齒條噴丸變形控制的研究

王永鵬，李玉帆，南博儒

(中航工業慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

?

齒條噴丸變形控制的研究

王永鵬，李玉帆，南博儒

(中航工業慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

齒條作為齒輪機構平動和轉動轉換的關鍵零部件，精度要求嚴格，材料硬度高，同時表面要求做噴丸強化處理。齒條作為扇形結構零件，噴丸變形大。通過對齒條零件噴丸變形控制的研究和試驗，得到了準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到了噴丸前的質量狀態，滿足了設計要求。

噴丸強度；曲率半徑；弓高差

齒輪-齒條機構是民用飛機縫翼作動的主要方式(見圖1)[1]，C919的高升力系統中前緣縫翼就是采用齒輪-齒條的作動方式，在這種作動方式的機構中，齒條是最關鍵的零部件。齒條零件的齒結構是主要工作部位，通常需要對其表面進行噴丸強化處理。由于齒條零件的扇形開放結構，其噴丸后變形較大。本文通過對齒條零件噴丸變形控制的研究和試驗，得到了準確地控制噴丸變形的工藝方法。

圖1 縫翼作動系統中的齒輪齒條機構

1 噴丸變形機理

對于噴丸來說，彈丸噴向零件表面，會從零件表面反彈，而彈丸的能量釋放就會在零件表面留下一個凹痕和一個塑性區域，這個塑性區域在彈丸噴打方向上壓縮，因此就會有向旁邊延伸的趨勢[2]。大量的彈丸以高速連續不斷地撞擊零件的噴丸區域，累積的效果就是每個壓坑下的塑性區域結合到一起，使零件噴丸區域具有一定深度的表層金屬向面內各個方向產生延伸，從而使零件逐步發生向受噴面凸起的彎曲變形。噴丸變形機理示意圖如圖2所示。

圖2 噴丸變形機理示意圖

對于本文研究的齒條零件，噴丸時會導致零件向受噴面產生變形，因齒條為扇形結構(見圖3)，對齒面的噴丸產生的變形會導致齒條張開。在材料、零件結構固定的情況下，影響零件曲率變化的主要因素是噴丸強度。噴丸強度一般使用Almen試驗用的A試片來進行測定。噴丸強度主要是由彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量和噴丸時間等參數決定[3]。

圖3 齒條的扇形結構

2 噴丸試驗設計

齒條零件齒面的噴丸強度應達到設計性能的要求，因此齒面零件噴丸強度是固定的，相應的在噴丸工況不變的情況下，零件齒面噴丸后的張開變形量也是相對固定。試驗選取PITCH CIRCLE R648.8的4處孔進行測量(見圖4)，分析噴丸變形。

圖4 齒條變形分析的節圓(PC)基準

2.1 試驗方案

試驗方案如下。

1)對試驗件進行噴丸前測量，確定噴丸前4處孔相對于PC的位置1。

2)對零件背面進行噴丸(不帶齒的面)。

3)計量零件4處孔坐標點,確定背面噴丸后4處孔相對于PC的位置；根據計量結果分析背面噴丸變形趨勢和變形量。

4)對零件齒正面進行噴丸(帶齒的面)。

5)計量零件4處孔坐標點，確定第1次正面噴丸后4處孔相對于PC的位置；根據計量結果分析正面噴丸變形趨勢和變形量。

6)第2次對零件齒正面噴丸(帶齒的面)。

7)計量零件4處孔坐標點，確定第2次齒正面噴丸后4處孔相對于PC的位置；根據計量結果分析第2次齒正面噴丸變形趨勢和變形量。

8)根據試驗結果進行分析，制定后續零件噴丸控制方案。

上述試驗中，齒背面與齒正面選用相同的噴丸強度。

2.2 試驗結果

以齒條左端孔作為基準孔(見圖5)進行測量，測量結果見表1。

圖5 齒條噴丸后測量的基準零點

表1 試驗件噴丸后測量結果 (mm)

從表1的試驗數據可以看出，噴丸后總體呈彎曲變形，齒條長度方向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。噴丸試驗進行前，已經分析了齒正面的噴丸變形可能比較小，但試驗結果比預計的變形還小，初步分析原因如下：1)第1次是對齒背面噴丸，第2次、第3次對齒正面噴丸，噴丸先后順序可能對變形大小有一定影響，這個仍需試驗驗證；2)按照噴丸變形的機理分析，在材料和零件結構確定的情況下，噴丸變形大小的最主要決定因素是噴丸強度，第3次噴丸強度與第2次一樣，當第2次噴丸強度達到飽和后，相同強度的第3次噴丸變形將很小。

為了能直觀清晰地表現噴丸前后的變化，本文將變化較小的X坐標按沒有變化處理，因X、Y的坐標點數值相對變形數值很大，按實際坐標值形成曲線圖，基本看不出變形效果，因此將X和Y的數值進行處理，但保留噴丸前后的Y坐標點的變化量，這樣既可以形成比較明顯的噴丸變化曲線圖，又保留噴丸變化量的準確值。處理后的噴丸變化曲線圖如圖6所示。

圖6 處理后的試驗件噴丸變化曲線圖

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次噴丸后的曲線形態，并沒有大的張開變形(即弓高沒有降低)。

3 零件噴丸方案

3.1 方案分析

齒正面的噴丸是設計需求，其噴丸強度是圖樣

給定的，不能改變；但齒背面的噴丸并非設計必然需求，可作為按需進行，同時其噴丸強度也可以變化。因此，齒背面噴丸的試驗數據以及結合噴丸變形機理進行分析的結果正是齒條零件噴丸變形控制的關鍵點。齒背面的噴丸參數可以作為一個可變量，這樣可以通過齒背面噴丸強度的調節來校正齒正面按圖樣規定的參數進行噴丸后產生的張開變形，從而使最終噴丸后達到圖樣要求。因此，對于正式加工的齒條零件，應先對齒正面噴丸，再根據齒正面噴丸的變形情況，調整齒背面的噴丸強度。正式零件進行噴丸如圖7所示。

圖7 正式零件進行噴丸

3.2 零件噴丸結果

對正式的5件齒條零件進行了噴丸。先對2#和5#零件進行了齒正面噴丸，噴丸結束后計量圓周上4處均布孔，結果顯示，2個零件齒正面噴丸后產生的張開變形很一致，2個零件居中的兩孔位置張開變形都在0.08～0.084 mm，波動比較小。之后根據變形情況，調整對齒背面的噴丸強度，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，將噴嘴移動速度增加到齒正面噴丸時噴嘴速度的4倍，即40 mm/min，齒背面噴丸結束后計量，結果顯示，基本恢復到噴丸前的狀態。噴丸數據統計見表2。

表2 正式零件噴丸后測量結果 (mm)

為了直觀清晰地表現噴丸前后的變化，依舊將X和Y的數值進行處理，但保留噴丸前后的Y坐標點的變化量，形成的噴丸對比曲線如圖8和圖9所示。

圖8 2#零件噴丸變化曲線圖

圖9 5#零件噴丸變化曲線圖

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，張開變形為噴丸后的曲線，2#和5#零件第1次噴丸前后曲線弓高差都達到0.09 mm；對齒背面噴丸結束后(第2次噴丸)形成的曲線基本恢復到噴丸前曲線的形態，第2次噴丸與噴丸前相比，2#零件曲線弓高差恢復到≤0.017 mm，5#零件曲線弓高差恢復到≤0.006 mm。之后對2#和5#零件的孔位置度、齒形、齒向、徑向跳動、垂直度和平面度等進行了計量，計量結果與噴丸前基本保持一致(差值≤0.01 mm)。通過對零件的驗證，證實了該噴丸變形控制方案的可行性和準確性。

4 本次技術攻關的基本流程

攻關基本流程圖如圖10所示。

圖10 攻關基本流程圖

5 結語

本文通過對齒條結構分析和噴丸變形機理分析，制定了合理的試驗方案，得到了準確的齒條噴丸變形控制的方法，并通過正式零件得到充分驗證。該研究成果可作為齒條類零件噴丸變形控制的關鍵技術進行參考和借鑒。

[1] 黃建國. 現代飛機前緣縫翼作動裝置——齒輪-齒條的設計技巧[J].民用飛機設計與研究，2013，(2)：48-52.

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

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

責任編輯 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，大學本科，主要從事數控加工工藝及數字化制造等方面的研究。

2016-07-01