触表面的温升；在大的粗糙体顶部 宽度下接触表面温升的降低非常显著(可达60~80%)。这对于高速重载工况 下提高机械零件表面的抗胶合能力和抗其它温升失效能力是非常重要的。显 然，由于降低接触表面温升的作用，增大粗糙体顶部宽度也可显著提高接触 表面承载能力。
从图3-5看出，本表面形貌技术对于提高高速重载工况下机械零件表面的 工作性能具有尤其重要的意义。它能极大地增大机械零件表面的弹性接触刚 度，减小机械零件表面变形，大大地减小机械零件表面的接触温升，从而显 著地增大机械零件表面的承载能力。实施例5。参照图7。
一种提高机械零件表面承载能力的方法，其步骤如
卩
(1) 制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表 面，去除油污和杂质；
(2) 制作加工模板，所述的模板为表面平整的简易模板；再将模板扣在机械 零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机械零件表面产生 一定量的塑性压縮变形，即使机械零件表面的粗槌体产生塑性变形，从 而使机械零件表面得到由b，、 L、 N三个参数确定的表面形貌，且b，、 L、 N三个参数满足以下关系
b' = L/2N
射
b'为变形后粗糙体即处理后粗糙体的顶部宽度； L为机械零件表面总宽度；
N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数；
(3) 对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。
权利要求
1、一种提高机械零件表面承载能力的方法，其特征在于，其步骤如下(1)制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表面，去除油污和杂质；(2)制作加工模板，所述的模板为表面上具有周期分布的脊的带脊模板，该脊在模板表面上的分布呈一维分布；所述的脊为等腰三角形的脊，它由b、h、θ三个参数确定，θ的值为20°-40°，b、h、θ满足以下关系(2·h·ctgθ+b)·N＝Lh·ctgθ＝b/2其中b为模板表面上相邻脊在一维分布方向上在模板表面上的距离；h为模板表面上脊的高度；θ为模板表面上脊的两侧边与模板表面间的夹角；L为机械零件表面总宽度；N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数；再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机械零件表面产生一定量的塑性压缩变形，并使模板表面上的“脊”压入机械零件表面，使机械零件表面得到所需要的由上述三个参数b、h、θ确定的表面形貌即可；或者，(2)制作加工模板，所述的模板为表面平整的简易模板；再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机械零件表面产生一定量的塑性压缩变形，即使机械零件表面的粗糙体产生塑性变形，从而使机械零件表面得到由b’、L、N三个参数确定的表面形貌，且b’、L、N三个参数满足以下关系b’＝L/2N其中b’为变形后粗糙体即处理后粗糙体的顶部宽度；L为机械零件表面总宽度；N为机械零件表面上沿宽度方向粗糙体总数；(3)对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。
全文摘要
本发明是一种提高机械零件表面承载能力的方法，其特征在于，其步骤如下制造出带粗糙体且硬度低于HBS200的机械零件表面，清洗机械零件表面，去除油污和杂质；制作加工模板，所述的模板为表面上具有周期分布的脊的带脊模板或表面平整的简易模板；再将模板扣在机械零件表面上，在模板和机械零件表面间施加压力，使机械零件表面产生一定量的塑性压缩变形；最后对加工好表面形貌的机械零件表面进行正火或表面淬火处理。本发明方法简单，提高机械零件表面承载能力的效果显著、潜力很大，技术性能好。生产效率高；工艺参数容易控制和实现，技术容易实施。所需设备简单，操作简单，成本低。应用场合广泛，适用于各种金属和宽广的机械零件工况。
文档编号C21D7/00GK101215622SQ20071030259
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者张永斌 申请人:张永斌