齿条喷丸变形控制的研究

王永鹏，李玉帆，南博儒

(中航工业庆安集团有限公司，陕西 西安 710077)



齿条喷丸变形控制的研究

王永鹏，李玉帆，南博儒

(中航工业庆安集团有限公司，陕西 西安 710077)

齿条作为齿轮机构平动和转动转换的关键零部件，精度要求严格，材料硬度高，同时表面要求做喷丸强化处理。齿条作为扇形结构零件，喷丸变形大。通过对齿条零件喷丸变形控制的研究和试验，得到了准确地控制喷丸变形的工艺方法，使齿条零件喷丸后的几何尺寸达到了喷丸前的质量状态，满足了设计要求。

喷丸强度；曲率半径；弓高差

齿轮-齿条机构是民用飞机缝翼作动的主要方式(见图1)[1]，C919的高升力系统中前缘缝翼就是采用齿轮-齿条的作动方式，在这种作动方式的机构中，齿条是最关键的零部件。齿条零件的齿结构是主要工作部位，通常需要对其表面进行喷丸强化处理。由于齿条零件的扇形开放结构，其喷丸后变形较大。本文通过对齿条零件喷丸变形控制的研究和试验，得到了准确地控制喷丸变形的工艺方法。

图1 缝翼作动系统中的齿轮齿条机构

1 喷丸变形机理

对于喷丸来说，弹丸喷向零件表面，会从零件表面反弹，而弹丸的能量释放就会在零件表面留下一个凹痕和一个塑性区域，这个塑性区域在弹丸喷打方向上压缩，因此就会有向旁边延伸的趋势[2]。大量的弹丸以高速连续不断地撞击零件的喷丸区域，累积的效果就是每个压坑下的塑性区域结合到一起，使零件喷丸区域具有一定深度的表层金属向面内各个方向产生延伸，从而使零件逐步发生向受喷面凸起的弯曲变形。喷丸变形机理示意图如图2所示。

图2 喷丸变形机理示意图

对于本文研究的齿条零件，喷丸时会导致零件向受喷面产生变形，因齿条为扇形结构(见图3)，对齿面的喷丸产生的变形会导致齿条张开。在材料、零件结构固定的情况下，影响零件曲率变化的主要因素是喷丸强度。喷丸强度一般使用Almen试验用的A试片来进行测定。喷丸强度主要是由弹丸直径、弹流速度、弹丸流量和喷丸时间等参数决定[3]。

图3 齿条的扇形结构

2 喷丸试验设计

齿条零件齿面的喷丸强度应达到设计性能的要求，因此齿面零件喷丸强度是固定的，相应的在喷丸工况不变的情况下，零件齿面喷丸后的张开变形量也是相对固定。试验选取PITCH CIRCLE R648.8的4处孔进行测量(见图4)，分析喷丸变形。

图4 齿条变形分析的节圆(PC)基准

2.1 试验方案

试验方案如下。

1)对试验件进行喷丸前测量，确定喷丸前4处孔相对于PC的位置1。

2)对零件背面进行喷丸(不带齿的面)。

3)计量零件4处孔坐标点,确定背面喷丸后4处孔相对于PC的位置；根据计量结果分析背面喷丸变形趋势和变形量。

4)对零件齿正面进行喷丸(带齿的面)。

5)计量零件4处孔坐标点，确定第1次正面喷丸后4处孔相对于PC的位置；根据计量结果分析正面喷丸变形趋势和变形量。

6)第2次对零件齿正面喷丸(带齿的面)。

7)计量零件4处孔坐标点，确定第2次齿正面喷丸后4处孔相对于PC的位置；根据计量结果分析第2次齿正面喷丸变形趋势和变形量。

8)根据试验结果进行分析，制定后续零件喷丸控制方案。

上述试验中，齿背面与齿正面选用相同的喷丸强度。

2.2 试验结果

以齿条左端孔作为基准孔(见图5)进行测量，测量结果见表1。

图5 齿条喷丸后测量的基准零点

表1 试验件喷丸后测量结果 (mm)

从表1的试验数据可以看出，喷丸后总体呈弯曲变形，齿条长度方向X变化很小，齿条弯曲方向Y变化比较大；但齿条弯曲变形仅是第1次喷丸(齿背面)变形较大，第2次、第3次(齿正面)喷丸变形很小。喷丸试验进行前，已经分析了齿正面的喷丸变形可能比较小，但试验结果比预计的变形还小，初步分析原因如下：1)第1次是对齿背面喷丸，第2次、第3次对齿正面喷丸，喷丸先后顺序可能对变形大小有一定影响，这个仍需试验验证；2)按照喷丸变形的机理分析，在材料和零件结构确定的情况下，喷丸变形大小的最主要决定因素是喷丸强度，第3次喷丸强度与第2次一样，当第2次喷丸强度达到饱和后，相同强度的第3次喷丸变形将很小。

为了能直观清晰地表现喷丸前后的变化，本文将变化较小的X坐标按没有变化处理，因X、Y的坐标点数值相对变形数值很大，按实际坐标值形成曲线图，基本看不出变形效果，因此将X和Y的数值进行处理，但保留喷丸前后的Y坐标点的变化量，这样既可以形成比较明显的喷丸变化曲线图，又保留喷丸变化量的准确值。处理后的喷丸变化曲线图如图6所示。

图6 处理后的试验件喷丸变化曲线图

从图6可以看出，第1次喷丸后(齿背面)变形较大，喷丸前后曲线的弓高相差约0.16 mm，而第2次、第3次喷丸(齿正面)基本保留了第1次喷丸后的曲线形态，并没有大的张开变形(即弓高没有降低)。

3 零件喷丸方案

3.1 方案分析

齿正面的喷丸是设计需求，其喷丸强度是图样

给定的，不能改变；但齿背面的喷丸并非设计必然需求，可作为按需进行，同时其喷丸强度也可以变化。因此，齿背面喷丸的试验数据以及结合喷丸变形机理进行分析的结果正是齿条零件喷丸变形控制的关键点。齿背面的喷丸参数可以作为一个可变量，这样可以通过齿背面喷丸强度的调节来校正齿正面按图样规定的参数进行喷丸后产生的张开变形，从而使最终喷丸后达到图样要求。因此，对于正式加工的齿条零件，应先对齿正面喷丸，再根据齿正面喷丸的变形情况，调整齿背面的喷丸强度。正式零件进行喷丸如图7所示。

图7 正式零件进行喷丸

3.2 零件喷丸结果

对正式的5件齿条零件进行了喷丸。先对2#和5#零件进行了齿正面喷丸，喷丸结束后计量圆周上4处均布孔，结果显示，2个零件齿正面喷丸后产生的张开变形很一致，2个零件居中的两孔位置张开变形都在0.08～0.084 mm，波动比较小。之后根据变形情况，调整对齿背面的喷丸强度，将喷丸的空气压力减小到齿正面喷丸空气压力的一半，即2 bar，将喷嘴移动速度增加到齿正面喷丸时喷嘴速度的4倍，即40 mm/min，齿背面喷丸结束后计量，结果显示，基本恢复到喷丸前的状态。喷丸数据统计见表2。

表2 正式零件喷丸后测量结果 (mm)

为了直观清晰地表现喷丸前后的变化，依旧将X和Y的数值进行处理，但保留喷丸前后的Y坐标点的变化量，形成的喷丸对比曲线如图8和图9所示。

图8 2#零件喷丸变化曲线图

图9 5#零件喷丸变化曲线图

从图8和图9可以看出，齿正面喷丸后(第1次喷丸)，由喷丸前的曲线，张开变形为喷丸后的曲线，2#和5#零件第1次喷丸前后曲线弓高差都达到0.09 mm；对齿背面喷丸结束后(第2次喷丸)形成的曲线基本恢复到喷丸前曲线的形态，第2次喷丸与喷丸前相比，2#零件曲线弓高差恢复到≤0.017 mm，5#零件曲线弓高差恢复到≤0.006 mm。之后对2#和5#零件的孔位置度、齿形、齿向、径向跳动、垂直度和平面度等进行了计量，计量结果与喷丸前基本保持一致(差值≤0.01 mm)。通过对零件的验证，证实了该喷丸变形控制方案的可行性和准确性。

4 本次技术攻关的基本流程

攻关基本流程图如图10所示。

图10 攻关基本流程图

5 结语

本文通过对齿条结构分析和喷丸变形机理分析，制定了合理的试验方案，得到了准确的齿条喷丸变形控制的方法，并通过正式零件得到充分验证。该研究成果可作为齿条类零件喷丸变形控制的关键技术进行参考和借鉴。

[1] 黄建国. 现代飞机前缘缝翼作动装置——齿轮-齿条的设计技巧[J].民用飞机设计与研究，2013，(2)：48-52.

[2] 王仁智. 金属材料的喷丸强化与表面完整性论文集[M].北京：中国宇航出版社，2011.

[3] 赵勇. A100钢零件复合喷丸工艺及质量控制研究[J].新技术新工艺，2015(5)：147-149.

责任编辑 郑练

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

王永鹏(1982-)，男，工程师，大学本科，主要从事数控加工工艺及数字化制造等方面的研究。

2016-07-01