CN111687752A

CN111687752A - 基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法及其制品

Info

Publication number: CN111687752A
Application number: CN202010568240.7A
Authority: CN
Inventors: 柯海波; 孙飞; 孙保安; 汪卫华
Original assignee: Songshan Lake Materials Laboratory
Current assignee: Songshan Lake Materials Laboratory
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2020-09-22

Abstract

本发明公开了一种基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其包括以下步骤：1)预备非晶合金板材，并确保非晶合金板材的表面平整；2)将非晶合金板材水平放置，并没入水中；3)控制磨料水射流切割机的混砂管喷嘴按照所需非晶合金齿轮的轮廓轨迹线对非晶合金板材进行磨料水射流切割。切割时，合理利用磨料水射流切割特有的冷加工优势可以使非晶合金在切割过程中不发生晶化，并且巧妙将非晶合金板材没入水中一定深度，在不影响切割的情况下，又能保证非晶合金板材的及时冷却，避免加工过程中非晶合金发生晶化的风险，最大程度的保留非晶合金优异的使用性能，所制得的非晶合金齿轮制品的切割表面光洁圆滑，尺寸精度高，综合性能佳。

Description

基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法及其制品

技术领域

本发明涉及非晶合金齿轮制造技术领域，特别涉及一种基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法及其制品。

背景技术

在机械化时代，齿轮作为传递机器动力和运动的一种重要形式，其应用几乎遍布所有领域，是机械产品中极其重要的核心零部件。

块体非晶合金是20世纪后期迅速发展起来的一种新型金属材料，它具有比传统金属材料更为优异的物理、化学和力学性能，如：高强度、高硬度、比传统材料更高的冲击断裂能以及更优异的耐磨性，其中Zr基块体非晶合金的断裂强度接近工程陶瓷材料，超过2000GPa，显微硬度高达5GPa以上。此外，非晶合金极高的表面光洁度和较低的热膨胀系数等特性，都使得采用块体非晶合金作为基体材料制造的齿轮具有比常规金属材料更优异的潜在使役性能。

现有的切割制备非晶合金齿轮的方法包括:(1)使用刀具或砂轮进行机械切割；(2)线切割；(3)激光切割。上述切割方法中，使用刀具或砂轮切割，由于非晶合金强度和硬度较高，刀具磨损非常严重，且切割过程中摩擦产生的高温会使非晶合金面临晶化的风险。使用线切割制造，其缺点是切割表面有明显的切割纹路，切割质量较差且效率较低。使用激光切割制造，其缺点是难以切割具有较大厚度的块体非晶合金，否则将存在难以避免的晶化风险，激光切割还会导致切缝处氧化发黑，有挂渣和毛刺，需要增加后续工序处理，且切割过程中产生的熔融金属会飞溅至目标非晶合金齿轮上，影响零件表面质量。

如公开号为“CN1846085A”，名称为“金属制精密齿轮及齿轮机构”的专利披露了一种非晶合金齿轮的制备方法。该专利使用压铸的方法制备非晶合金齿轮，出模较为困难，且对材料的性能有较高要求(拉伸强度1500MPa或者Hv500)，限制了该方法的推广。

公开号为“CN104416141”，名称为“一种非晶合金齿轮成型方法及所用模具”的专利披露了一种非晶合金齿轮的制备方法。该方法将液态非晶合金注入到设计的模具中，然后通过压铸的方法获得非晶合金齿轮。该发明利用特制的模具，使齿轮齿面与反型镶块接触，可以使镶块和齿轮一起被顶出模腔，达到一次成型，解决了出模困难的问题，且齿面精度高，不需要二次加工。但是压铸成型的方法工艺较为复杂，技术难度较大。

然而磨料水射流切割过程中无化学变化，对切割材质的物化特性无不良影响，而且具有无热变形、切缝窄、精度高、切面光洁无污染等优点，另外在众多切割制造方法中，磨料水射流切割属于“冷态”切割方法，切割后，切割面整齐平滑，类似喷砂处理后的效果，是一种较为理想的块体非晶合金切割加工方法。

公开号“CN201911066865.7”，名称为“基于水刀切割的铁基非晶合金定子铁芯制备方法及其制品”的专利披露了一种非晶合金定子铁芯工艺，以非晶合金带材为基础，将非晶合金带材统一剪裁至预定尺寸，之后将带材堆叠预定层数，并使用夹具在轴向施加预定压力，以确保非晶合金带材之间贴合紧密；随后依次对堆叠好的非晶合金叠片进行真空浸胶、高温固化等工序，获得粘合后的非晶合金板；再将非晶合金板使用水刀切割进行加工成形，最终得到非晶合金定子铁芯制品。但是其加工工艺不适用于非晶合金齿轮的制造。

为此，目前急需研发一种专门用于制造非晶合金齿轮的制造方法，能有效提升传统非晶合金齿轮工艺的加工效率和降低成本，并保证加工效果的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法及其制品。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其包括以下步骤：

(1)预备非晶合金板材，并确保非晶合金板材的表面平整；

(2)将非晶合金板材水平放置，并没入水中，保证切割过程中非晶合金能及时冷却；

(3)控制磨料水射流切割机的混砂管喷嘴按照所需非晶合金齿轮的轮廓轨迹线对非晶合金板材进行磨料水射流切割，制得非晶合金齿轮制品。

作为本发明的一种优选方案，所述非晶合金板材采用压铸法或铜模吸铸法制作而成，对其表面进行打磨至平整光亮。

作为本发明的一种优选方案，所述非晶合金板材的成份优选为Zr_50.5Al₉Ni_13.05Cu_27.45，但不限于该成份。以金属Zr为基体，成本低廉，具有较高形成能力，且强度、耐磨性等均非常优异，适合制造非晶齿轮。

作为本发明的一种优选方案，所述非晶合金板材的厚度为0.2～5mm。

作为本发明的一种优选方案，所述非晶合金板材没入水中的深度为0.5～2mm，能有效避免加工过程中非晶合金发生晶化的风险。

作为本发明的一种优选方案，所述磨料水射流切割机的混砂管与非晶合金板材上表面的间距为0.6～0.9mm，确保切割质量。

作为本发明的一种优选方案，所述磨料水射流切割机的型号为Micro-OMAX。

作为本发明的一种优选方案，所述磨料水射流切割机使用的磨料为160～200目的石榴沙颗粒，切割速率设定为40～65mm/min。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)将非晶合金板材放置且固定于蜂窝板上，并使用水平仪校准，确保非晶合金板材水平放置。

一种采用上述基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法制得的非晶合金齿轮制品。

本发明的有益效果为：本发明巧妙将非晶合金的优异性能与磨料水射流切割的冷加工优势相结合，为非晶合金齿轮的制造提供了一种可行的解决方案。合理利用磨料水射流切割特有的冷加工优势可以使非晶合金在切割过程中不发生晶化，能最大程度的保留非晶合金优异的使用性能。磨料水射流切割后的切面平整光滑，类似于喷砂处理后的效果，加工效果好，保证产品质量，所制得的非晶合金齿轮不需要后续工序处理就能直接使用，有效简化流程，缩短制造周期。而且磨料水射流切割相较于机械切割、线切割、激光切割等加工方法，成本较低，加工速率显著提高，具有可推广性。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为所制备非晶合金齿轮的成品图例。

图3为所获得非晶合金齿轮表面的XRD图谱，加工前后一致的XRD结果说明该方法完好的保留了非晶合金的无定型性质，从而保证了非晶合金齿轮的优异使用性能。

图4为所获得非晶合金齿轮切割面的典型SEM形貌，光滑的切面显示出该方法相较于线切割等制造方法的质量优势。

具体实施方式

实施例：参见图1-图4，本实施例提供的一种基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其包括以下步骤：

(1)预备非晶合金板材：根据目标非晶齿轮要求的各项性能，选取合适的非晶合金成分，本实施例中，所述非晶合金成分优选为Zr_50.5Al₉Ni_13.05Cu_27.45，该成分以金属Zr为基体，成本低廉，具有较高形成能力，且强度、耐磨性等均非常优异，特别适合制造非晶齿轮。而其他实施例中，可以根据所需来选择合适的非晶合金成分。使用压铸法或铜模吸铸法制备出厚度为1mm的非晶合金板材，其他实施例中，该非晶合金板材的厚度也可以为0.2～5mm；对制得的非晶合金板材进行打磨至平整光亮；

(2)将非晶合金板材水平放置在固定于蜂窝板上，并使用水平仪校准，确保非晶合金板材水平放置；为保证切割过程中非晶合金板材的及时冷却，调节水面高度以使非晶合金板材浸没于水面以下0.5～2mm处，优选为1mm，能有效避免加工过程中非晶合金发生晶化的风险；然后调整磨料水射流切割机的混砂管喷嘴的高度，使其与非晶合金板材上表面的间距为0.6～0.9mm，优选为0.76mm，能确保具有较佳的切割质量；

(3)本实施例中，预先根据所需的非晶合金齿轮的轮廓轨迹线绘制相应的刀路轨迹并存入磨料水射流切割机；所述磨料水射流切割机的型号优选为Micro-OMAX。该Micro-OMAX磨料水射流切割机是一款具有高切割精度(1μm)的水射流切割机，切割速率高，最快可达1000mm/min的切割速率，切割材料范围广，最大可切割厚度为10cm。且切割过程中不产生热影响区，可以最大程度保证齿轮的制造质量。

本实施例中，切割选用直径为180目的石榴沙颗粒，切割速率设定为40～65mm/min，优选为47.31mm/min，该切割速率可以获得较好的切面平整度。其它实施例中，根据需求选择160～200目的石榴沙颗粒或其它颗粒物。

控制磨料水射流切割机的混砂管喷嘴沿刀路轨迹对非晶合金板材进行磨料水射流切割；具体的，参见图1，切割时，高压水1从混砂管喷嘴喷出，并带有一定量的石榴沙颗粒2持续冲击所述非晶合金板材3，实现切割效果；由于巧妙将非晶合金板材3没入水4中一定深度，在不影响切割的情况下，又能保证非晶合金板材1的及时冷却，避免加工过程中非晶合金发生晶化的风险，最大程度的保留非晶合金优异的使用性能。切割完毕后，制得所需外形轮廓的非晶合金齿轮制品。该非晶合金齿轮制品的切割表面光洁圆滑，尺寸精度高，综合性能佳。不需要后续工序处理就能直接使用，有效简化流程，缩短制造周期。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它方法及装置，均在本发明保护范围内。

Claims

1.一种基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)预备非晶合金板材，并确保非晶合金板材的表面平整；

(2)将非晶合金板材水平放置，并没入水中；

2.根据权利要求1所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述非晶合金板材采用压铸法或铜模吸铸法制作而成，对其表面进行打磨至平整光亮。

3.根据权利要求1所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述非晶合金板材的成份为Zr_50.5Al₉Ni_13.05Cu_27.45。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述非晶合金板材的厚度为0.2～5mm。

5.根据权利要求1所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述非晶合金板材没入水中的深度为0.5～2mm。

6.根据权利要求1所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述磨料水射流切割机的混砂管与非晶合金板材上表面的间距为0.6～0.9mm。

7.根据权利要求1或6所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述磨料水射流切割机的型号为Micro-OMAX。

8.根据权利要求7所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述磨料水射流切割机使用的磨料为160～200目的石榴沙颗粒，切割速率设定为40～65mm/min。

9.根据权利要求7所述的基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法，其特征在于：所述步骤(2)将非晶合金板材放置且固定于蜂窝板上，并使用水平仪校准，确保非晶合金板材水平放置。

10.一种采用权利要求1-9中任意一项所述基于磨料水射流切割的非晶合金齿轮制造方法制得的非晶合金齿轮制品。