王 龍 田欣利 劉 謙 李德發(fā) 龍 航

(①陸軍裝甲兵學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072; ②裝備學院昌平士官學校，北京 102200; ③長沙雅澹清瀾信息科技有限公司，湖南 長沙 410000)

齒輪作為機械傳動中最重要的基礎零部件，具有傳動比準確、傳動平穩(wěn)、高效大功率傳動以及使用壽命長等優(yōu)勢，被廣泛應用在農(nóng)業(yè)機械、汽車船舶、航天航空、機床設備等領域[1-2]。微晶砂輪成形磨齒加工是齒輪加工中一種高精度的加工方法，適用于20CrMnTi、22CrMnMo等淬硬鋼齒輪的精加工[3-4]。中國國內(nèi)目前用于高精度磨齒加工的微晶砂輪多為進口產(chǎn)品。中國的國機精工有限公司依靠微晶陶瓷磨料的批量生產(chǎn)技術，推動國內(nèi)微晶陶瓷磨料砂輪制造業(yè)的發(fā)展。筆者所在課題組與國機精工有限公司等單位協(xié)同合作，以發(fā)展高效精密磨削微晶砂輪的應用工藝為目標，開展了新型微晶成形砂輪磨削20CrMnTi鋼齒輪的試驗研究。研究國產(chǎn)新型微晶剛玉砂輪成形磨齒的磨削過程與磨削性能，有利于推動國內(nèi)自主研制微晶剛玉砂輪的制造與應用。

1 齒面磨削熱模型簡化

砂輪與齒面磨削接觸弧區(qū)內(nèi)，磨齒溫度場可認為是無數(shù)個連續(xù)的面熱源對齒面的溫度場綜合作用結果。磨齒最高溫度是一非穩(wěn)態(tài)的瞬時傳熱過程形成的，對磨齒表層金相組織與力學性能都影響較大[5-7]。由于磨削生熱環(huán)境的復雜，通常將熱源強度分布簡化成均勻熱源、三角形熱源、拋物線熱源等[8-9]。若將漸開線齒面磨削過程簡化成平面磨削時，可近似認為磨削速度vs、軸向進給速度vf均不變。若βk為漸開線齒輪的壓力角，則轉換成平面磨削后的當量磨削深度ae與徑向進給量fr存在關式為：

ae=frcosβk

(1)

因此，若砂輪當量直徑為de，則當量磨削接觸弧長lse為[9]：

(2)

以熱源強度呈三角形分布的單向導熱模型進行模擬計算時，若切向磨削力為Ft，傳入工件的熱量的比率為η，磨削寬度為b，則三角形分布熱源的最大發(fā)熱流量qm為：

(3)

假若OXY為受熱平面，坐標OX方向為單向熱傳導方向，OZ為工件厚度方向。若熱擴散率為α，在平面上密度為ρ，比熱容為c；此外，在任取一點坐標M(x,0,z)，令t=x/vf，τ0=lse/vf，則該M點的溫度T為[10]：

(4)

據(jù)資料表明[6]，在水基冷卻液下成形磨削齒面時，傳入工件的熱量的比率η約為0.6。因考慮到微晶砂輪成形磨削齒面時的對流換熱，以及斜面?zhèn)鳠崆闆r的復雜性，將采用常系數(shù)K進行修正三角形分布熱源單向導熱模型的模擬計算結果。為了使溫度模擬計算結果逼近試驗測量結果，最后確定修正系數(shù)K約為0.35時的擬合效果較好。因此，經(jīng)模擬計算的最后有效磨削溫度Tper為0.35T。

2 磨齒試驗條件與方法

如圖1所示，在北京機電研究院生產(chǎn)的BV-75立式加工中心上建立微晶砂輪單齒面成形磨削試驗系統(tǒng)。將中國國機精工有限公司自主研發(fā)的新型微晶剛玉砂輪固定在FANUC BV75立式加工中心主軸上作高速旋轉，在水基冷卻液作用下對單齒面進行磨削試驗。微晶砂輪的尺寸規(guī)格為φ200 mm×20 mm×φ32 mm,微晶剛玉磨粒代號為WD-201。切向磨削力測量選用瑞士KISTLER 94272型號的高性能應變片式車銑鉆磨通用測力儀。采用單通道熱電偶數(shù)據(jù)記錄儀HRsoft_MTMS 2.06進行實時采集的磨齒界面的最高溫度。采用LINKS 2300A-RC型輪廓粗糙度測量儀測量磨齒表面的粗糙度。采用20CrMnTi滲碳淬火后的齒輪毛坯件，模數(shù)為4 mm，壓力角 20°，密度為7 800 kg/m3，比熱容為460 J/(kg·℃)，熱擴散率為9.73 mm2/s。

3 試驗結果與分析

3.1 磨削力與磨削溫度分析

切向磨削力Ft、磨齒界面的實測最高溫度Tact、三角形熱源單向傳熱模型模擬的最高溫度Tper隨磨削速度vs、軸向進給速度vf、徑向進給量fr這3個磨削用量的變化趨勢，如圖2所示?？梢?，當采用修正系數(shù)K=0.35模擬的溫度Tper雖然比磨齒界面的實際測量溫度Tact低，但能較好的逼近成形磨齒界面溫度，且能反映磨削溫度的變化趨勢。由圖2a可知，切向磨削力Ft隨著磨削速度vs的增大而減小，然而磨削溫度隨著磨削速度的增大而增大。其原因為：(1)磨削速度的增大，使單位時間內(nèi)參與磨削的動態(tài)磨粒數(shù)量快速增多，導致切屑未變形厚度變薄，因此使磨削力減??；(2)當磨屑變得更細時，磨屑變形能增大，耕犁與滑擦作用的摩擦越劇烈，因而溫度升高。由圖2b可知，切向磨削力Ft隨著軸向進給速度vf的增大而增大，然而磨削溫度隨著軸向進給速度的增大而減小。其原因為：(1)軸向進給速度的增大，使單位時間內(nèi)材料去除量顯著增多，導致切屑未變形厚度增大，因此使磨削力增大；(2)切向磨削力增大，使得磨削區(qū)熱源強度增加，但同時熱源在工件表面上作用時間快速縮短起到了主導因素，因此磨削溫度隨軸向進給速度增高而降低。由圖2c可知，切向磨削力Ft、磨削溫度均隨著徑向進給量fr的增大而增大。其原因為：徑向進給量的增大，也會使單位時間內(nèi)材料去除量顯著增多，導致切屑未變形厚度增大，導致待切削材料的塑性剪切作用增強，磨削過程中的磨屑變形力及摩擦力均增大，因此使磨削力增大，使磨削區(qū)的熱流強度增大, 進而導致磨齒界面溫度增高。

當磨削速度vs為45 m/s，徑向進給量fr為0.1 mm，軸向進給速度vf為1 500 mm/min時，基于采用修正系數(shù)K=0.35的三角形單向傳熱模型模擬的磨削接觸弧區(qū)內(nèi)的溫度場分布，如圖3所示。由圖可知：(1)在磨削接觸弧內(nèi)，溫度沿齒輪工件軸向X單向傳熱方向呈先上升后降低趨勢； (2)磨削最高溫度在接觸弧的中部靠前位置； (3)磨削接觸弧內(nèi)前部位表層的溫度梯度變化明顯小于后部位；(4)在輪齒厚度Z方向，溫度隨著表層厚度的增大而逐漸降低，且升溫時間逐漸延長。其原因為：(1)磨削接觸弧內(nèi)前部位的受熱影響作用的時間比后部位短；(2)磨削接觸內(nèi)前部位比后部位的散熱條件顯著，冷卻效果好；(3)磨削熱主要源于磨削接觸弧區(qū)域，且其中一部分熱量由表及里逐漸擴散，因此導致溫度沿齒厚Z方向逐漸降低，且升溫時間逐漸延長。

3.2 齒面粗糙度分析

磨齒已加工表面上垂直于磨削方向的粗糙度Ra隨磨削速度vs、軸向進給速度vf、徑向進給量fr這3個磨削用量的變化趨勢，如圖4所示。總體而言，國產(chǎn)新型研發(fā)的微晶剛玉砂輪成形磨齒后的表面粗糙度大都控制在0.8 μm以內(nèi)，即齒面形貌特征能微辨加工痕跡方向；惟當少數(shù)參數(shù)不合宜時，才會落在0.8～1.6 μm內(nèi)，即齒面形貌特征為看不清加工痕跡。由圖4a可知，齒面粗糙度隨著磨削速度的增大而減小。其原因為，磨削速度的增大，使齒面上受到磨粒磨削次數(shù)越多，所以齒面越平整與光滑。由圖4b可知，齒面粗糙度隨著軸向進給速度的增大而增大。其原因為，軸向進給速度的增大，使砂輪與齒面的磨削接觸時間變短，使磨齒表面材料殘余量增大，因此表面粗糙程度變差。由圖4c可知，齒面粗糙度隨著徑向進給量的增大而增大。其原因為，徑向進給量的增大，會使單顆磨粒未變形切屑厚度增大，導致磨粒側面的塑性隆起越明顯，也會使材料的微觀殘余量越大，所以磨齒表面越粗糙。

4 結語

開展了國內(nèi)自主研發(fā)新型微晶剛玉砂輪成形磨齒試驗，分析切向磨削力、磨削熱以及表面粗糙度隨磨削速度、軸向進給速度與徑向進給量3個磨削用量的變化規(guī)律與原因。研究表明，國產(chǎn)新型微晶剛玉砂輪成形磨齒能較好的將齒面粗糙度控制在0.8 μm以內(nèi)。切向磨削力、齒面粗糙度均隨著磨削速度的增大而減小，卻隨著軸向進給速度或徑向進給量的增大而增大。磨削溫度隨著磨削速度或徑向進給量的增大而提高，卻隨著軸向進給速度的增大而降低。此外，還將齒面磨削熱狀況進行等效簡化為平面的三角形熱源單向傳導模型，能近似的反映實際磨削接觸區(qū)內(nèi)的溫度狀況。

[1]梁桂明.齒輪技術的創(chuàng)新和發(fā)展趨勢[J].中國工程科學,2000,2(3):1-6.

[2]Claudio Z, Jose I P.Application of modified geometry of face gear drive[J].Computer Method in Applied Mechanics and Engineering, 2005, 194: 3047-3066.

[3]江甫炎.近代齒輪制造工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社,1996.

[4]郭隱彪,楊煒,王振忠.磨削加工工藝及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[5]嚴宏志,明興祖,陳書涵,等.基于溫度場的磨齒熱特性研究[J].制造技術與機床,2007(7):64-70.

[6]嚴宏志,明興祖,陳書涵,等.螺旋錐齒輪磨齒溫度場研究與應用分析[J].中國機械工程,2007,18(18):2147-2152.

[7]明興祖,嚴宏志,陳書涵,等.3D力熱耦合磨齒模型與數(shù)值分析[J].機械工程學報,2008,44(5):17-24.

[8]李伯民,趙波.現(xiàn)代磨削技術[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2003.

[9]馬爾金.磨削技術理論與應用[M].沈陽:東北大學出版社,2002.

[10]任敬心,華定安.磨削原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.