航空超越离合器楔块的精密成形及表面强化研究

发布时间：2020-06-08 23:33

【摘要】：超越离合器是实现飞机动力传递与分离功能的关键部件,需要满足高转速、长寿命及高可靠性的工况要求,但该产品长期以来依赖进口,严重制约了我国航空产品的国产化进程。本研究针对我国航空超越离合器用楔块存在的成形精度差与寿命短问题,开展其精密成形与表面强化关键技术研究。在楔块的精密成形技术研究方面,探索了一种“线切割+磨削+精密研磨抛光”的新型成形工艺,并对其中的关键技术进行了系统研究及工艺参数优化。在楔块表面强化技术研究方面,根据楔块用GCr15、9Cr18和Cr4Mo4V轴承钢的各自特点,采用渗硼、硼铬共渗、低温渗碳及盐浴渗氮多种工艺制备强化渗层,并对渗层的组织与性能进行了研究。研究了航空超越离合器用楔块的精密成形技术。在线切割精密成形方面,研究了峰值电流、脉宽时间和脉间时间参数对GCr15轴承钢加工效果的影响,并对电加工参数进行了优化,在峰值电流为2 A、脉宽时间为1μs、脉间时间为4μs时,获得最佳综合效果,试样表面粗糙度可达到Ra 0.76,加工效率为10.1 mm2/min。在磨加工成形方面,以磨削工艺参数(磨削深度A_p、砂轮转速V_S和工件速度V_w)为优化变量,对磨加工工序进行优化,当A_p=50μm,V_s=30 m/s,V_w=2.1 m/min时,能够获得最优效果。在精密研磨抛光方面,研究了不同研磨抛光方式对加工效果的影响,并对磨料及研磨抛光工艺参数进行了优化,结果表明:离心抛光效果优于振动抛光,粗研磨料选用斜圆柱形棕刚玉,精研磨料选用φ2×10mm的氧化铝陶瓷,容积比1:5,时间6 h条件下,能够获得最优加工效果。通过楔块精密成形技术的综合研究,最终获得的楔块零件直线度≤2μm、表面粗糙度Ra 0.13,且表面无磕碰伤、脱碳等缺陷,与已有的国内外同类技术相比,有大幅提升。研究了渗硼工艺参数对GCr15、9Cr18和Cr4Mo4V轴承钢渗层组织与性能的影响。采用固态渗硼法,在三种材料表面制备了均匀致密的渗硼层,根据基体材料的不同,GCr15、9Cr18和Cr4Mo4V渗层相组成别为(FeB、Fe_2B)、(FeB、Fe_2B、CrB)和(FeB、Fe_2B、CrB、Mo_2B),根据处理温度与时间的不同,渗层的硬度变化范围为(1630-1950)、(1830-2140)和(1940-2210)HV,厚度变化范围为(33.4-318.5)、(9.3-97.2)和(14.4-147.8)μm,扩散激活能分别为188.6、203.7和195.4 KJ/mol。研究了TRD(Thermal Reactive Diffusion)预渗铬处理对GCr15轴承钢渗硼层的影响。在硼处理前,采用固态TRD渗铬法,在GCr15轴承钢表面制备了厚度均匀的预渗铬层,与单一渗硼工艺相比,“TRD预渗铬+渗硼”处理能改善渗层的表面粗糙度,并大幅降低渗层的脆性,使其结合力获得提升。研究了9Cr18不锈轴承钢和Cr4Mo4V高温轴承钢的二次硬化技术。9Cr18经低温渗碳处理后,获得了致密度高,厚度均匀的渗层。渗层表面的相组成主要为过饱和马氏体(α'_C)、渗碳体和铬碳化合物,渗层表面硬度变化范围为1430-1720 HV,与处理前相比,提高了2-3倍。Cr4Mo4V经盐浴渗氮处理可以获得有效渗氮层,表面的相组成主要为过饱和马氏体(α'_N)、铁氮化合物和铬氮化合物,渗层表面硬度变化范围1035-1245 HV,与处理前相比,硬度提高了1.3-1.6倍。研究了不同表面强化处理条件下渗层的摩擦与疲劳性能。经渗硼和“TRD预渗铬处理+渗硼”强化处理后,GCr15轴承钢的稳态摩擦系数降低,比磨损率分别下降了77.6%和88.6%。经渗硼和低温渗碳强化处理后,9Cr18轴承钢的比磨损率分别下降了71.6%与93.7%。经渗硼和盐浴渗氮强化处理后,Cr4Mo4V轴承钢的比磨损率分别下降了52.5%和81.4%。研制了超越离合器专用疲劳性能试验机,对渗层的疲劳特性进行了测试。在淬-回火处理条件下,GCr15失效时间最短而Cr4Mo4V的效果最好。与目前国内现用楔块表面强化方案相比,GCr15-渗硼、GCr15-TRD预渗铬处理+渗硼、9Cr18-渗硼、9Cr18-低温渗碳方案在16万次疲劳性能试验后,渗层剥落宽度分别降低了11.89%、36.56%、1.32%、35.68%,获得明显提升。通过本课题的研究,解决了航空超越离合器用楔块的精密成形及其表面强化关键问题,使楔块的加工质量达到国际先进水平,表面强化效果大幅提升,为航空超越离合器的国产化推进提供了理论依据和技术支持。
【图文】：

滚柱式超越离合器,结构示意图,内星轮,滚柱

1.2.1航空超越离合器的主要结构形式与发展现状目前航空用超越离合器主要可以分为三类：滚柱式超越离合器、弹簧式超越合器和斜撑式超越离合器。滚柱式超越离合器以滚柱为承载元件，利用其楔合作用传扭，是最早应用于空领域的超越离合器。其结构如图 1-1 所示，滚柱离合器由内星轮轴、外环、圆柱子、预紧弹簧和弹簧销组成。离合器的内星轮上具有平直结构与滚柱接触，弹簧机构给滚柱一个恒定的弹簧力，使滚柱与星轮、外环保持稳定接触。当外环相对星轮向传扭方向旋转时，摩擦力与弹簧力的协同作用使滚柱在内星轮与外环之间紧，内星轮和外环同步运动，离合器进入传扭工作模式。当外环相对于内星轮向越方向旋转，，由于摩擦力的作用滚柱从楔紧状态脱开，内星轮与外环的运动分离根据结构的不同，滚柱式超越离合器可以将内轴或外环加工成星轮结构，其基本作原理相同。

超越离合器,结构示意图,输出轴,径向尺寸

华中科技大学博士学位论文有两端径向尺寸大、中间径向尺寸小的特点，采用该结构的目的在于安装于输出轴之间时，弹簧两端与输入-输出轴形成过盈配合而中间部位形成间隙配合。入轴与输出轴的相对旋转方向使弹簧扩张时，弹簧整体扩张中间部位径向尺寸与输入-输出轴接触，进入扭矩传递状态。当输入轴与输出轴的相对旋转方向使收缩时，弹簧处于打滑摩擦状态，输入轴与输出轴运动脱离，离合器进入超越。弹簧式离合器具有结构简单，尺寸小，传动能力高的优点。但受限于材料性工精度等多方面的原因，国内弹簧式超越离合器还处于概念阶段尚未能获得实用。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261

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