付 杰

中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司

面齒輪磨削工藝參數(shù)優(yōu)化研究

付 杰

中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司

面齒輪傳動(dòng)是一種圓柱齒輪與圓錐齒輪相嚙合的齒輪傳動(dòng)，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)和幾何特性。磨削一般作為面齒輪的最終加工工序，因其成形機(jī)理復(fù)雜，影響加工因素多，加工參數(shù)在線檢測(cè)困難，所以磨削加工過(guò)程的工藝方案優(yōu)選是困擾制造企業(yè)的難題。為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度、高效率、低耗能的加工目標(biāo)，需研究各個(gè)磨削工藝參數(shù)對(duì)加工目標(biāo)的影響規(guī)律，找出最佳的工藝參數(shù)值，確定優(yōu)化的工藝方案。鑒于此，本文主要分析面齒輪磨削工藝參數(shù)優(yōu)化。

面齒輪；磨削工藝；參數(shù)優(yōu)化

1 面齒輪磨齒原理

與其他類型的齒輪傳動(dòng)相比，面齒輪傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷史較短，但由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸被大家重視起來(lái)；現(xiàn)在主流的面齒輪加工方法有磨齒、插齒和滾齒，其中插齒和滾齒屬于粗加工，磨齒屬于一種精加工的加工方式。早期面齒輪常常用在低速小載荷的場(chǎng)合中，對(duì)其加工質(zhì)量的要求不嚴(yán)格，不需要進(jìn)行磨齒加工。而目前面齒輪大部分應(yīng)用于航空領(lǐng)域，航空領(lǐng)域?qū)X輪質(zhì)量的要求及其嚴(yán)格。因此開(kāi)展對(duì)面齒輪磨齒技術(shù)的研究變得非常有必要。

2 面齒輪磨削工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)變量設(shè)計(jì)。在磨削齒輪過(guò)程中磨削用量各參數(shù)取值大小直接關(guān)系著齒輪表面質(zhì)量高低、效率大小，因此，本節(jié)以磨削工藝參數(shù)(砂輪轉(zhuǎn)速vs、磨削深度ap和工件速度vw)為優(yōu)化設(shè)計(jì)基本變量。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1)表面粗糙度。表面粗糙度(surfaceroughness)是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。表面粗糙度與齒輪的耐磨性、接觸剛度、疲勞強(qiáng)度以及傳動(dòng)齒輪間的摩擦、磨損、配合性質(zhì)振動(dòng)和噪聲等有著十分緊密的關(guān)系，對(duì)齒輪的可靠性和使用壽命有著重大的影響，過(guò)高的粗糙度是造成齒輪失效的重要原因之一。

2)磨削變質(zhì)層深度。變質(zhì)層是指已加工工件的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)物理性質(zhì)及力學(xué)性能不同于心部的加工影響層。磨削變質(zhì)層的硬度和組織對(duì)機(jī)械零件的使用性能有著重要的影響，其殘余應(yīng)力狀況是造成磨削裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一，因此磨削變質(zhì)層深度(h)評(píng)價(jià)磨削表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。

2.2 磨齒實(shí)驗(yàn)

(1)正交試驗(yàn)法。我們?cè)趯?shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，往往要通過(guò)比較多的實(shí)驗(yàn)，但是由于對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響的因子常常很多，并且如果實(shí)驗(yàn)做得比較多，對(duì)控制成本不利，甚至?xí)?duì)設(shè)備具有損害。以前人們普遍采用的全面試驗(yàn)的方法，然而當(dāng)因素超過(guò)2個(gè)時(shí)，我們需要做的工作量會(huì)極大變多，這樣是非常不切實(shí)際的。我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要滿足2個(gè)條件，一是效率方面要高，二是結(jié)論要正確。

(2)檢測(cè)儀器與方法。

1)磨削表面粗糙度檢測(cè)采用的是德國(guó)霍梅爾-艾達(dá)米克(隸屬德國(guó)業(yè)納集團(tuán))公司生產(chǎn)生產(chǎn)的HommelWerkeT8000粗糙度輪廓測(cè)量?jī)x(其檢測(cè)精度可達(dá)0.001um)，樣品長(zhǎng)度為0.25mm，檢測(cè)距離為2mm，在移動(dòng)時(shí)探針的速度為0.15mm/s，對(duì)齒面Ra檢測(cè)三次，計(jì)算得出的平均值作為實(shí)驗(yàn)的表面粗糙度Ra實(shí)際值。2)用線切割法沿齒面硬化層方向切割，以獲取實(shí)驗(yàn)樣品，用800#的細(xì)砂紙拋光打磨，使用Lecd-AMH2000型全自動(dòng)顯微硬度計(jì)對(duì)面齒輪齒輪樣品進(jìn)行測(cè)量。施加載荷：4.8N，加載時(shí)間：13s。距離試樣表層0.1mm開(kāi)始，每隔0.2mm測(cè)一次，在與表層同一距離處測(cè)量三次，取三者硬度的平均值，顯微硬度儀即可自動(dòng)計(jì)算出硬度值。

(3)磨削正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。以砂輪轉(zhuǎn)速sv、磨削深度ap和工件速度vw作為本次實(shí)驗(yàn)的三個(gè)因素，其他影響因素可視為通常水平。每個(gè)因素取三個(gè)水平，以表面粗糙度Ra、磨除率Zw和磨削變質(zhì)層深度h為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用4因素3水平正交表即4L9，并增加一列作為空列，已便于做方差分析，共做9組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)各個(gè)因素的范圍及水平，如表1所列。

表1 面齒輪磨削正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用極差分析法，分析了每個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，結(jié)果如表2和表3所示。表中，Ki表示水平號(hào)為i(i=1、2、3)列時(shí)所對(duì)應(yīng)的

試驗(yàn)結(jié)果之和。R為極差分析值，在任一列上123123R max{K，K，K} min{K，K，K}。

表2 變質(zhì)層深度h極差分析表

表3 磨除率wZ極差分析表

我們可以看到每一列的R值是不相同的，這表明每個(gè)因素的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度是不一樣的。R值越小則所對(duì)應(yīng)的因素對(duì)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響就越小，反之亦然。在本次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)Zw越大越好，應(yīng)取指標(biāo)大的水平，即各列中Ki取最小的值時(shí)所對(duì)應(yīng)的水平；實(shí)驗(yàn)指標(biāo)Ra和h越小越好，所以應(yīng)取指標(biāo)小的水平。

總之，面齒輪傳動(dòng)有諸多優(yōu)點(diǎn)獨(dú)特與性能突出的特性是其它齒輪所不能替代的。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)面齒輪的研究起步較晚，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相較差距明顯。磨齒技術(shù)是加工精密面齒輪的重要工藝過(guò)程。精密加工的設(shè)備要提高，磨齒面齒輪的理論及技術(shù)水平也要相應(yīng)的提高。對(duì)于面齒輪的齒面幾何形狀，齒面嚙合的相關(guān)理論，以及齒面的表面微觀形貌特征都需要進(jìn)行更詳細(xì)的研究。磨齒加工的齒面齒形的優(yōu)化，加工的砂輪方式的多樣化，對(duì)于提高面齒輪磨削技術(shù)的創(chuàng)新都具有很大的研究意義。

[1]明興祖,羅旦,劉金華,嚴(yán)宏志.面齒輪磨削加工工藝參數(shù)的優(yōu)化[J/OL].中國(guó)機(jī)械工程,2016,27(19)：2569-2574.

[2]徐敏,馮育敏,杜改梅,趙興龍.小模數(shù)硬齒面齒輪磨削燒傷分析與預(yù)防[J].機(jī)械傳動(dòng),2014,38(07)：127-130.