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        16Cr3NiWMoVNbE 航空齒輪彈振珩磨光整表面完整性試驗(yàn)研究

        2023-10-14 10:37:24方園園姚金鑫程從前王守純曹鐵山
        航空制造技術(shù) 2023年16期

        方園園,劉 偉,姚金鑫,程從前,王守純,邢 彬,曹鐵山,趙 杰

        (1.中國(guó)航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽 110015;2.大連理工大學(xué),大連 116024)

        航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件服役工況具有高轉(zhuǎn)速、重載、高功率密度、交變載荷等特征,其性能必須滿足抗疲勞、高可靠性和長(zhǎng)壽命的苛刻要求。由于疲勞失效與表面質(zhì)量有關(guān),相關(guān)表面完整性(粗糙度、表面幾何形貌、殘余應(yīng)力等)指標(biāo)的控制成為高品質(zhì)齒輪制造關(guān)鍵[1–3]。16Cr3NiWMoVNbE 合金齒輪具有合金元素含量高、滲碳層硬度高、有磨削燒傷傾向的特點(diǎn),是典型難加工齒輪[4–6]。為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件性能提升要求,有必要對(duì)磨削加工表面進(jìn)一步處理,以適應(yīng)齒輪高強(qiáng)度、高精度表面完整性多目標(biāo)要求。

        光整加工可有效改善表面完整性,成為高品質(zhì)齒輪制造中重要加工環(huán)節(jié)[7–8]。齒輪光整加工工藝主要包括研磨、珩磨及滾磨等[9–11]。其中,以振動(dòng)光飾為代表的滾磨光整加工具有成本低廉、效率高、操作方便的優(yōu)點(diǎn)[12–14];珩磨具有加工范圍廣、加工精度高的特點(diǎn)。滾磨和珩磨光整在多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中得到應(yīng)用[15–18]。這些典型光整加工技術(shù)是否適用于難加工齒輪,目前尚未有相關(guān)研究報(bào)道。此外,珩磨磨料與工藝直接影響最終產(chǎn)品表面質(zhì)量[18–19],除了對(duì)齒面光整之外,光整對(duì)齒廓倒角等關(guān)鍵部位是否進(jìn)行有效加工,實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)量和幾何尺寸優(yōu)化,是目前高質(zhì)量齒輪加工重點(diǎn)。

        本研究采用新型黏彈磨體振動(dòng)珩磨(彈振珩磨)工藝,對(duì)比分析了不同珩磨周期對(duì)16Cr3NiWMoVNbE 齒輪齒面粗糙度、形貌、表面殘余應(yīng)力等表面完整性的影響,總結(jié)彈振珩磨在齒輪光整應(yīng)用中的特點(diǎn),支撐先進(jìn)航空齒輪高品質(zhì)制造。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        以某企業(yè)16Cr3NiWMoVNbE 滲碳磨削齒輪為研究對(duì)象,如圖1(a)所示,對(duì)其采用新型彈振珩磨工藝進(jìn)行表面處理。該工藝采用圖1(b)所示數(shù)控黏彈磨料彈振珩磨機(jī)床(TTVM),其基本構(gòu)成如圖1(c)所示。彈振珩磨光整是在裝有磨料磨體的增壓密閉容器中對(duì)工件激振,利用激振工件沖擊黏彈磨料和磨料形狀恢復(fù)滯后特性,獲得工件表面與磨料之間的高頻超短程相對(duì)位移運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)工件表面等壓多磨粒滾動(dòng)多刃珩磨效果,避免了磨體剪切變稀效應(yīng);可以通過增壓壓力調(diào)節(jié)、激振振頻和振幅調(diào)節(jié)等方法實(shí)現(xiàn)分級(jí)珩磨[20]。

        圖1 彈振珩磨光整齒輪及其設(shè)備Fig.1 Elastic vibration honing finishing gear and its equipment

        齒輪光整分為40 目碳化硅磨粒的磨料粗珩磨和80目碳化硅磨粒的磨料精珩磨兩步。其中,粗珩磨磨料壓力1~2 MPa、振動(dòng)頻率30 ~ 40 Hz、粗珩磨周期3H;精珩磨時(shí)的磨料壓力0~1 MPa, 振動(dòng)頻率40~50 Hz、精珩磨周期1H,以該珩磨光整工藝加工的齒輪記為TTVM–C1。為了對(duì)比珩磨周期影響,按照上述工藝將珩磨周期加倍、其他參數(shù)不變,獲得光整后的齒輪記為TTVM–C2。

        對(duì)上述不同光整齒輪開展表面完整性檢測(cè)。采用觸針式三禾粗糙度儀檢測(cè)齒面線粗糙度;使用OLYMPUS 激光共聚焦顯微鏡開展表面微觀形貌觀察和面粗糙度檢測(cè);分別在每個(gè)齒面的3 處位置開展表面粗糙度檢測(cè),每個(gè)齒輪檢測(cè)4~10 個(gè)齒的平均值作為表面粗糙度;采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 (SEM)觀察表面形貌及齒廓形貌;采用顯微硬度計(jì) (HVD–51S,載荷1 kg)檢測(cè)硬度分布;采用X 射線檢測(cè)儀 (XL–640 型號(hào)Cr 靶)檢測(cè)殘余應(yīng)力,每個(gè)輪齒測(cè)齒面節(jié)圓3 個(gè)位置殘余應(yīng)力均值作為該輪齒變化的表面殘余應(yīng)力值;每個(gè)加工狀態(tài)選取1 個(gè)輪齒進(jìn)行電化學(xué)剝層,每個(gè)剝層厚度節(jié)圓處3個(gè)位置均值為該層厚度的殘余應(yīng)力值。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 宏觀與低倍幾何形貌

        圖2 為不同彈振珩磨在周期下的齒面宏觀形貌。珩磨前齒面沿磨削方向有加工條紋、齒面與齒頂面交匯棱邊毛糙 (圖2(a));端面齒廓倒角打磨條紋清晰、齒根圓弧面粗糙 (圖2(d))。在TTVM– C1 珩磨周期條件下,齒面光亮、局部殘留較淺的磨削條紋,齒頂與齒面棱邊相對(duì)圓滑 (圖2(b));齒面與齒根接刀痕過渡較圓滑 (圖2(e));珩磨周期加倍后,齒面磨削條紋進(jìn)一步減少 (圖2(c));倒角面加工紋理減少,端面粗糙度有改善 (圖2(f))。

        圖2 不同彈振珩磨周期下齒面和端面倒角表面形貌Fig.2 Surface morphology at different locations on gears after different periods of elastic vibrating honing

        圖3 為近齒頂區(qū)和齒根區(qū)的低倍掃描電鏡圖。未光整樣品齒面磨削條紋和齒頂面倒棱加工條紋清晰(圖3(a));TTVM– C1 珩磨后近齒頂區(qū)倒棱圓滑,端面和齒面切削加工痕跡減輕(圖3(b)); 2 周期珩磨后齒頂面倒棱未見加工刀痕、端面齒廓倒棱圓滑(圖3(c))。在近齒根端面齒廓區(qū),珩磨周期加倍后,齒廓圓滑(圖3(e));齒廓倒角加工刀痕有所減輕(圖3(f))。

        為進(jìn)一步確認(rèn)珩磨光整對(duì)倒棱幾何形態(tài)的影響,在近齒頂橫截面取樣并觀察低倍幾何特征,如圖4 所示。光整后近齒頂斜邊棱角過渡逐漸圓滑(圖4(b)); 2 倍周期珩磨后,倒棱區(qū)呈圓弧過渡特征(圖4(c))。在彈振珩磨密閉容器增壓條件下,黏彈磨料與被加工面完全吻合,被加工表面受壓均勻;即使在工件激振狀態(tài)下,不會(huì)產(chǎn)生黏彈磨料流體剪切變稀現(xiàn)象。所謂剪切變稀現(xiàn)象,即黏彈磨料流體因表面不同位置速度梯度差異引起層面間剪切效應(yīng),使黏彈磨料中長(zhǎng)鏈高分子喪失黏彈性[21]。密閉容器下黏彈磨體始終受到增壓力控制,通過壓力變化調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)磨料對(duì)各區(qū)域連續(xù)精密珩磨,避免磨削或常規(guī)工藝不連續(xù)加工,由此改善倒棱圓滑度。其中,40 目碳化硅磨粒粒徑比80 目碳化硅磨粒粒徑更大,且具有較高珩磨效率,在延長(zhǎng)珩磨周期條件下有望獲得倒棱過渡圓角(圖3 和4)。齒頂?shù)估鈳缀涡螒B(tài)直接影響齒輪運(yùn)行過程中的振動(dòng)和接觸應(yīng)力集中狀態(tài),進(jìn)而影響齒面接觸疲勞磨損特性[22–24]??梢灶A(yù)見,彈振珩磨改善齒頂圓弧過渡特征,將有利于減輕近齒頂和近齒根區(qū)疲勞接觸損傷。

        圖4 不同彈振珩磨周期近齒頂?shù)估鈾M截面宏觀形貌Fig.4 Cross-sectional morphology on crest chamfered edge of gear tooth after different periods of elastic vibrating honing

        2.2 齒面形貌與粗糙度

        圖5 所示為不同彈振珩磨周期齒面三維形貌與表面粗糙度。未光整條件下表面分布有溝壑狀的齒輪軸向磨削加工痕跡 (圖5(a)),因磨削加工的方向性,齒面徑向線粗糙度遠(yuǎn)高于軸向線粗糙度。彈振珩磨使黏彈磨料與齒輪表面完全貼合,工件表面各點(diǎn)能夠獲得均等壓力。因此,彈振珩磨后溝壑狀磨痕逐漸被去除,較深的磨痕逐漸變淺 (圖5(b)和(c))。粗糙度測(cè)試表明,彈振珩磨后齒輪表面徑向線粗糙度從Ra0.65 μm降低到Ra0.4 μm;面粗糙度從Sa0.47 μm 逐漸降低到Sa0.2 μm (圖5(d))。

        圖5 不同彈振珩磨周期的齒面形貌 (x200)和粗糙度Fig.5 Surface morphology (x200) and roughness on tooth flank after different periods of elastic vibrating honing

        圖6 為不同彈振珩磨周期的齒面微觀形貌掃描電鏡照片。磨削狀態(tài)條件下齒面有成條束狀磨削溝槽 (圖6(a));在彈振珩磨TTVM– C1 條件下,表面為較淺的軸向短且交叉的細(xì)微網(wǎng)狀條紋 (圖6(b));在加倍周期的TTVM– C2 條件下,交叉網(wǎng)狀細(xì)紋更加明顯(圖6(c))。網(wǎng)狀條紋是珩磨光整的典型微觀形貌[25–26]。在密閉增加條件下,黏彈磨料能充分填充工件表面相對(duì)較深的磨削加工刀痕(圖5(a))和(圖6(a));在工件高頻往復(fù)振動(dòng)過程中,多磨粒滾動(dòng)對(duì)齒輪表面具有多刃切削作用,是網(wǎng)狀條紋形成的主要原因。40 目碳化硅磨粒的切削作用優(yōu)于80 目碳化硅,80 碳化硅磨料的主要作用是細(xì)化40 目碳化硅磨粒粗珩磨后較深加工紋理。根據(jù)圖3 和4 結(jié)果可知,在延長(zhǎng)珩磨周期條件下,40 目碳化硅磨粒的網(wǎng)紋形成得到累積增強(qiáng) (圖6(c))。網(wǎng)狀條紋有利于零部件服役過程中潤(rùn)滑油膜在表面的形成和駐留[27–28],有望降低齒輪齒面的磨損。

        圖6 不同彈振珩磨周期的齒面微觀形貌SEM 圖Fig.6 SEM morphology on tooth flank after different periods of elastic vibrating honing

        2.3 橫截面金相與顯微硬度分析

        圖7 為齒輪表面金相組織,可以發(fā)現(xiàn),3 種加工狀態(tài)下表面組織主要為馬氏體和少量塊狀碳化物,按照國(guó)標(biāo)對(duì)碳化物評(píng)級(jí)為2 級(jí);未光整樣品表面未見切削加工變質(zhì)層,彈振珩磨光整表面也未見明顯變質(zhì)層。

        圖7 不同彈振珩磨周期下的齒面橫截面金相組織Fig.7 Cross-sectional metallurgic microstructure of tooth flank after different periods of elastic vibrating honing

        圖8 所示為齒面不同位置橫截面的顯微硬度分布。近表面3 個(gè)區(qū)域顯微硬度大小順序?yàn)椋航X頂>節(jié)圓>近齒根。與未磨削樣品相比,彈振珩磨光整后近表面顯微硬度沒有明顯變化;不同區(qū)域顯微硬度的差異與滲碳過程相關(guān)[29]。彈振珩磨的磨料在工件高頻振動(dòng)下緩慢流動(dòng),帶走了工件表面劃擦所積累的熱量,使得磨粒以冷加工方式珩磨齒輪表面,不產(chǎn)生二次硬化層[20],此表面組織和顯微硬度變化不明顯(圖7 和8)。

        圖8 不同位置齒面橫截面顯微硬度分布Fig.8 Cross-sectional microhardness distribution at different locations of tooth flank

        2.4 殘余應(yīng)力

        圖9 為齒面殘余應(yīng)力及不同厚度殘余應(yīng)力分布曲線。未光整齒面為殘余壓應(yīng)力,其均值為–286 MPa;TTVM– C1 彈振珩磨后,表面殘余壓應(yīng)力增大,其均值–389 MPa;TTVM– C2 彈振珩磨后殘余壓應(yīng)力進(jìn)一步增大,均值為–436 MPa(圖9(a)),比未光整齒面增加了52%。電化學(xué)剝層不同厚度的殘余應(yīng)力測(cè)試表明,未光整齒面殘余壓應(yīng)力隨深度增加而逐漸減小,最終降到約–100 MPa;彈振珩磨提升齒面殘余壓應(yīng)力,其作用深度范圍在15 μm 以內(nèi)(圖9(b))。彈振珩磨的黏彈磨料是典型非牛頓流體[20],當(dāng)激振工件沖擊磨料后,磨料形狀恢復(fù)相對(duì)滯后于工件表面的二次沖擊,在磨料界面和工件表面間形成微小空隙;在獲得磨粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)同時(shí),通過調(diào)節(jié)激振頻率和幅度,結(jié)合增壓系統(tǒng),有利于磨料對(duì)工件表面反復(fù)磨壓并形成壓應(yīng)力。其中80 目碳化硅磨料的非牛頓特性比40 目碳化硅磨料的更強(qiáng),在有效減輕磨痕條件下,通過延長(zhǎng)珩磨周期能提高表面殘余壓應(yīng)力。

        圖9 不同彈振珩磨周期的齒面分度圓殘余應(yīng)力分布Fig.9 Residual stress distribution at tooth pitch circle after different periods of elastic vibrating honing

        3 結(jié)論

        (1) 表面幾何特征觀察表明,彈振珩磨光整能減輕齒廓倒角刀痕,增加倒角圓滑度;在2 倍珩磨周期條件下,齒頂?shù)估獾逗郾煌耆宄⑿纬蓤A弧過渡。

        (2) 表面形貌和粗糙度分析表明,彈振珩磨光整顯著降低表面粗糙度,其面粗糙度從0.47 μm 降低到0.2 μm;在2 倍珩磨周期條件下,表面短且交叉的細(xì)微網(wǎng)狀條紋得到增強(qiáng)。

        (3) 齒面金相組織、顯微硬度和殘余應(yīng)力觀察表明,彈振珩磨對(duì)金相組織和顯微硬度分布沒有明顯影響,但提高了齒面殘余壓應(yīng)力,在2 倍珩磨周期下表面殘余壓應(yīng)力增加了52%。

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