滾磨光整技術(shù)在大型齒輪加工中的應(yīng)用

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以風(fēng)電齒輪軸為研究對象，采用臥式滾磨光整設(shè)備進(jìn)行光整加工試驗。試驗結(jié)果表明，光整加工后，零件表面的溝壑狀紋理有所改善，表面粗糙度提升了1～1.5個等級，不會對齒輪精度造成影響，齒面壓應(yīng)力值有大幅度提升，進(jìn)而提高了零件的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，可為滾磨光整加工技術(shù)在大型齒輪加工中的應(yīng)用提供依據(jù)。

〡作者：張金夢〡單位:重慶齒輪箱有限責(zé)任公司

隨著風(fēng)電行業(yè)向大兆瓦級和離岸式發(fā)展，對整機(jī)的可靠性和疲勞壽命提出了更高的要求。增速齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的核心部件，其內(nèi)部齒輪 表面質(zhì)量的好壞直接影響風(fēng)機(jī)使用性能的優(yōu)劣。光整加工技術(shù)作為提高表面質(zhì)量的有效途徑，是近些年抗疲勞制造的新型加工技術(shù)之一，將其應(yīng)用于齒輪加工過程中，可以改善齒面的微點蝕，提升表面壓應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度，提高耐磨性，并保證齒輪精度不受 破壞。為了改善齒輪表面的完整性，提升零件性能，對光整技術(shù)在大型硬齒面齒輪加工中的應(yīng)用進(jìn)行研究。本文采用滾磨光整技術(shù)，選取風(fēng)電增速齒輪箱關(guān)重件齒輪軸進(jìn)行研究，探尋光整加工對齒輪綜合性能的影響，為大型齒輪的質(zhì)量提升提供依據(jù)。 

01滾磨光整技術(shù)簡介

光整加工技術(shù)發(fā)展:20 世紀(jì)70年代，各個工業(yè)發(fā)達(dá)國家提出毛刺去除技術(shù)，并隨著技術(shù)的發(fā)展，與棱邊、表面光整技術(shù)結(jié)合在一起進(jìn)行研究。我國是在20世紀(jì)90年代才開展相關(guān)研究，現(xiàn)在已經(jīng)普遍應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。對于大型齒輪，光整加工在國內(nèi)仍處于起步階段，而在國外的應(yīng)用已較為普遍，并且相關(guān)廠家的研究表明， 光整技術(shù)有助于改善齒輪表面質(zhì)量，對齒輪的傳動性能和使用壽命有顯著的提升作用; 因此，對大型齒輪進(jìn)行光整加工技術(shù)的研究顯得十分必要。 

光整加工原理: 光整加工可以進(jìn)行去除飛邊毛刺、刀痕等工作， 具有降低表面粗糙度，改善表面外觀質(zhì)量、應(yīng)力狀態(tài)， 提高零件表面的耐磨性，消除零件表面上殘留的各種缺陷等優(yōu)點，其工作原理如圖1所示。加工時，將一定配比的磨塊和磨液介質(zhì)3裝入料箱4中，被加工零件2通過傳動架1放入料箱中，通過機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和料箱的往復(fù)運(yùn)動，使磨塊和被加工零件表面之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而實現(xiàn)對工件的去毛刺、倒棱及表面光整加工。

圖1 光整加工工作原理 

1.傳動架 2.被加工零件 3.磨塊和磨液介質(zhì) 4.料箱

光整加工對疲勞性能的影響: 由于表面加工形成的表面粗糙度相當(dāng)于在零件 表面存在很多的微缺口，在零件承受載荷時就會產(chǎn)生應(yīng)力集中，表面質(zhì)量不同，零件的疲勞強(qiáng)度也不同。為研究其影響，在疲勞強(qiáng)度計算中引入了表面加工系數(shù)β1，其定義為: β1=( σ－1 ) β /σ-1       (1) 

式中: ( σ-1 ) β 為在某種表面加工情況下，試樣的疲勞極限; σ-1為磨光試樣的疲勞極限。根據(jù)文獻(xiàn)所提供的鋼件試樣的表面加工系數(shù)，對于扭轉(zhuǎn)疲勞，在缺乏試驗數(shù)據(jù)時，可以選取彎曲時的表面加工系數(shù)β1代替，不同表面加工狀態(tài)下，鋼件試樣的表面加工系數(shù)如圖2所示。從圖2中可以看出，表面粗糙度值越低，零件的表面加工系數(shù)越高，零件的疲勞極限值越高。

圖2 鋼件試樣的表面加工系數(shù)

同樣，表面粗糙度對零件的常溫疲勞壽命有著顯著的影響，表面粗糙度值越高，疲勞壽命就越低。在機(jī)械加工表面上總存在有高低不平的加工痕跡( 即微小缺口) ，會在零件表面造成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中的程度可以通過應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行評定，其計算方法為:

              (2) 

式中: Kγ 為應(yīng)力集中系數(shù); h為微觀不平度高度; ρ為波谷的曲率半徑; γ 為不平度間距與其高度之比的相關(guān)系數(shù)。在疲勞試驗中，對疲勞壽命有影響的實際上是有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf，其理論計算公式為:

    (3) 

式中: q為材料對應(yīng)力集中的敏感系數(shù)。由式(2) 和式(3) 可知，表面粗糙度值越高，即Kγ越大，有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf就越大，零件的疲勞壽命就越低。

02風(fēng)電齒輪軸光整加工試驗

零件參數(shù):本文試驗以某型號風(fēng)電增速齒輪箱齒輪軸為研究對象，其零件材料為18CrNiMo7-6，模數(shù)為8mm，齒面硬度達(dá)到58HRC～62HRC，進(jìn)行光整加工的前道工序為磨齒，齒面平均粗糙度為Ｒa0.420μm，齒輪軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 齒輪軸的結(jié)構(gòu)尺寸

光整加工參數(shù): 本文試驗采用WH2000型臥式滾磨光整設(shè)備; 料 箱徑向擺動往返頻次為40次/分鐘; 齒輪軸的轉(zhuǎn)速為53 r/min; 磨料選用球徑為3mm的高溫?zé)Y(jié)型圓球體磨料，其粒度為1 200#，硬度值＞115HRA，抗壓強(qiáng)度＞9×107 N/m2。在整個光整加工過程中，每30min對齒面與軸頸外圓的輪廓算數(shù)平均差Ｒa值和輪廓最大高度Ｒz值進(jìn)行檢測，齒輪軸的光整加工過程和磨料如圖4所示。

圖4 齒輪軸的光整加工過程和磨料

03光整加工試驗結(jié)果分析

表面紋理分析: 圖5所示為光整加工前、后的齒面60倍放大對比圖。從圖5中可以看出，經(jīng)過光整加工后，齒面表面紋理由平行紋理變?yōu)镻型紋理，溝壑形貌大幅度改善， 有效地控制了裂紋缺陷的萌生源，即應(yīng)力集中點，同時，有助于延長零件的裂紋擴(kuò)展壽命。

圖5 光整加工前、后的齒面 60 倍放大對比圖

表面粗糙度分析: 光整加工后，齒輪軸整體表面的銳邊全部變?yōu)閳A角狀態(tài)，棱邊倒圓整齊，手感柔滑，產(chǎn)生了鏡面效果。經(jīng)檢測，未發(fā)現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。齒輪軸光整加工前、后整體對比及加工后細(xì)節(jié)展示如圖6所示。圖7所示為光整加工表面粗糙度變化曲線。從圖7中可以看出，經(jīng)過光整加工后，齒輪軸齒面表面粗糙度的Ｒa 值由Ｒa 0.420μm 降低為Ｒa 0.223μm，Ｒz值由Ｒz 3.046μm降低為Ｒz 0.733 μm; 長軸頸表面粗糙度的Ｒa 值由Ｒa 0.374 μm 降低為Ｒa 0.151μm，Ｒz 值由Ｒz 2.826μm 降低為Ｒz0.374 μm; 零件表面粗糙度等級整體提高了1～1.5 個等級。表面粗糙度值的降低，可以減小齒輪軸微觀的應(yīng)力集中，進(jìn)而提升齒輪的可靠性和傳動平穩(wěn)性，提升齒輪的嚙合精度。

圖6 齒輪軸光整加工前、后整體對比及加工后細(xì)節(jié)展示

圖7 光整加工表面粗糙度變化曲線

齒部精度分析: 通過三坐標(biāo)儀對齒輪精度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)齒部公法線長度由137.068mm降低至137.051mm，減小了0.017 mm，公法線長度滿足技術(shù)要求; 齒形綜合偏差減小了0.79μm，齒向綜合偏差減小了0.37μm，齒距累計偏差和跳動值有所減小，但齒部精度滿足技術(shù)要求，光整加工前、后齒部精度報告對比如圖8所示。

圖8 光整加工前、后齒部精度報告對比

由圖8可見，滾磨光整加工不會對齒輪齒面精度造成影響。 

齒面壓應(yīng)力對比分析: 光整加工前、后對齒形試樣分別選取齒頂、齒面中部和齒根這3處進(jìn)行X射線衍射分析，得到光整加工前、后齒面壓應(yīng)力測試結(jié)果，如表1所示。從表1中可以看出，齒頂和齒面中部壓應(yīng)力值均有所提升，提升幅度約為35% ～45%。表面壓應(yīng)力值的提升，可以提高零件的疲勞強(qiáng)度，尤其對齒根彎曲強(qiáng)度有大幅度提升，從而延長零件的使用壽命。

疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命分析: 通過本文光整加工試驗，零件的表面粗糙度由光整加工前的Ｒa0.420μm降低為光整加工后的Ｒa0.223μm，即由圖2中的磨光階段轉(zhuǎn)變?yōu)閽伖怆A段，零件的抗疲勞強(qiáng)度有所提升。通過光整加工試驗，零件的表面粗糙度Ｒa值平均降低了50%左右，Ｒz值平均降低了80%左右( 直接影響到微觀不平度高度h的大小) ，即波谷曲率半徑ρ增大，不平度間距與其高度之比的相關(guān)系數(shù)γ減 小。假設(shè)ρ、γ的影響忽略不計，微觀不平度高度h隨著表面粗糙度Ｒz值的降低而降低，通常在風(fēng)電增速齒輪箱設(shè)計時，取Kγ=1.05，通過式(2)計算可得，應(yīng)力集中系數(shù)的降低量ΔKγ為: ΔKγ =Kγ－K γ≈0.065～0.070 (4) 式中: Kγ 為光整前的應(yīng)力集中系數(shù); K γ 為光整后的應(yīng)力集中系數(shù)。由式(2)和式(3) 可知，表面粗糙度值越低，有效應(yīng)力集中系數(shù)越小，零件的疲勞壽命就越高。

04結(jié)語

1) 通過對風(fēng)電增速齒輪箱齒輪軸進(jìn)行光整試加工，提高了零件表面質(zhì)量，去除了劃痕，大幅度改善了溝壑狀紋理、微觀裂紋等表面缺陷。 

2) 零件的表面粗糙度等級有所提升，齒頂?shù)菇翘幐鼮閳A滑，保證了不同表面之間的光滑過渡，齒面的表面粗糙度提高了1～1.5個等級，減小了微觀應(yīng)力集中，進(jìn)而提升了齒輪的可靠性、傳動平穩(wěn)性以及嚙合精度。 

3) 齒輪軸公法線長度減小了0.017mm，齒形綜合偏差減小了0.79μm，齒向綜合偏差減小了0.37μm， 滾磨光整加工技術(shù)不會對齒輪齒面精度造成影響。 

4) 零件表面壓應(yīng)力提升了35 %～45%，尤其對齒根彎曲強(qiáng)度有大幅度提升。 

5) 零件的抗疲勞強(qiáng)度得到了提升，有效應(yīng)力集中系數(shù)減小，零件的疲勞壽命提高。

END

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來源：現(xiàn)代制造工程

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