本文摘要：摘要：齒輪類零件是制約我國各類高端裝備自主研發(fā)的核心基礎(chǔ)件，齒輪表面質(zhì)量對其長壽命、低噪聲、高穩(wěn)定性運(yùn)行至關(guān)重要。在全面分析齒輪類零件多種不同光整加工工藝基礎(chǔ)上，從形性協(xié)同、一體化普適高效加工的角度明確了滾磨光整加工工藝改善齒輪類零件表面完整性的優(yōu)
摘要：齒輪類零件是制約我國各類高端裝備自主研發(fā)的核心基礎(chǔ)件，齒輪表面質(zhì)量對其長壽命、低噪聲、高穩(wěn)定性運(yùn)行至關(guān)重要。在全面分析齒輪類零件多種不同光整加工工藝基礎(chǔ)上，從形性協(xié)同、一體化普適高效加工的角度明確了滾磨光整加工工藝改善齒輪類零件表面完整性的優(yōu)勢。在綜合概述滾磨光整加工基本特征后，全面系統(tǒng)的綜述了國內(nèi)外有關(guān)齒輪類零件滾磨光整加工技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了不同工藝的技術(shù)原理、特點(diǎn)及適用范圍。針對齒輪類零件滾磨光整加工現(xiàn)階段存在的不同問題，立足優(yōu)質(zhì)高效、綠色普適和產(chǎn)業(yè)化實(shí)用的高質(zhì)量發(fā)展理念，從齒輪結(jié)構(gòu)特征、滾磨光整方式、加工表面演化、復(fù)合加工機(jī)理、介質(zhì)基本特征和改性工藝組合等方面提出了系統(tǒng)的新思考、新策略，對進(jìn)一步推進(jìn)齒輪類零件滾磨光整加工技術(shù)不斷升級發(fā)展有積極的參考與借鑒。
關(guān)鍵詞：滾磨光整加工;齒輪類零件;表面完整性;形性協(xié)同拋磨;顆粒流場
我國裝備制造業(yè)大而不強(qiáng)的重要原因是工業(yè)基礎(chǔ)能力薄弱，尤其是核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)(簡稱：工業(yè)四基[1])難以滿足重大裝備整機(jī)需求而大量依賴進(jìn)口。齒輪作為核心基礎(chǔ)零部件，直接決定著整機(jī)性能和可靠性，是制約重大裝備發(fā)展的“瓶頸”之一。目前，我國齒輪加工大多還停留在成形制造階段，生產(chǎn)的大多數(shù)齒輪在壽命、承載能力或可靠性方面無法滿足汽車自動變速器、航空航天、大型能源裝備、機(jī)器人、高鐵驅(qū)動單元等高端裝備的配套要求，對外貿(mào)易逆差近100億美元[2]。
因此，齒輪的形性協(xié)同制造是我國齒輪制造業(yè)從中低端向高端轉(zhuǎn)變的必經(jīng)之路。處于高轉(zhuǎn)速、大扭矩、高功率密度、交變載荷等復(fù)雜工況的齒輪，易發(fā)生輪齒折斷、齒面磨損、齒面膠合、點(diǎn)蝕、剝落、塑性變形等失效，嚴(yán)重影響傳動系統(tǒng)的可靠性[3]。據(jù)日本機(jī)械學(xué)會對各行業(yè)的齒輪傳動失效實(shí)例調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，約74%的齒輪傳動副失效因齒輪表面疲勞而引起[4]。齒輪的表面完整性(包括表面粗糙度、表面形貌、顯微硬度、殘余應(yīng)力、微觀組織等)是影響其服役性能和使用壽命的關(guān)鍵，對齒輪進(jìn)行光整加工可有效改善其表面完整性[5,6]。
為了實(shí)現(xiàn)高性能齒輪的國產(chǎn)化替代，適應(yīng)齒輪高強(qiáng)度、低噪聲、高精度、長壽命的多目標(biāo)要求，結(jié)合表面完整性制造與抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展方向[7,8]，在原有成形制造精度基礎(chǔ)上，探索低成本、高效率、高質(zhì)量的齒輪表面光整加工技術(shù)勢在必行。傳統(tǒng)齒輪光整加工工藝主要包括研齒、珩齒和磨齒等[6]。研齒時齒輪必須成對使用且不能互換，加工廢品率較高。在珩齒過程中珩磨輪使用壽命有限，需經(jīng)常修整，且加工質(zhì)量依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致加工效果不穩(wěn)定。磨齒設(shè)備昂貴且存在磨削燒傷的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生的表面紋理具有明顯的方向性且與嚙合線平行，易引起齒面溝槽間相互咬合，造成齒面失效。當(dāng)前國內(nèi)外齒輪表面改性或光整加工工藝主要有噴丸強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化、磨料流、電化學(xué)光整、滾磨光整加工等。
噴丸強(qiáng)化[9]會使齒面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，硬度、晶粒細(xì)化程度增加，從而提升齒輪承載能力，但引起的齒面粗糙度升高制約了齒輪使用性能的提升，需輔以其他齒面光整加工工藝來進(jìn)一步改善。激光沖擊強(qiáng)化(也稱激光噴丸)[10]適用于狹小空間，參數(shù)可精確控制，殘余應(yīng)力更大，可顯著改善齒輪的彎曲疲勞性能;但前后預(yù)處理工藝較繁瑣。磨料流加工[11]采用粘彈性磨料介質(zhì)對工件進(jìn)行去毛刺、拋光和倒圓，降低齒面及齒根部位的粗糙度，改善齒面應(yīng)力分布狀態(tài)和耐磨性，降低嚙合噪聲，加工形成的齒向中凸可起到齒輪修形作用;但夾具設(shè)計(jì)成本高、齒面粗糙度降低幅度有限等因素限制了其應(yīng)用。
電化學(xué)[12]及其復(fù)合光整工藝如脈沖電化學(xué)光整[13]和電化學(xué)機(jī)械光整[14]，均為非接觸式光整加工，陰極工具沒有損傷且不受齒面硬度和材料的影響，形成的“高原型”微觀幾何形貌提高了齒面的接觸面積，降低了摩擦系數(shù)，使得齒面磨損量減少、噪聲降低;但電化學(xué)加工對表面應(yīng)力狀態(tài)改善不明顯。滾磨光整加工工藝[15]可去除齒輪齒面的飛邊、毛刺等表面缺陷，棱邊倒圓，去除微觀裂紋;能提高齒面的粗糙度等級，明顯改善齒面形貌和加工紋理;提高表面顯微硬度及耐磨性，改善齒面應(yīng)力狀況，大幅延長齒輪的疲勞壽命;提高齒面清潔度和外觀光亮度等，可綜合改善齒輪類零件的表面質(zhì)量和表面完整性，提高齒輪承載能力和傳動性能，進(jìn)而提高產(chǎn)品的使用性能和可靠性。
1滾磨光整加工技術(shù)基本特征
1.1滾磨光整加工內(nèi)涵
滾磨光整加工作為一類典型的、常用的、有效的表面完整性制造工藝，可以在保持精度的同時對影響零件表面完整性的多指標(biāo)綜合改善[16]。加工時，具備研磨、拋光、光飾和微量磨削等功能的顆粒介質(zhì)(滾拋磨塊)和具備清洗、防銹、腐蝕、軟化、光亮、發(fā)泡、潤滑、緩沖等功能的輔助介質(zhì)(磨液和水或滾光油)，依據(jù)一定的幾何約束(容器)和運(yùn)動約束可以構(gòu)成一個強(qiáng)制介質(zhì)流場。被加工工件以自由或不同的預(yù)設(shè)運(yùn)動方式約束保持在強(qiáng)制的動態(tài)平衡的介質(zhì)流場中，經(jīng)過一定的加工時間及這個時段內(nèi)合理的運(yùn)動矢量調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對被加工工件表面的光整加工。
在相對運(yùn)動的作用下，顆粒介質(zhì)以不同程度的作用力對工件表面進(jìn)行碰撞、滾壓、滑擦、刻劃等綜合的微量磨削作用，旨在提高工件表面質(zhì)量，改善表面完整性，進(jìn)而提高零件的服役性能。Hashimoto等[17]工業(yè)發(fā)達(dá)國家的權(quán)威專家聯(lián)合發(fā)表包括滾磨光整加工工藝(如：VibratoryFinishing)在內(nèi)的高性能零件精磨技術(shù)綜述，并對比了不同工藝可實(shí)現(xiàn)的重要形性加工指標(biāo)(表面粗糙度、切向力法向力、殘余應(yīng)力、比能量)，由此可看出滾磨光整加工技術(shù)具有良好的形性協(xié)同拋磨優(yōu)勢。
滾磨光整加工的主要優(yōu)點(diǎn)是：1)可以實(shí)現(xiàn)不同大小、不同形狀和不同材質(zhì)零件的批量加工;2)可以一次性全方位加工到各種零件的幾乎所有復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位;3)可以同時對影響零件表面完整性的多指標(biāo)綜合改善;4)對加工設(shè)備的制造精度要求低，相應(yīng)的設(shè)備維護(hù)和介質(zhì)消耗總體費(fèi)用相對較低。廣泛應(yīng)用于零件綜合去毛刺、棱邊倒圓、清潔、除銹、表面改性等。
滾磨光整加工是一個多參數(shù)輸入輸出的系統(tǒng)，根據(jù)加工介質(zhì)的狀態(tài)通常分為[18]：干式滾磨和濕式滾磨，由于干濕狀態(tài)下介質(zhì)的流動特性不同，造成零件材料去除量、表面粗糙度及棱邊圓角的變化情況等加工差異性[19]。滾拋磨塊和液體介質(zhì)作為滾磨光整加工中的重要介質(zhì)，對工件的加工效果影響極大，探索不同材質(zhì)、形狀的滾拋磨塊0]及磨液1,對加工后表面質(zhì)量的影響規(guī)律及各自的作用機(jī)理，有助于揭示加工中的機(jī)械化學(xué)耦合作用并開發(fā)綠色滾磨光整加工工藝。
滾磨光整加工已用于多個領(lǐng)域高性能零件的拋磨23，其運(yùn)動方式包括：回轉(zhuǎn)式[2,2、振動式[2,2、渦流式[2、離心式[2、主軸式(旋流式30、叉軸式、臥式主軸式、拖曳式)等，具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。在改善零件表面微觀組織和力學(xué)性能方面，Kacaras等4]采用轉(zhuǎn)速76~600r/min的旋流式滾磨工藝加工AISI4140鋼，經(jīng)測試表面紋理縱橫比Str從0.06到0.72(Str>0.5，表示各向同性)，產(chǎn)生600~660MPa的殘余壓應(yīng)力且深度隨加工時間的延長和轉(zhuǎn)速的增大而顯著增加，在近表面區(qū)域產(chǎn)生加工硬化，觀察到深度為μm的晶粒細(xì)化。
工件固定于振動式滾磨光整設(shè)備中加工時稱為振動強(qiáng)化或振動噴丸(VibratoryPeening)，Kumar等5]對鎳基高溫合金試件采用傳統(tǒng)噴丸SP(ShotPeening)、振動噴丸VP及SP+VP三種工藝進(jìn)行加工，對比表面及亞表面的微觀組織和力學(xué)性能，晶粒尺寸分布如圖，可以看出加工后表層晶粒細(xì)化;殘余應(yīng)力沿試樣深度的變化如圖，VP加工后試樣表面及峰值殘余應(yīng)力相對較低但影響深度更大，且經(jīng)650℃的高溫松弛試驗(yàn)后，VP的殘余應(yīng)力松弛低于其他兩種工藝，表明其熱穩(wěn)定性好，適用于加工高溫下運(yùn)行的航空發(fā)動機(jī)部件。
滾磨光整加工兼具拋光和強(qiáng)化的作用，針對齒輪類零件，根據(jù)其材質(zhì)、齒槽特征、尺寸大小、初始表面狀況、棱邊毛刺、加工要求、生產(chǎn)批量等，選擇合適的容器、加工介質(zhì)及強(qiáng)制運(yùn)動方式可實(shí)現(xiàn)高效形性協(xié)同拋磨，加工后形成無方向性的表面紋理，改善齒輪的表面完整性，減少齒輪系統(tǒng)的振動和噪聲，減小甚至消除磨合期，降低點(diǎn)蝕失效的可能性[3638]，是一種最具市場應(yīng)用前景的齒輪光整加工工藝。
Mallipeddi等39比較了磨齒、珩齒和滾磨光整加工的齒輪表面形貌，滾磨光整加工產(chǎn)生的表面呈現(xiàn)各向同性，未出現(xiàn)類似磨齒、珩齒后規(guī)則的方向性溝壑狀紋理，表面粗糙度Ra分別為0.32μm、0.16μm、0.08μm;利用FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨合及效率測試，觀察表面狀態(tài)演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生與表面粗糙度有關(guān)，相同測試條件下，磨齒和珩齒齒輪均出現(xiàn)微點(diǎn)蝕，而滾磨光整加工的齒輪未發(fā)生。Koenig等[4,4測試了磨齒、噴丸、噴丸滾磨光整加工后齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，從中可以看出，噴丸、噴丸滾磨光整加工的齒輪接觸疲勞極限分別提升11%、21%，抗點(diǎn)蝕能力提高。以上研究驗(yàn)證了滾磨光整加工工藝在提升齒輪類零件性能方面的潛力和優(yōu)越性。
1.2材料去除機(jī)理分析
滾磨光整加工過程涉及物理作用、化學(xué)作用、物理化學(xué)耦合作用，難以全面定量分析，目前的研究表明材料去除過程中以機(jī)械作用為主，即主要由滾拋磨塊的滑動或滾動去除材料[17]。同時滾磨光整加工是一個多尺度的過程且各尺度間聯(lián)系緊密，加工介質(zhì)流場的宏觀運(yùn)動在介觀尺度上影響局部介質(zhì)與工件的接觸力和相對速度，在微觀尺度上影響單個滾拋磨塊與工件表面微凸體相互作用產(chǎn)生的劃痕。
因此預(yù)測模型的開發(fā)需考慮作用機(jī)理及相關(guān)尺度，現(xiàn)有預(yù)測模型大都圍繞純機(jī)械作用或化學(xué)作用建立在單一尺度上。機(jī)械作用方面，在大量實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，一些研究人員提出了材料去除率或表面粗糙度的唯象模型。如Li等42建立了立式離心式滾磨光整加工零件表面粗糙度的回歸分析預(yù)測模型。Jamal等43建立了旋流式與拖曳式滾磨光整加工的表面粗糙度回歸分析預(yù)測模型。
2齒輪類零件滾磨光整加工技術(shù)現(xiàn)狀
齒輪類零件材料不一，尺寸不等，種類多樣，在大批量滾磨光整加工時需考慮設(shè)備通用性，加工高效性，成本經(jīng)濟(jì)性，批量加工的可行性、均勻一致性�，F(xiàn)階段國內(nèi)外齒輪類零件滾磨光整加工技術(shù)根據(jù)運(yùn)動方式主要分為：振動式、主軸式、組合式等。
2.1齒輪類零件振動式滾磨光整加工
振動式滾磨光整加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域零件清潔、除銹、去毛刺、去飛邊、倒圓、表面拋光。國內(nèi)外研究人員47,5057通過實(shí)驗(yàn)研究、測試分析、模擬仿真、模型預(yù)測等方法考察了振動式滾磨光整加工中的關(guān)鍵變量，如設(shè)備頻率、振幅，介質(zhì)特征參數(shù)，工件的位置、方向等對工件的材料去除率、表面完整性(表面粗糙度，殘余應(yīng)力，硬度等)的影響規(guī)律。常用的振動式滾磨光整設(shè)備分為立式和臥式58，容器類型包含環(huán)形碗狀和形槽狀等，齒輪可自由放置在容器中進(jìn)行拋光和去毛刺，受流場空間及零件裝入量所限難免產(chǎn)生磕碰現(xiàn)象，適用于精度等級較低的小齒輪的拋光和去毛刺。
立式振動式設(shè)備亦可用于加工大型齒輪或齒圈，該工藝將齒輪以端面固定在容器中心，容器中的顆粒介質(zhì)與液體介質(zhì)(以下簡稱液粒介質(zhì))在激振力作用下形成特定形式的運(yùn)動，與齒輪表面產(chǎn)生一定的相對作用力，實(shí)現(xiàn)齒輪表面的光整加工。臥式振動式滾磨光整設(shè)備可用于中型齒輪零件的加工，將齒輪支撐在兩端同軸的大圓盤上，整體自由放置在臥式振動形槽中，槽中介質(zhì)在器壁振動作用下完成齒輪表面的光整加工。
國內(nèi)外已將振動式滾磨光整技術(shù)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的齒輪類零件，研究多集中在加工后成性指標(biāo)檢測及齒輪性能臺架試驗(yàn)。喬金維等60通過振動式滾磨對磨齒后的直齒圓柱齒輪進(jìn)行加工，使齒面粗糙度Ra由0.355μ降低至0.114μ，齒面間的摩擦磨損減小;齒面壓應(yīng)力由714MPa提高到849MPa;齒面粗糙度減小使得微觀接觸面積增加，提高了接觸剛度;采用封閉功率流式齒輪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動式滾磨加工對齒輪系統(tǒng)起到了減振降噪的作用。王道勇等61對振動式滾磨處理和未處理的齒輪采用兩種方案進(jìn)行了接觸疲勞試驗(yàn)，運(yùn)用羅卡提疲勞極限快速測定法測出振動式滾磨加工齒輪的疲勞強(qiáng)度提高14.8%，恒定載荷工況測定法得出齒輪疲勞壽命提高大于500%。
曲敬淵等62利用齒輪試驗(yàn)機(jī)對振動式滾磨光整和未光整的兩對設(shè)計(jì)參數(shù)相同的直齒圓柱齒輪進(jìn)行了運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和油液分析，結(jié)果表明：光整齒輪壽命(46.5h)較未光整齒輪(27h)提升1.7倍;磨損速度顯著降低，跑合時間縮短1/5。Snidle等63對振動式滾磨加工后的直升機(jī)傳動齒輪進(jìn)行了檢測分析，參數(shù)包括齒形齒廓偏差、齒距偏差、徑向跳動、平均齒厚及表面三維形貌、粗糙度等，報(bào)告顯示該工藝在確保齒廓及齒形精度的基礎(chǔ)上將齒面平均粗糙度Ra從0.4μ降至0.050.1μ。
Britton等64對磨齒與振動式滾磨加工齒輪進(jìn)行了摩擦損失臺架試驗(yàn)，在5000r/min的最高轉(zhuǎn)速下，光整加工齒輪比磨齒齒輪的摩擦功率損失減小30%，工作溫度降低約10℃;這些改善若用于航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇驅(qū)動的大功率減速齒輪，則可減少冷卻設(shè)備的重量和成本。Krantz等65通過恒定工況下的臺架試驗(yàn)，對磨齒和振動式滾磨光整加工的AISI9310鋼齒輪進(jìn)行了疲勞壽命測試，結(jié)果表明在91%的置信水平下，滾磨光整加工齒輪的疲勞壽命延長10%。
上述傳統(tǒng)振動式滾磨光整工藝加工時間較長，通常為幾個小時甚至十幾個小時，加工效率較低。為提高材料去除率，減少加工時間，美國REM公司66聚焦化學(xué)作用，開發(fā)了化學(xué)加速振動拋光工藝CAVF(hemicallycceleratedibratoryinishing)，也稱為各向同性超精加工工藝ISF(IsotropicSuperfinishing)，將特殊配方的弱酸性化學(xué)助磨劑(PH≈5.5)加入振動光整工藝中，該液體活性化學(xué)劑在工件表面形成約1µm的軟化層，滾拋磨塊與工件的相互作用清除了表面的軟化層及微觀凸峰。
新暴露的金屬表面重新形成軟化層，不斷被磨去又再生成，直至達(dá)到所需的材料去除量或表面粗糙度;之后停止加入助磨劑，并將堿性清潔化學(xué)劑加入設(shè)備以去除工件表面的弱酸性化學(xué)劑殘留，完成工件的光整加工。ISF工藝結(jié)合了化學(xué)作用與機(jī)械作用，Song等67人研究發(fā)現(xiàn)為了獲得高質(zhì)量的表面完整性，必須使表面軟化層的形成速度與機(jī)械作用對材料的去除速度保持良好的平衡。Michaud等68檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ISF工藝不會影響齒輪的齒形齒向精度且弱酸性化學(xué)助磨劑不會引起齒輪的晶間腐蝕和氫脆現(xiàn)象。
ISF工藝在國外已經(jīng)成熟,70且作為齒輪類零件光整加工及修復(fù)7173的常規(guī)工藝，美國齒輪制造業(yè)協(xié)會(AGMA)及諸多研究人員通過使用性能測試證明了ISF工藝在航空航天7478、重型機(jī)械、風(fēng)電、汽車81等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，加工時間顯著減少且齒輪性能優(yōu)勢凸出，如齒輪的承載能力和耐用性提高，工作溫度降低，點(diǎn)蝕或微點(diǎn)蝕的發(fā)生幾率減少。ISF工藝的加工余量約為0.01mm，對齒輪的初始表面精度要求較高，一般在齒輪齒根部位表面粗糙度和形位公差完全合格的精磨基礎(chǔ)上進(jìn)行加工82，且該工藝對齒面硬度的提升較小。
2.2齒輪類零件主軸式滾磨光整加工
主軸式滾磨光整加工的設(shè)備類型包含旋流式、叉軸式、拖曳式、臥式主軸式。旋流式滾磨光整加工是將安裝在主軸上的齒輪豎直插入裝有液粒介質(zhì)的滾筒中，通過主軸與滾筒繞各自軸線的正反向回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對齒輪表面的光整加工。該工藝因其加工效率高，已應(yīng)用于多家齒輪生產(chǎn)廠，其為廊坊市北方天宇機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BJG-X400B旋流式滾磨光整設(shè)備加工齒輪的狀態(tài)。
“2020年中國(國際)光整加工技術(shù)及表面工程學(xué)術(shù)會議”的相關(guān)報(bào)告中公開的某特種齒輪加工工藝流程所涉及的滾磨光整也采用旋流式滾磨光整加工方法。趙光輝等83基于齒輪分形接觸強(qiáng)度理論和赫茲理論，分析了主軸式滾磨光整齒輪與傳統(tǒng)磨削齒輪的表面形貌對齒輪接觸應(yīng)力的影響，滾磨光整工藝可以使齒面粗糙度得到有效改善，表面微觀紋理趨于各向同性，通過疲勞極限Locati快速測定法進(jìn)行對比試驗(yàn)，得出接觸疲勞極限從1651MPa提高至1890MPa。
Hashimoto等84對磨齒和噴丸強(qiáng)化處理后的齒輪進(jìn)行旋流式滾磨光整加工，增加了齒輪豎直方向的往復(fù)運(yùn)動，經(jīng)齒輪疲勞試驗(yàn)機(jī)對比測試發(fā)現(xiàn)齒面彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，改善了齒輪嚙合時的潤滑狀態(tài)且齒面不易發(fā)生點(diǎn)蝕失效。旋流式滾磨光整工藝對齒頂?shù)募庸ばЧ^好，對齒根及垂直于回轉(zhuǎn)軸線端面的加工效果較差;且主軸轉(zhuǎn)速較高時易在齒輪軸軸頸處出現(xiàn)滾拋磨塊運(yùn)動的環(huán)形痕跡;加工過程中液粒介質(zhì)對工件表面的作用力受加工深度的影響較大，因此適用于齒寬較小的齒輪類零件。
主軸式滾磨光整加工中滾筒靜止，主軸繞自身軸線正反向回轉(zhuǎn)或做行星運(yùn)動時稱為拖曳式滾磨光整加工。anas’ev等85通過實(shí)驗(yàn)評估該工藝加工齒輪的有效性，將齒輪浸入裝有黑碳化硅磨塊的滾筒并以3000r/min的轉(zhuǎn)速正反回轉(zhuǎn)各1min，分別測試了三種粒度磨塊及其等比例混合磨塊的加工效果，加工后齒輪端面倒圓，圓角值從齒根到齒頂非線性增大且上下端面有差異，小尺寸磨塊加時倒圓半徑較小，混合磨塊可更均勻地去除材料。
Frechette等8687為適應(yīng)汽車行業(yè)齒輪大批量加工的需求及準(zhǔn)時制生產(chǎn)方式，提出化學(xué)加速拖曳式滾磨光整工藝，圖為其加工設(shè)備，設(shè)計(jì)的磁性夾具可實(shí)現(xiàn)汽車后橋準(zhǔn)雙曲面齒輪組的一次性加工;該工藝是將齒輪組固定在旋轉(zhuǎn)臺上，浸沒在裝有陶瓷介質(zhì)的滾筒中，并加入約50℃的弱酸性化學(xué)助磨劑，齒輪繞自身軸線回轉(zhuǎn)且繞旋轉(zhuǎn)臺公轉(zhuǎn)，可在10min內(nèi)將工作齒側(cè)表面粗糙度值從Ra0.560.57μ減小至Ra0.070.09μ，經(jīng)測試滿足客戶對噪聲、振動、聲振粗糙度(VH)的要求，顯著改善齒面嚙合區(qū)的摩擦，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提高0.5%，減少溫室氣體的排放。
2.齒輪類零件組合式滾磨光整加工
由于傳統(tǒng)運(yùn)動方式的滾磨光整加工方式均有其局限性，因此針對零件不同應(yīng)用場合的特定加工需求，改善形性協(xié)同拋磨作用并提升加工效率，太原理工大學(xué)零件表面光整加工團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種滾磨光整加工組合工藝，進(jìn)行了機(jī)理分析、模擬仿真及實(shí)驗(yàn)研究，為齒輪類零件滾磨光整新工藝的開發(fā)鑒定了基礎(chǔ)。
針對油泵齒輪對端面質(zhì)量及批量加工效率要求高的實(shí)際需求，楊勝強(qiáng)等91提出一種往復(fù)旋流復(fù)合光整加工工藝，該工藝方案基于旋流式滾磨光整加工設(shè)備，增加了一個豎直方向的凸輪升降機(jī)構(gòu)，一次性可加工多個齒輪。王琦92從理論上分析了齒輪在往復(fù)旋流復(fù)合光整工藝下任意點(diǎn)的切削速度和切削角的變化規(guī)律，升降運(yùn)動使得齒輪端面產(chǎn)生了軸向端面切削角，采用BJG-X1400旋流式滾磨光整設(shè)備進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，證明該工藝可在保證加工效率和油泵齒輪齒面質(zhì)量的同時，改善油泵齒輪的端面質(zhì)量。
針對汽車高端變速箱同步器齒套梅角棱邊倒鈍和毛刺去除的生產(chǎn)難題，楊勝強(qiáng)等93研發(fā)了自動夾具以及專用浮動式工裝，能夠?qū)崿F(xiàn)齒套內(nèi)外圈或其他對內(nèi)外圈有光整要求的環(huán)形零件的一次性整體表面處理，加工后的棱邊圓滑倒鈍，毛刺去除且棱邊去除量在公差范圍內(nèi)。
由于大中型盤類零件各部位的速度差異大，表面加工不均勻性明顯增加，為了有效解決加工差異性，李文輝等94提出一種垂直交叉主軸式滾磨光整加工工藝，該工藝中齒輪與滾筒的回轉(zhuǎn)軸線在空間上相互垂直，滾拋磨塊與齒輪表面的相對運(yùn)動是通過滾筒的回轉(zhuǎn)、齒輪的回轉(zhuǎn)與擺動來實(shí)現(xiàn)的，該加工方法能夠一次性全方位地實(shí)現(xiàn)齒輪各部位去毛刺、拋光及表面力學(xué)性能改善，齒廓表面加工均勻性好，表面粗糙度等級提高1~2級，加工后能在齒廓表面形成殘余壓應(yīng)力，齒根部位應(yīng)力集中改善明顯，該方法也可適用于小型齒輪光整。謝盼新對齒輪的垂直交叉主軸式滾磨光整加工工藝進(jìn)行了理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)研究，考察了各工藝參數(shù)對加工效果的影響。
3關(guān)于齒輪類零件滾磨光整加工技術(shù)發(fā)展的思考
現(xiàn)有滾磨光整設(shè)備難以滿足不同應(yīng)用場合的高性能齒輪的多目標(biāo)加工需求，而采用相同光整工藝加工的齒輪具有趨同的性能，裝機(jī)嚙合后整機(jī)性能最佳，因此基于系統(tǒng)工程思維，針對齒輪類零件的不同結(jié)構(gòu)特征、材料特性、加工基礎(chǔ)、加工目標(biāo)實(shí)施有針對性的分類發(fā)展策略，重點(diǎn)分析齒槽半封閉構(gòu)形特征、棱邊及槽口去毛刺及倒圓、齒根和齒頂?shù)募庸ぞ鶆蛐砸蠹跋拗�，研發(fā)適用于不同齒輪類零件批量化生產(chǎn)的滾磨光整加工工藝，具體涉及干濕式滾磨光整加工方式、運(yùn)動方式、加工介質(zhì)特征與齒槽結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系、加工機(jī)理、精加工工序優(yōu)化、整機(jī)性能等方面的研究。
3.1齒輪類零件干式滾磨或濕式滾磨的差異性研究
滾磨光整加工通常采用干式滾拋磨塊顆粒體系或滾拋磨塊和液體介質(zhì)兩相流場來進(jìn)行，借鑒相關(guān)領(lǐng)域及學(xué)科關(guān)于顆粒物質(zhì)理論、多相流理論的最新研究方法和成果，基于離散元有限元法、統(tǒng)計(jì)分析方法，確定加工介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系和接觸模型，模擬仿真研究加工介質(zhì)的流場特征、速度場分布、力鏈、碰撞次數(shù)等時空演變規(guī)律。
并通過光彈實(shí)驗(yàn)、聲發(fā)射技術(shù)、CT成像技術(shù)、粒子圖像測速(PIV)、粒子跟蹤測速(PTV)等測試方法對顆粒尺度上各磨塊的受力狀態(tài)、力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、滑動和滾動磨擦、碰撞變形、位移特征等參量進(jìn)行展現(xiàn)、捕捉和追蹤，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，有助于解釋不同邊界條件及干濕狀態(tài)下加工介質(zhì)的流場特征及其運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)行為、介質(zhì)與齒面接觸力分布等方面的差異性;分別測試干式及濕式滾磨光整加工后齒輪的表面完整性(表面粗糙度、表面形貌、殘余應(yīng)力、金相組織等)、材料去除量、棱邊圓角等指標(biāo)變化情況，構(gòu)建主要成性指標(biāo)與介質(zhì)流場特征參數(shù)的關(guān)系模型，為揭示加工后齒輪各成性指標(biāo)差異的產(chǎn)生機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。
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作者：楊英波1,2，李文輝*1,2，李東祥3，侯圣文4,5，楊勝強(qiáng)1,2
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