基于齒輪磨損的表面強(qiáng)化研究

馮珂

摘要：齒輪的表面磨損是影響齒輪壽命和傳動(dòng)效率的主要因素，通過一種表面磨損的數(shù)學(xué)模型，建立典型的有限元模型，探究不同強(qiáng)度的齒輪磨損影響，提出砂帶磨削及超聲振動(dòng)輔助磨削的加工方法，探究不同表面強(qiáng)化對(duì)齒輪磨損影響。

Abstract：The surface wear of gear is the main factor that affects the service life and transmission efficiency of gear. Through a mathematical model of surface wear， a typical finite element model is established to explore the influence of different strength of gear wear. The processing methods of abrasive belt grinding and ultrasonic vibration assisted grinding are proposed to explore the influence of different surface strengthening on gear wear.

關(guān)鍵詞：齒輪;表面磨損;有限元;表面強(qiáng)化

Key words： gear;surface wear;finite element method（FEM）;surface strengthening

中圖分類號(hào)：TH162? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0103-03

0? 引言

隨著工業(yè)4.0和中國制造2025的到來，我國制造業(yè)水平得到了飛速發(fā)展，各行各業(yè)也對(duì)機(jī)械使用性能提出了更高的要求，齒輪在其中更是發(fā)揮著中流砥柱的作用，這不僅對(duì)材料的力學(xué)屬性能提出更高的需求，同時(shí)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的研究也在積極展開。高速重載和長壽命是許多機(jī)械基本要求，因而對(duì)齒面強(qiáng)度提出了更高的要求。國外齒輪通過精加工工藝，得到齒面較高的齒輪[1]。我國齒輪生產(chǎn)受到硬齒面加工技術(shù)和表面處理技術(shù)的限制，齒面質(zhì)量仍然有待提高[2]。

在機(jī)械制造領(lǐng)域中，研究表面幾何特性與使用性能的關(guān)系，在齒面精加工方面，殘余應(yīng)力、微觀形貌和織構(gòu)的精度直接影響齒輪抗疲勞性能和使役性能，因此基于殘余應(yīng)力和微觀形貌可控的齒面加工機(jī)理和方法必須探明;為了改變被加工表面的應(yīng)力狀態(tài)，減少表面裂紋產(chǎn)生，并有效改善切削力和切削溫度高等問題，急需一種新的加工技術(shù)，達(dá)到對(duì)齒輪表面質(zhì)量的控制。

現(xiàn)有的研究已經(jīng)表明，齒輪在嚙合中，齒輪靠近齒根處磨損最大，分度點(diǎn)磨損最小，小齒輪的磨損較大齒輪磨損嚴(yán)重;同時(shí)，齒輪的重合度和齒輪表面質(zhì)量對(duì)于摩擦、磨損、疲勞強(qiáng)度和使用性能等因素有顯著影響，提高重合度和齒輪表面質(zhì)量可有效減小齒面磨損。通過對(duì)齒面磨損的數(shù)學(xué)模型和有限元模型進(jìn)行分析，得出齒輪磨損主要因素并為實(shí)際齒輪表面強(qiáng)化提供一定的指導(dǎo)意義。

1 齒輪表面磨損模型

1.1 齒輪磨損數(shù)學(xué)模型

在齒輪的嚙合磨損過程中，齒面的磨損是氧化磨損、疲勞磨損和粘著磨損等綜合因素作用的一種復(fù)雜磨損形式，在磨損建模的過程中，多種磨損計(jì)算模型被廣大學(xué)者建立，其中使用最多的模型是Archrd磨損模型[3]，通過Archrd我們可以將磨損的影響因素轉(zhuǎn)化具體參數(shù)的形式：

式中：V為磨損體積;S為磨程;K為無量綱磨損系數(shù);W為磨損正壓力;H為磨損表面硬度。

通過兩者的接觸面積A和磨損深度h可得：

V=Ah

則對(duì)應(yīng)的上述兩式，可以轉(zhuǎn)化：

式中：p=為接觸應(yīng)力;k=為有量綱磨損系數(shù)。

通過以上三個(gè)磨損數(shù)學(xué)公式可知，磨損深度和接觸應(yīng)力成正比，和齒輪表面硬度成反比。

1.2 齒輪磨損有限元仿真

為對(duì)理論磨損模型進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步對(duì)齒面不同位置磨損程度進(jìn)行分析，如圖1所示，利用有限元軟件ABAQUS建立螺旋錐齒輪的有限元模型。模型中給定安裝誤差和具體參數(shù)為：小輪軸向位錯(cuò)量H=0，大輪軸向位錯(cuò)量V=-0.13mm，小輪偏置距E=-0.12mm，載荷M=500Nm。

如圖2所示，通過接觸應(yīng)力可知，齒面接觸位置為受力的主要集中部分，因此，接觸齒面的強(qiáng)度對(duì)于齒輪的磨損和壽命起到至關(guān)重要的作用，由前面的推導(dǎo)可得，磨損程度和應(yīng)力成正比，因此齒面的強(qiáng)化作用極為重要，有效的表面強(qiáng)化方法也是齒輪類金屬材料加工過程中必不可少的影響因素。

2? 表面強(qiáng)化

2.1 齒輪表面強(qiáng)化意義

齒輪膜厚比通過影響齒輪間摩擦系數(shù)而減少齒輪磨損，因此，降低齒面摩擦系數(shù)，強(qiáng)化表面質(zhì)量對(duì)于提高齒輪壽命具有重要作用。表面粗糙度的谷底為應(yīng)力集中中心，粗糙度越大，應(yīng)力越集中;圖3所示為粗糙度和應(yīng)力集中系數(shù)的線性關(guān)系圖，由圖3可知，當(dāng)表面粗糙度分別為0.4μm、0.8μm和1.6μm時(shí)，應(yīng)力的集中系數(shù)分別為1.2、1.24和1.48，應(yīng)力集中系數(shù)隨著摩擦系數(shù)的增大而遞增，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)抗疲勞強(qiáng)度也會(huì)隨之下降。

某研究機(jī)構(gòu)通過電化學(xué)光整加工完成的齒輪后，其對(duì)應(yīng)的壽命大幅增加，原有因?yàn)榻佑|疲勞使用壽命12-15h而破損的齒輪，經(jīng)過對(duì)應(yīng)的表面強(qiáng)化處理之后，使用壽命達(dá)到了100h以上。以上結(jié)果表明對(duì)于齒輪進(jìn)行表面處理，需要強(qiáng)化齒輪表面質(zhì)量，同時(shí)降低齒輪表面粗糙度，對(duì)于提升機(jī)械精度和壽命具有十分重要的作用。

2.2 齒輪表面處理方法

降低齒輪表面粗糙度一般可以采用磨削拋光進(jìn)行處理，對(duì)于精度要求較高的零件，可以采用砂帶磨削或超聲振動(dòng)輔助磨削進(jìn)行加工，根據(jù)不同材料選擇不同材質(zhì)和磨粒大小的砂帶進(jìn)行磨削加工，通過砂帶磨削加工可以改善齒輪表面顯微幾何形狀，降低粗糙度，以及提高精度[4]。對(duì)于齒輪表面強(qiáng)度無法滿足要求的，需進(jìn)行齒輪表面處理，常用的表面處理主要有電鍍、電泳、發(fā)黑（藍(lán)）、噴砂等，他們對(duì)表面粗糙度、導(dǎo)電性等提出了不同的要求，根據(jù)齒輪材質(zhì)和使用要求，選擇對(duì)應(yīng)合適的表面處理方法，如表1所示，為金屬常用表面處理方法及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

2.3 齒輪表面加工方法

齒輪的材料一般選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼;低速齒輪較為重載，應(yīng)綜合性能較好的鋼;高速齒輪接觸速率高選用硬度高的材料;高速、低載情況下則可以選擇非金屬材料。對(duì)于齒輪的表面處理則可以根據(jù)不同工況和材料選擇不同的表面處理方法，現(xiàn)有的主要有不改變表面化學(xué)成分強(qiáng)化技術(shù)、改變表面化學(xué)成分強(qiáng)化技術(shù)和表面覆膜強(qiáng)化技術(shù)。如某型齒輪表面強(qiáng)化采用碳氮共滲熱處理、砂帶磨削、超聲磨削和表面噴丸處理等技術(shù)手段，使齒輪達(dá)到高強(qiáng)度的疲勞極限、疲勞耐久壽命和最佳摩擦因素，滿足特定工程應(yīng)用需求。

2.3.1 砂帶磨削表面加工

砂帶磨削是精密加工中一種常見的形式，砂帶磨削系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為開式砂帶磨削和閉式砂帶磨削;而閉式砂帶磨削根據(jù)磨削工位不同又可以分為閉式接觸輪砂帶磨削和閉式自由砂帶磨削。砂帶磨削系統(tǒng)的一般運(yùn)行速度在20m/s到40m/s，高速砂帶磨削一般在60m/s以上，最高可達(dá)100m/s。

砂帶磨削不僅能夠加工規(guī)則的平面工件，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型或者異型件也能保證極高的加工精度及效率，對(duì)于齒面的加工具有較大優(yōu)勢(shì)。若能采用砂帶磨削技術(shù)進(jìn)行一次成形加工，既能保證加工精度，也能保證比傳統(tǒng)的銑刨等加工方式密封性更高，提高齒輪性能。對(duì)于復(fù)雜制造工藝中，傳統(tǒng)加工由于其剛性特性使得加工較為復(fù)雜，砂帶磨削由于自身的柔性可以滿足加工各種復(fù)雜曲面的需求，運(yùn)用砂帶磨削可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半徑3mm以上的內(nèi)圓角拋磨加工。

隨著砂帶磨削工藝的發(fā)展對(duì)應(yīng)的砂帶磨削設(shè)備也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展方式，砂帶磨削因其適用范圍廣，加工效率高，表面拋磨加工質(zhì)量高而在高精加工中得到廣泛應(yīng)用，其磨削加工表面粗糙度值可達(dá)Ra3.2～0.1mm，極大的滿足了齒輪精密加工的要求。

2.3.2 超聲磨削加工

超聲振動(dòng)輔助磨削，也稱為超聲磨削，是在傳統(tǒng)磨削加工基礎(chǔ)上將超聲波產(chǎn)生的振動(dòng)施加于砂輪或工件，使之相結(jié)合產(chǎn)生的一種較新的加工方法，如圖4所示。該方法由于砂輪上超聲振動(dòng)的加入，磨粒受到脈沖而作周期運(yùn)動(dòng)，工件在加工過程中會(huì)產(chǎn)生超聲沖擊、往復(fù)熨壓、超聲潤滑、快速切削等特性。國內(nèi)外研究表明超聲振動(dòng)磨削的法向和切向磨削力比普通磨削分別降低42%和38%[5]，切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯提高，磨削溫度降低，從而減輕傳統(tǒng)磨削過程中出現(xiàn)的工件燒傷，細(xì)化了加工表面，表面粗糙度降低[6，7]。超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)可以控制齒輪表面精度的同時(shí)有效改變被加工表面的應(yīng)力狀態(tài)，減少表面裂紋產(chǎn)生，并有效改善切削力大、切削溫度高及刀具磨損嚴(yán)重等問題。

3? 結(jié)論

本文對(duì)齒輪表面磨損特性進(jìn)行分析，根據(jù)齒輪表面磨損數(shù)學(xué)模型和螺旋錐齒輪嚙合表面受力分布的有限元模型，結(jié)合齒輪表面摩擦系數(shù)和應(yīng)力集中、表面強(qiáng)度和使用壽命等多種因素，為不同要求齒輪表面處理制定加工和表面處理方法。隨著中國制造進(jìn)入十四五階段，中國的制造的科技水平也不斷提升，表面強(qiáng)化技術(shù)也因?yàn)榧夹g(shù)的革新在高效、實(shí)用、環(huán)保等方面展現(xiàn)出其在機(jī)械領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和巨大發(fā)展?jié)撃?，運(yùn)用最新的表面強(qiáng)化處理技術(shù)對(duì)于發(fā)展裝備智能化，智能制造，提升裝備的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命具有重要意義。

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