强流脉冲电子束强化齿轮弯曲疲劳性能研究

论文摘要

齿轮工作时受力情况复杂,时常会产生多种失效,如点蚀、剥落、磨损、胶合、疲劳折断等,而疲劳折断在齿轮的所有失效中占据较大比例。现代工业的发展要求齿轮既要轻质又要高强度。国际上对齿轮弯曲疲劳强度的研究主要在齿形的改进、齿轮表面处理方面,但在一定条件下,齿形的改进对提高齿轮弯曲疲劳强度的作用是有限的,传统的表面处理技术也面临一些局限,因此,寻找表面处理新技术在齿轮上的应用具有重要意义。强流脉冲电子束(HCPEB)技术是一种新型高效的表面处理技术,它具有高能量密度、高效率等特点,可以直接、有效地改变或改善材料的表层组织、结构和性能。本课题来源于国家自然科学基金资助项目“齿轮表面非晶化工艺与性能研究”(编号: 50775229),利用强流脉冲电子束对表面未经磨削和经过磨削的原始齿轮进行表面照射处理,在高频疲劳实验机上对原始齿轮与照射齿轮进行弯曲疲劳测试,研究强流脉冲电子束对不同表面状况齿轮的弯曲疲劳性能的影响,以获得具有更长疲劳寿命的齿轮。论文主要工作有:(1)总结了影响齿轮弯曲疲劳强度的主要因素。(2)采用ANSYS有限元软件中的热力耦合方法,对脉冲电子束照射40Cr钢过程的温度场和热应力场进行了有限元模拟分析,并给出了多次照射后的表面残余应力。(3)直接用工艺参数经过优化的强流脉冲电子束对未经磨削与经过磨削的两种表面状态的齿轮进行表面处理。(4)在恒幅载荷条件下,对所有齿轮进行弯曲疲劳强度测试,并对未磨削齿轮和磨削齿轮电子束照射前后的弯曲疲劳强度进行了比较。(5)通过显微硬度、表面粗糙度、表面残余应力测试,齿根表面形貌及截面轮廓、表层显微组织观察,对齿轮弯曲疲劳性能变化原因进行了深入分析。结果表明:未磨削的齿轮经电子束照射后,其弯曲疲劳强度得到一定程度的降低;而经磨削过的齿轮经电子束照射后,其弯曲疲劳强度稍有提高。论文的结论对齿轮电子束表面改性将起到一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 齿轮传动的失效形式
• 1.3 齿轮弯曲疲劳及研究现状
• 1.4 齿轮弯曲疲劳强度影响因素及现有改善方法
• 1.5 强流脉冲电子束表面改性技术
• 1.5.1 强流脉冲电子束装置
• 1.5.2 强流脉冲电子束产生原理
• 1.5.3 电子束表面改性物理基础
• 1.5.4 强流脉冲电子束工艺参数
• 1.5.5 强流脉冲电子束表面改性技术研究现状及进展
• 1.5.6 电子束表面改性处理的特点
• 1.6 论文研究内容
• 第二章 强流脉冲电子束表面改性热力学模拟
• 2.1 ANSYS 有限元分析软件
• 2.2 条件假设
• 2.3 热力耦合场分析模型的建立
• 2.3.1 耦合分析方法与单元类型
• 2.3.2 材料参量
• 2.3.3 模型的建立及网格划分
• 2.3.4 边界条件与初始条件
• 2.3.5 电子束处理工艺参数
• 2.4 模拟结果
• 2.4.1 温度场的模拟结果
• 2.4.2 热应力场变化及残余应力模拟结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 齿轮电子束表面处理及弯曲疲劳强度试验
• 3.1 齿轮电子束表面处理
• 3.1.1 试验齿轮设计
• 3.1.2 电子束处理齿轮工艺及结果
• 3.2 齿轮弯曲疲劳强度试验
• 3.2.1 试验目的
• 3.2.2 试验方法的选择
• 3.2.3 夹具设计及齿根应力计算
• 3.2.4 试验平台
• 3.2.5 试验前准备、试验条件及失效判据
• 3.2.6 齿轮静强度试验
• 3.2.7 对比试验方案选择
• 3.2.8 数据处理方法
• 3.3 齿轮弯曲疲劳试验结果
• 3.3.1 未磨削原始齿轮试验结果
• 3.3.2 未磨削照射齿轮试验结果
• 3.3.3 未磨削原始齿轮与未磨削照射齿轮试验结果的比较
• 3.3.4 磨削原始齿轮及磨削照射齿轮试验结果
• 3.4 试验结果的最终比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 齿轮弯曲疲劳试验结果分析
• 4.1 显微硬度测试
• 4.2 表面粗糙度
• 4.3 齿根表截面形貌及表层微观组织
• 4.4 齿根表面残余应力测试
• 4.5 分析讨论
• 4.6 本章小节
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果