成形砂輪磨削齒輪表面形貌特征及摩擦學特性分析??

王 龍 田欣利 唐修檢 劉 謙 姚巨坤 李德發

(①火箭軍工程大學，陜西西安710000；②陸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；③航天工程大學昌平士官學校學員一大隊，北京100072)

微晶剛玉砂輪成形磨削齒輪技術已經被廣泛適用于20CrMnTi、8620H等淬硬齒輪的高精度加工[1-2].磨削加工表面形貌對齒輪傳動過程中的接觸狀態、摩擦學特性、失效形式、使用壽命等都有重要影響[3-4].目前,國內外學者從摩擦試驗、磨損理論與數值分析等方面對不同材料加工表面的摩擦系數、磨損率、潤滑等摩擦學特性展開了較多研究.J F Archard[5-6]最先提出著名的Archard粘著磨損計算模型.Mona?Oqvist[7]采用有限元方法模擬表面磨損形貌隨時長的變化關系.馮存傲等[8]人在不同粘度潤滑油狀態下分析了20CrMnTi鋼的摩擦疲勞失效特征.姚玉鵬等人[9]研究了不同接觸載荷和滑動速度對42CrMo-17CrNiMo6摩擦副的摩擦磨損性能與機制.然而,偏重于考慮表面形貌特征隨紋理方向的差異性對摩擦學特性影響的相關研究文獻材料卻非常少.本文揭示了不同角度方向的紋理特征與粗糙度特征、摩擦學特性的變化規律,為探究成形砂輪磨削齒輪表面的微觀形貌特征及其對摩擦學特性的影響機制研究提供重要參考價值.

1 試驗研究方法

以北京機電研究院的BV-75立式加工中心為平臺,開展齒輪的成形磨削加工試驗.成形砂輪采用國機精工自主研發的新型微晶剛玉砂輪,尺寸規格為φ200 mm×20 mm×φ32 mm,許用線速度可高達45～63 m/s.齒坯件材料為20CrMnTi滲碳淬火鋼,模數為4 mm,壓力角為20°,齒寬為30 mm.試驗采用3因素4水平構建了16組正交試驗,磨削速度分別為35、45、55、60 m/s,軸向進給速度分別為 1 500、3 500、5 500、7 500 mm·min,徑向進給量分別為 0.2、0.25、0.3、0.4 mm.試驗過程均采用水基磨削液冷卻.

采用LINKS 2300A-RC式接觸式表面輪廓儀測量磨齒表面粗糙度參數.在每組試驗參數條件下的磨齒表面的 0°、15°、45°、90°四個紋理方向分別各隨機開展三組表面粗糙度測量.采用天準影像測量儀,以放大160倍率觀察磨齒表面形貌,且每組加工參數條件下的磨齒表面均各隨機采集3幅圖像.微晶剛玉砂輪成形磨削齒輪表面形貌,如圖1所示.以平行于加工痕跡的方向為0°紋理方向,而相對于加工痕跡方向順時針轉過θ角的方向,則為θ紋理方向.基于MATLAB軟件采用壓縮灰度級為160,步長為5構建灰度共生矩陣,提取 48 幅圖像在 0°、45°、90°、135°四個紋理方向的對比度、逆差距、熵、相關性四項紋理特征.

將輪齒切割成塊.采用MFT4000往復式摩擦磨損試驗機,分別測試在干滑動接觸和動壓潤滑時的摩擦系數.采用φ2 mm氮化硅陶瓷圓球在磨齒表面往復摩擦速度為240 mm/min,加載荷為30 N,摩擦時間為20 min.流體潤滑劑采用黃殼HX5礦物質機油.摩擦試樣表面的磨削參數為:磨削速度55 m/s,軸向進給速度5 500 mm/min,徑向進給量0.2 mm.

2 試驗結果與分析

2.1 磨削表面紋理特征分析

如圖2所示,磨齒表面存在微觀加工痕跡.磨削表面微觀形貌體現出磨粒的雜亂劃痕與磨削缺陷在工件表面的分布形態.由于圖像灰度分布在空間位置上反復變化,形成了復雜而近似規則的紋理.磨削表面空間信息和圖像灰度信息存在相對應的聯系.

對比度反映了紋理溝紋深淺程度[10].熵反映了圖像紋理的非均勻、復雜程度[10].逆差距反映了紋理的均勻性與同質性[10].相關性反映了紋理的方向性、相關性,以及相似程度[10].統計分析48幅灰度圖像在 0°、45°、90°、135°四個紋理方向的對比度、熵、逆差距、相關性四項紋理特征的均值,如圖3所示.圖3a為對比度、熵兩個紋理特征隨紋理方向的變化；圖3b為逆差距、相關性兩個紋理特征隨紋理方向的變化.在0°紋理方向時,對比度最小,紋理的溝紋最淺,表面微觀不平高度最小.熵最小,且逆差距和相關性最大,局部灰度變化較弱,紋理均勻程度最好,排列規則.在平行于加工痕跡方向的0°紋理最規則與均勻.當在45°或135°紋理方向時,對比度最大,溝紋深度最大,表面微觀不平高度最大；熵最大,且相關性與逆差距最小,紋理變化最不規則,均勻性最差.因此,磨削表面在不同紋理方向的“紋理基元”變化存在差異.當角度θ在0°～90°由小變大的過程,表面紋理的均勻與規則程度逐漸變差,直至45°方向時最惡劣,然后在接近垂直于加工痕跡的90°紋理方向又略有所改善.

圖4為不同紋理方向θ的表面輪廓微觀不平高度特征Ra(即算術平均偏差)與微觀不平間距特征Rsm的均值分布.可見,微觀不平高度特征參數Ra在0°紋理方向的最小.隨著角度θ在0°～90°不斷增大,表面輪廓曲線先越加粗糙,至45°紋理方向時的微觀不平高度特征參數Ra達到最大值,然后又逐漸減小.表面微觀粗糙度與紋理存在密切聯系的內在關系.對比度越大,表面紋理溝紋越深,表面形貌的微觀不平高度特性參數越大.微觀平均間距參數Rsm反映了輪廓曲線的峰谷分布密集程度,可以實現對應力集中效應的分析和評估.磨削表面凹凸起伏的輪廓峰谷附近容易形成明顯應力集中效應.當紋理方向角度在0°～90°逐漸增大時,微觀不平間距特征參數Rsm逐漸減小.在90°紋理方向的Rsm均值最小,輪廓峰谷分布越密集,輪廓谷尖端曲率半徑越小,應力集中效應最顯著.

偏態系數Rsk和峰態系數Rku均為表面輪廓曲線的分布形狀參數.偏態系數與峰態系數越大,輪廓曲線的凸峰越偏向于尖峭,承載能力越弱.圖5為不同紋理方向的分布形狀參數均值.隨著紋理方向的角度θ在0°～90°逐漸增大時,表面輪廓波峰形態的尖峭程度先減小,然后又增大.在0°、90°兩個紋理方向的表面輪廓波峰形態最為尖峭.四個紋理方向的偏態系數Rsk均介于0～0.4,峰態系數Rku介于3～4.因此,各個紋理方向的輪廓曲線的凸峰形態均以尖鋒態為主,且表面輪廓曲線的隨機性服從正態分布概率函數.

2.2 磨削表面摩擦學特性分析

在流體潤滑條件下,開展表面紋理方向對流體潤滑性能的影響研究,如圖6所示.四個紋理方向的摩擦系數均較平穩,沒有干滑動摩擦時的較大變化,說明流體潤滑有明顯改善摩擦性能.在0°、15°紋理方向的摩擦系數較小,平均摩擦系數分別為0.103、0.112,為典型的混合潤滑狀態.表面在0°、15°紋理方向也存在較多的微凸體直接接觸,存在較多的邊界潤滑狀態.然而,仍有部分表面微凸體還被流體動壓膜隔開,處于動壓潤滑狀態.當兩個摩擦副表面發生相互運動時,粘性流體潤滑膜被帶入表面輪廓收斂的峰谷間隙中,可形成楔形動壓效應,承受了部分外載荷.在45°、90°紋理方向的平均摩擦系數較大,分別大于0.146、0.134. 由于45°、90°紋理方向的粗糙度微觀不平高度特性參數均較大,表面大部分存在較多微凸體相互接觸,增強了邊界潤滑狀態的比重.表面輪廓粗糙度值越大,動壓潤滑效應減弱,邊界潤滑效應越顯著.

潤滑狀態下的磨損表面微觀形貌,如圖7所示.工件磨損表面存在明顯的犁溝與塑性變形特征,且伴有顯著的材料遷移的粘著磨損痕跡.工件表面主要磨損形式為劃擦磨損、粘著磨損與磨粒磨損.由于摩擦過程處于混合潤滑狀態下,較多的微凸體受到強烈的擠壓作用與往復循環的摩擦作用.當微凸體內部高剪切應力達到極限強度時,材料被不斷摩擦脫落形成磨屑,且容易在表面伴生疲勞損傷.

采用SEM顯微電鏡觀察點蝕坑部位的微觀形貌,如圖8所示.工件磨損表面形貌存在明顯的磨粒磨損、粘著磨損、疲勞損傷,以及擦傷溝痕與塑性變形等特征.摩擦副在法向載荷作用下緊密接觸且往復運動,微凸體被擠壓與剪切的綜合作用,引發材料塑變偏移且被推向兩側或前方,先形成微小的塑性隆起再被壓實.摩擦熱量也使得材料軟化,在磨損表面形成了平行于滑動方向的粘附痕跡.工件表面材料受到微切削作用,產生硬質碳化物磨屑.磨屑參與劃擦與微切削作用,在表面形成一些平行于滑動方向的長條溝痕.當表層塑性變形累積到一定程度時,溝痕等微缺陷的存在誘發應力集中,形成許多與滑動方向近似垂直的微裂紋.隨著萌生的微裂紋數量及擴展長度逐漸增加,形成面積較小且邊緣極不規則的點蝕,使得材料被疲勞剝離而又形成硬質磨屑.微點蝕不斷聚集增多且形成連通,導致局部區域損傷面積及深度不斷增加.

3 結語

開展微晶剛玉砂輪成形磨齒表面形貌特征及其摩擦學特性的研究.0°紋理方向的紋理最為規則與均勻,溝紋深度最淺.45°、135°紋理方向的紋理最為復雜與不均勻,溝紋深度最大.隨著角度θ在0°～90°增長變化過程中,微觀不平間距逐漸減小；表面輪廓微觀不平高度先逐漸增大再略有減小.表面輪廓曲線的凸峰形態均以尖鋒態為主,且隨機性服從正態分布概率函數.在潤滑狀態下的摩擦磨損過程,表面輪廓粗糙度值越大,使動壓潤滑效應減弱,使邊界潤滑效應增強.摩擦磨損機制是塑性變形與微切削作用,以及磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損等的耦合作用.磨損表面形成了平行于滑動方向的劃擦痕跡與粘附現象.當表層塑性變形累積到一定程度時,形成微裂紋,且伴生疲勞損傷現象.