一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置

1.本实用新型涉及零件表面强化设备技术领域，特别是涉及一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置。


背景技术：

2.实际应用表明，机器零部件的主要的失效模式是磨损、腐蚀、断裂，其中以断裂失效带来的灾难与损失最大，而断裂失效中又以疲劳断裂模式所占比例最高。机械装备，如飞机、装甲车、船舶、机车、汽车、内燃机、汽轮机、冶金机械、石油机械、采煤机械、矿山机械等，其中凡是承受循环载荷的重要承力件随时可能出现疲劳断裂实效，其后果不仅造成财产损失还会导致人员伤亡，因此提高机械零部件的疲劳强度具有重大意义。
3.就提高金属抗疲劳能力而言应用较多而且比较有效的办法是进行喷丸强化处理。喷丸处理属冷加工表面强化处理工艺，是利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生塑性变形，形成残余压应力层，并使表面形变强化，从而提高金属抗疲劳的能力。传统的喷丸强化方式所使用的动力源决定了自身缺陷难以克服，科研人员们开始分析以其它能量作为喷丸动力源，而随着超声波技术的发展，使超声波能转换为机械振动能作为喷丸强化的动力源成为可能，超声喷丸技术是一种新的零部件强化的工艺手段，不仅可以克服传统喷丸的不足，而且强化效果优于传统喷丸。而超声喷丸装置整体形态及应用场景较少，现有公开技术对零件表面进行喷丸处理的设备及方法大都结构繁琐，且对工艺的控制条件要求较高；因此，亟需一种结构简单、操作方式简便、便于工艺控制的喷丸强化方法。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置。
5.一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置，包括支撑架、超声振动装置、喷丸室、齿轮、齿轮驱动装置和上层板。
6.所述支撑架上具有水平设置的工作台面，支撑架与工作台面由四根不锈钢柱连接，所述上层板水平设置在所述工作台面的上方，其下端与所述工作台面的上端通过四根螺柱固定连接，所述上层板上设有第一通孔，所述喷丸室可拆卸地安装在所述第一通孔内，所述喷丸室为内部中空的“u”形结构，所述齿轮竖直设置在所述喷丸室的上端开口内，所述齿轮驱动装置设置在所述工作台面上，其驱动端穿过所述喷丸室与齿轮传动连接，其用于驱动所述齿轮转动，所述超声振动装置设置在所述工作台面的下方，其输出端穿过所述工作台面伸出至所述工作台面的上端，并从所述喷丸室的下端敞口伸入到所述喷丸室内。
7.进一步的，所述上层板为“z”字型结构，其上部侧板上设有所述第一通孔，第一通孔配合喷丸室设置为矩形，所述喷丸室通过喷丸室上侧两端连接耳与上层板上部侧板的螺纹连接可拆卸地安装在所述第一通孔内，所述齿轮驱动装置安装在所述上层板的下部侧板的上端，所述齿轮与所述上层板的中间竖板平行，所述齿轮驱动装置的驱动端依次穿过所
述上层板的中间竖板和所述喷丸室对应侧的侧壁与所述齿轮传动连接。
8.进一步的，所述齿轮驱动装置包括电机和转动轴，电机和转动轴通过联轴器连接，所述电机设置在所述上层板的下部侧板的上端，所述喷丸室的两侧侧壁上均设有第二通孔，两个所述第二通孔和所述喷丸室的内部连通，所述转动轴的一端与所述电机的驱动轴通过联轴器固定连接，其另一端穿过所述上层板的中间竖板和所述第二通孔通过固定件键与所述齿轮连接固定，所述转动轴通过外加轴套的方式与喷丸室外壁配合，所述电机驱动所述转动轴带动所述齿轮转动。
9.进一步的，所述喷丸室的内部包括位于上方的第一腔室和位于下方的第二腔室，所述第一腔室用于安装所述齿轮，所述第二腔室设置在所述第一腔室的下方，其上部与所述第一腔室的底部通过倾斜过渡面连通，所述超声振动装置的输出端伸入所述第二腔室内。
10.进一步的，所述超声振动装置包括换能器、变幅杆和工具头，所述换能器在所述工作台面的下方，所述变幅杆的上端穿过所述工作台面，所述工具头竖直设置在所述工作台面的上端，所述变幅杆在法兰盘位置处通过螺栓固定在工作台面上来固定整个超声振动装置，所述变幅杆的下端与所述换能器通过螺纹结构可拆卸连接，其上端与所述工具头的下端通过螺纹可拆卸连接，所述工具头的上端呈矩形状，其上端伸入所述第二腔室内，且与所述第二腔室对应侧的侧壁具有间隙防止钢丸丢失，其中钢丸放置在所述工具头输出端面上。
11.进一步的，所述间隙宽度小于钢丸直径，大于钢丸半径，所述间隙宽度为0.5～1mm。
12.进一步的，所述倾斜过渡面的倾角为58
°
～60
°
，所述倾斜过渡面与齿轮间的最小距离小于钢丸直径，以保证钢丸在连续碰撞齿轮的齿根曲面和齿面的过程中不丢失。
13.进一步的，所述换能器利用超声波发生器输出的电振荡信号转换为高频机械振动，经所述变幅杆放大后传给所述工具头，使得所述工具头产生纵向高频振动，所述振动工具头输出端输出振幅使钢丸反复撞击所述齿轮的齿根曲面和齿面，于是齿轮零件在超声振动装置的激励下完成齿根曲面和齿面的喷丸强化工作。
14.进一步的，所述工具头输出的振幅范围为30～50μm，所述超声振动装置的振动频率为20khz～30khz。
15.本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：
16.本实用新型所述的一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置，采用常规超声振动装置和适应齿轮零件形状的特定的底部镂空的喷丸室及矩形输出端面的工具头，在相对密封、保证钢丸不丢失的情况下，通过超声高频振动激励工具头对钢丸进行高频超声激励，通过电机控制转动轴持续调整齿轮的齿根曲面和齿面强化部位，保证每个齿得到相同的强化效果。该方法成本低、简便易行、实用性高，有利于推进超声喷丸设备的开发、研制和应用。
附图说明
17.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
18.图1为一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置的结构示意图。
19.图2为图1的主视图。
20.图3为超声振动装置示意图。
21.图4为喷丸室结构示意图。
22.图5为喷丸室的俯视图。
23.图6为转动轴、键、齿轮连接的结构示意图。
24.图7为联轴器、转动轴、喷丸室、齿轮等配合关系的结构示意图。
25.图中标记：1-支撑架；2-超声振动装置；2-1-换能器；2-2-变幅杆；2-3-工具头；3-电机；4-联轴器；5-喷丸室；5-1-喷丸室连接耳；5-2-喷丸室侧孔；5-3-喷丸室镂空底部；5-4-喷丸室第一腔室；5-5-喷丸室第二腔室；6-齿轮；7-转动轴；8-键；9-上层板；9-1-上层板上部侧板；9-2-上层板下部侧板；10-工作台。
具体实施方式
26.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
27.本实用新型的实施例提供了一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置。具体参考图1-6，它包括支撑架1、超声振动装置2、电机3、联轴器4、喷丸室5、齿轮6、转动轴7、键8、上层板9、工作台面10。
28.所述支撑架1上具有水平设置的工作台面10，支撑架1与工作台面10由四根不锈钢柱连接，所述上层板9水平设置在所述工作台面10的上方，其下端与所述工作台面10的上端通过四根螺柱固定连接，通过螺纹连接可以实现上层板9在竖直方向上的移动，所述上层板9上设有第一通孔，所述喷丸室5可拆卸地安装在所述第一通孔内，所述喷丸室5为内部中空的“u”形结构，所述齿轮6竖直设置在所述喷丸室5的上端开口内，所述齿轮驱动装置设置在所述工作台面10上，其驱动端穿过所述喷丸室5与齿轮6传动连接，其用于驱动所述齿轮6转动，所述超声振动装置2设置在所述工作台面10的下方，其驱动端穿过所述工作台面10伸出至所述工作台面10的上端，并从所述喷丸室5的下端敞口伸入到所述喷丸室5内。
29.在本实用新型中，所述上层板9为“z”字型结构，其上部侧板9-1上设有所述第一通孔，第一通孔配合喷丸室5设置为矩形，所述喷丸室5上端两侧有连接耳5-1，侧面有开第二通孔5-2，同时底部开敞口5-3，喷丸室5内部设有“u”形结构的腔室，所述喷丸室的内部“u”形结构的腔室包括位于上方的第一腔室和位于下方的第二腔室，所述第一腔室用于安装所述齿轮，所述第二腔室设置在所述第一腔室的下方，其上部与所述第一腔室的底部通过倾斜过渡面连通，所述超声振动装置的输出端伸入所述第二腔室内，所述喷丸室5通过喷丸室5上侧两端连接耳5-1与上层板上部侧板9-1的螺纹连接安装在所述第一通孔内，所述齿轮驱动装置安装在所述上层板下部侧板9-2的上端，所述齿轮6与所述上层板9的中间竖板平行，所述齿轮驱动装置的驱动端依次穿过所述上层板9的中间竖板和所述喷丸室5对应侧的侧壁的侧孔5-2与所述齿轮6传动连接。所述倾斜过渡面的倾角为58
°
～60
°
，所述倾斜过渡面与齿轮间的最小距离小于钢丸直径，以保证钢丸在连续碰撞齿轮6的齿根曲面和齿面的过程中不丢失。
30.在本实用新型中，所述齿轮驱动装置包括电机3和转动轴7，电机3和转动轴7通过联轴器4连接，所述电机3设置在所述上层板下部侧板9-2的上端，所述喷丸室5的两侧侧壁
上均设有第二通孔5-2，两个所述第二通孔5-2和所述喷丸室5的内部连通，所述转动轴7的一端与所述电机3的驱动轴通过联轴器4固定连接，其另一端穿过所述上层板9的中间竖板和所述第二通孔5-2通过固定件8与所述齿轮6连接固定，其中，固定件8为键，所述转动轴7通过外加轴套的方式与喷丸室5外壁配合，所述电机3驱动所述转动轴7带动所述齿轮转动。
31.在本实用新型中，所述超声振动装置包括换能器2-1、变幅杆2-2和工具头2-3，所述换能器2-1设置在所述工作台面10的下方，所述变幅杆2-2的上端穿过所述工作台面10，所述工具头2-3竖直设置在所述工作台面10的上端，所述变幅杆2-2在法兰盘位置处通过螺栓固定在工作台面10上来固定整个超声振动装置，所述变幅杆2-2的下端与所述换能器2-1通过螺纹结构可拆卸连接，其上端与所述工具头2-3的下端通过螺纹可拆卸连接，为配合齿轮6和喷丸室5的结构，所述工具头2-3的输出端面做成矩形的形状，其输出端面伸入所述第二腔室5-5内，且与所述第二腔室5-5对应侧的侧壁具有间隙防止钢丸丢失，其中钢丸放置在所述工具头2-3的输出端面上。所述间隙宽度小于钢丸直径，大于钢丸半径，具体的，所述间隙宽度为0.5～1mm，以保证钢丸在工作过程中不丢失，使得钢丸工作能够持续进行。
32.在本实用新型中，所述一种用于圆柱齿轮的齿根曲面和齿面强化的超声喷丸装置，其工作原理为：所述换能器2-1利用超声波发生器输出的电振荡信号转换为高频机械振动，所述换能器2-1输出的振幅经所述变幅杆2-2放大后，使得所述工具头2-3可以输出更大的振幅。所述超声振动装置的振动频率为20khz～30khz，其换能器2-1的最大输出振幅为5～8μm，通过变幅杆2-2对换能器2-1输出振幅的放大作用，使得工具头2-3工作面的输出振幅达到30～50μm。所述振动工具头2-3输出端输出振幅使钢丸反复撞击所述齿轮6的齿根曲面和齿面，而同时通过电机3控制的转动轴7使得齿轮6也在低速转动，持续调整齿轮6的齿根曲面和齿面强化部位，于是齿轮零件在超声振动装置的激励下完成齿根曲面和齿面的全面喷丸强化工作。
33.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。