0 引言

齿轮副是一种典型的摩擦副类零件，齿轮在工作过程中齿面会产生较大的接触应力以及摩擦力，显然，轮齿的表面质量对齿轮的使用性能有显著的影响；尤其是齿轮的表面粗糙度和齿面微观形貌等因素，对齿轮的承载能力、耐磨性和疲劳强度都有一定的影响[1-6]。粗糙的机加工表面由于存在应力集中，在轮齿承受交变载荷的过程中，齿面会萌生疲劳裂纹，进而导致疲劳失效[7]。为了能够有效地改善齿轮的表面质量，进而提高齿轮的使用性能，越来越多的齿轮精整加工工艺被引入到齿轮的制造过程中。譬如传统的剃齿、磨齿、珩齿和齿轮抛光，还有一些特种加工方法，比如化学、电化学和电化学机械抛光等加工方法都能够极大地改善齿廓表面的质量。研究发现，使用光整加工工艺能够减小齿面粗糙度值，从而提高轮廓支撑率，减小接触应力，提高使用寿命[8]。然而，上述的一些加工工艺往往还存在着加工质量差、效率低、批量化适应性差等缺陷。滚磨光整加工具有减小零件表面粗糙度、表面完整性参数综合改善、加工效率高等特点[9]，但是现有的旋流式齿轮滚磨光整加工工艺对齿根的加工效果并不理想。研究表明，垂直交叉主轴式齿轮滚磨光整加工工艺能够有效地改善齿轮的表面质量[10-11]。本文中我们对某型矿用重载齿轮进行了实验研究，重点研究该工艺对齿根附近轮齿表面粗糙度值以及齿面微观形貌的影响。

1 加工原理

垂直交叉主轴式齿轮滚磨光整加工工艺的基本原理是齿轮与滚筒的回转轴线在空间上相互垂直，通过滚筒和齿轮各自的回转运动使得滚抛磨块与齿轮表面(尤其是齿廓表面)产生相对运动，通过滚抛磨块对齿轮表面的碰撞、滚压和划擦等作用实现对齿轮表面的微量加工，从而达到对齿轮光整加工的目的。图1为其加工原理示意图。该种工艺能够实现多个工件的同时加工。加工时，齿轮没入加工介质(包含滚抛磨块、 水和抛光液等)中一定深度，且齿轮端面法向与齿轮处滚抛磨块流向成一定夹角β，我们称它为齿轮偏角。

  

图1 加工原理示意图

2 实验设备及试件

实验使用的装置是根据杨世春教授[12]等设计的强力全方位滚磨加工设备改进的“垂直交叉主轴式滚磨光整加工实验平台”。图2所示为实验装置实物图。滚筒直径800 mm，滚筒转速通过变频器可实现0～105 r/min的无级调速，齿轮转速可在0～40 r/min范围内自由调整。

  

图2 实验装置

实验对象为某20CrMnTi直齿圆柱齿轮，其尺寸参数如表1所示。齿轮经过渗碳淬火处理和磨齿加工，齿面粗糙度Ra值分布于0.6～0.8 μm，齿面硬度值约为58～63 HRC。在保证实验结果可靠的前提下，为了控制试验成本，此次实验的齿轮采取将其中一个齿轮的轮齿全部切下，然后将另外一个齿轮的其中一个轮齿切下。实验时，把从前一齿轮切下的轮齿分别采用铆接的形式安装在后者的“缺口处”，使后者始终保持完整的齿轮结构而不致影响加工介质的流态，如图3所示，这样每次仅把安装在“缺口处”的那个轮齿作为研究对象进行相关测试。

 

表1 试验齿轮尺寸参数

  

参数数值参数数值模数m/mm5齿数z48分度圆直径d/mm240齿顶圆直径df/mm250压力角α/(°)20齿根圆角半径ρ/mm1.7

  

图3 实验试件示意图

3 实验条件

主要研究垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺用于齿轮光整加工时的齿轮偏角、滚筒转速和加工时间对齿根表面加工质量的影响。使用统计学软件JMP，采用响应曲面法中的中心复合实验设计进行实验编排，同时按照图4所示，使用Mahr粗糙度仪分别测试齿根处5个区域内滚磨光整加工前后的表面粗糙度值，得到如表2所示的中心复合实验表。

  

图4 粗糙度值测试位置

(1)地下水的补给。勘查区大气降水丰富，多年平均年降雨量1 824 mm，河流溪沟发育，地热田地处山间沟谷盘地，两侧均为连绵起伏的丘陵，为地表水的聚集提供了先决条件。岩石风化及地壳活动强烈，形成了错综复杂的孔隙裂隙，为地下水的储存与运移提供了空间。断裂阻断或地形切割，提供了地下水排泄条件。

4 实验结果

图5是经过其中一组加工参数加工后，齿根表面粗糙度Ra值的变化图，其中，H为实际表面的相对高度；L为表面粗糙度仪探头划过的长度。可以看出，经过滚磨光整加工之后，齿根表面的粗糙度值明显下降。

图7中的(a)、 (b)、 (c)、 (d)分别对应滚磨前以及按照表2中实验号为07、10、14三组加工参数加工之后的微观形貌。显而易见，图7(a)中，齿根表面处存在着明显的磨削刀痕、微裂纹以及微坑等微观缺陷，但是经过上述三组加工参数加工之后的齿根表面变得平滑如镜，磨削刀痕、原有的微观缺陷等几乎全部去除，表面的均匀性和一致性较好。

 

  

图5 滚磨加工前后粗糙度变化图

 

表2 中心复合实验表

  

实验号齿轮偏角β/(°)滚筒转速ω1/(r/min)加工时间t/min加工前/μm加工后/μm01050600.6730.558020501200.7000.459

  

实验号齿轮偏角β/(°)滚筒转速ω1/(r/min)加工时间t/min加工前/μm加工后/μm030100600.6630.4930401001200.6740.338053050600.6340.3670630501200.5810.3160730100600.6400.24508301001200.6510.17609075900.6370.469103075900.6500.183111550900.6630.4171215100900.6860.199131575600.6520.2921415751200.6430.194151575900.6380.281161575900.6440.278

4.落实收入分配的改革措施，促进经济社会发展更加协调。东营工业化进程的推进，最终的目标是进入到后工业社会和现代社会，这不仅意味着工业发展阶段的提升，更重要的是发展成果为社会公众所共享，市民都过上富裕文明的幸福生活。这就需要针对当前收入分配中的突出矛盾，落实十八届三中全会的精神，努力推进收入分配改革，努力做到“两个同步”。

从表2 可以看出，经过滚磨光整加工以后，齿根表面的粗糙度值都有一定的下降，但是在不同加工参数条件下加工后的粗糙度值存在较大的差异。为此根据表2，在JMP的后处理中，通过“分析”-“拟合模型”-“响应”-“保存列”-“预测公式”，可以获得齿轮偏角β、滚筒转速ω1和加工时间t这3个加工参数与齿根表面粗糙度Ra值的拟合关系式为

 

图6是滚磨光整加工前后轮齿表面状态的对比图，显然，经过滚磨加工以后，齿面原有的磨削刀痕基本消失，齿面光洁度显著提高。

滚筒转速ω1=90 r/min，加工时间t=120 min；第二组：齿轮偏角β=25°，滚筒转速ω1=80 r/min，加工时间t=100 min。其他条件与之前保持一致，并且滚筒正反转时长各占加工时间的一半。滚磨加工前，齿根表面粗糙度Ra值分别为0.654 μm和0.616 μm，根据得到的预测公式，两组试验的齿轮粗糙度值最终应该分别为0.152 μm和0.200 μm，而滚磨加工之后的实测值分别为0.173 μm和0.206 μm。所以可以说，该公式具有较高的预测准确度。

为了验证该式的可靠性，进行了两组验证试验。两组加工参数分别为，第一组：齿轮偏角β=20°，

表 3所示为4个模拟工况下的数值计算结果, 在不改变其他条件的情况下, 讨论通入发动机的气体质量流率对其性能的影响. 从表中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 随着气体质量流率的增加, 发动机推力不断增大, 但其比冲和效率却不断降低, 这是因为随着注入高压气体质量流率的增大, 气体对发动机内部水流所做的有用功增大, 两相流在发动机出口处的速度增加, 所以推力增大. 比冲及效率降低的原因可能是注入气体的质量流率偏大, 导致局部气体体积分数过高使得两相之间的能量交换效率降低. 气液两相冲压发动机在航行速度为24 m/s 的条件下, 最优气体质量流率应小于13.57 g/s.

实验条件如下，滚筒有效直径800 mm，滚筒中滚抛磨块填充量为滚筒容积的60%，注水量以刚好没过滚抛磨块为宜，同时加入少量抛光液。加工过程中齿轮靠近滚筒内壁，且其回转中心与滚筒回转中心距离为200 mm，齿轮没入加工介质的深度为120 mm，齿轮转速始终保持15 r/min。加工过程中滚筒的转向需要正反转交替。

  

图6 滚磨加工前后齿面对比图

对于齿顶表面来说，由于相对运动空间更大，加工介质的通过性更好，所以齿顶的加工质量略优于齿根，本文中不再赘述。可见该种加工工艺能够提高齿轮的表面质量，减小粗糙度值，改善齿面微观形貌等，这些都有利于提高齿轮的使用性能，以及提高齿轮的接触疲劳强度。

 

 

 

  

图7 滚磨加工前后齿根表面微观形貌

5 结论

(1)垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺能够显著减小齿根表面的粗糙度值，能使其粗糙度等级提高1～2级。

(2)该种加工工艺能够明显改善轮齿的表面质量，经过滚磨加工以后，表面原有的刀痕，微观缺陷等都基本去除，齿面状态一致性好。

[48]Osonde Osoba, William Welser IV,An Intelligence in Our Image, California: RAND Corporation, 2017, pp.23-24.

参考文献

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