拋光磨削工藝對(duì)齒輪跑合階段磨損性能影響試驗(yàn)分析

摘要齒輪跑合階段的磨損能反映齒輪的疲勞壽命和整個(gè)服役周期磨損性能的優(yōu)劣。拋光磨削工藝是一種新型的磨齒工藝，可以有效改善齒輪表面質(zhì)量，進(jìn)而提高齒輪跑合階段的磨損性能。為探究拋光磨削工藝對(duì)齒輪跑合性能的影響，以某變速器低速擋主動(dòng)齒輪為研究對(duì)象，分別加工拋光磨削齒輪和常規(guī)磨削齒輪各1 對(duì)，在齒輪試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)兩對(duì)齒輪進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn);在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行鐵譜采集;利用 Matlab 對(duì)鐵譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出拋光磨削工藝對(duì)齒輪跑合性能的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，拋光磨削工藝可有效提升齒輪跑合過程的磨損性能，降低齒輪的磨損速度，縮短齒輪的跑合周期，使齒輪跑合磨損過程更加緩和。其結(jié)論為該工藝在齒輪加工上的應(yīng)用提供了一定的數(shù)據(jù)支撐和參考。

關(guān)鍵詞拋光磨削鐵譜分析齒輪跑合磨損速度

Test and Analysis of the Influence of Polish Grinding Technology on Wear Performance of Gear Running Stage

Zhang Guangxiang Li Yushuang Zhang Xu

（School of Mechanical Engineering，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241003，China）

Abstract The wear of gear in running stage can reflect the fatigue life and wear performance of gear in the whole service cycle. Polishing and grinding technology is a new type of gear grinding technology，which can effectively improve the surface quality of gears and improve the wear performance of gears in running stage . To investigate the effect of polishing and grinding technology on the running performance of gears and taking a low- speed driving gear of a transmission as the research object，a pair of polishing grinding gears and a pair of con-ventional grinding gears are processed respectively. The two pairs of gears are tested on the gear test stand. The ferrogram is collected during the gear operation. The ferrograph data is analyzed by using Matlab，and the influ-ence law of polishing and grinding process on the running performance of gear is obtained . The results show that the polishing grinding technology can effectively improve the wear performance of the gear in the running pro-cess，reduce the wear rate of the gear，shorten the running cycle of the gear，and make the wear process of the gear in the running process more moderate. The conclusion provides some data support and reference for the ap-plication of this technology in gear machining.

Key words Polishing grinding Ferrographic analysis Gear running Wear rate

0引言

新車在跑長(zhǎng)距離路程之前，一般需要經(jīng)過一個(gè)磨合期，磨合期包含對(duì)變速箱的磨合，其意義之一，便是齒輪跑合。通過齒輪跑合，可以使齒面間的微凸體進(jìn)行相互碰撞或塑性變形，從而改變齒面的粗糙度和殘余壓應(yīng)力，使齒輪的表面質(zhì)量有所提高[1-2] ， 使齒輪嚙合性能和摩擦磨損性能更好，效率更優(yōu)。齒輪副的跑合是為了其能正常的承載各種負(fù)荷，減少或防止早期的齒輪失效而采用可控制的、加速的、早期的、有效的摩擦磨損，使其嚙合齒面可以盡快的進(jìn)行適當(dāng)?shù)膰Ш稀Ｒ虼耍芯魁X輪跑合過程，尤其是通過不同方式的齒輪跑合方法，或通過特殊的齒輪表面加工工藝使齒輪在跑合之后表現(xiàn)出更好的齒輪表面質(zhì)量，使齒輪副更好的嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)。圍繞齒輪的跑合過程，李穎芝等研究了齒輪跑合過程的磨損機(jī)理，得出齒輪跑合過程實(shí)際上是齒輪表面微凸體相互作用的一個(gè)過程，在一定的載荷和轉(zhuǎn)速下，微凸體的相互作用使得齒面變得更加光滑，以利于齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程[3-4]。武志斐等對(duì)初始的齒輪表面接觸區(qū)域進(jìn)行研究，并得到接觸區(qū)對(duì)齒輪跑合階段嚙合的影響[5]。閆文斗等對(duì)齒輪跑合前后的齒輪表面變化進(jìn)行理論分析，得出跑合后齒面接觸弧長(zhǎng)的具體變化，對(duì)齒輪跑合進(jìn)行了嚙合方面的理論分析[6]。黃興保等從齒輪微觀形貌的角度研究了齒輪表面形貌對(duì)齒輪跑合階段的彈流潤(rùn)滑的影響，得知良好的跑合可以使得齒面具有更好的潤(rùn)滑狀態(tài)[7]。由以上文獻(xiàn)中可知，優(yōu)良的跑合對(duì)齒輪磨損和嚙合性能有積極的作用。大多學(xué)者研究了齒輪跑合的機(jī)理，對(duì)于如何優(yōu)化齒輪跑合性能，也有人進(jìn)行了研究。于子強(qiáng)等研究了齒面殘余應(yīng)力對(duì)齒輪跑合性能的影響，可以啟發(fā)齒輪制造業(yè)從提高殘余壓應(yīng)力的角度提高齒輪的跑合性能[8]。

本文中從工藝的角度考慮，根據(jù)一種新型的磨齒工藝——拋光磨削工藝，探究了拋光磨削工藝對(duì)齒輪跑合性能的影響。結(jié)合齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和鐵譜分析試驗(yàn)，得出拋光磨削與常規(guī)磨削齒輪在跑合階段的磨損差異，得出拋光磨削工藝能夠提高齒輪跑合性能的結(jié)論。

1齒輪試件準(zhǔn)備

1.1 拋光磨削工藝介紹

齒輪拋光磨削工藝是一種新型齒輪磨齒工藝，其特點(diǎn)是在常規(guī)磨齒工藝的基礎(chǔ)上，通過新型的磨削砂輪對(duì)齒輪進(jìn)一步拋光磨削。拋光磨削工藝是利用拋光磨削砂輪對(duì)齒輪進(jìn)行高精度磨削的工藝[9]。新型的磨削砂輪結(jié)構(gòu)分為拋光磨削區(qū)域和常規(guī)磨削區(qū)域。某國(guó)際知名公司生產(chǎn)的拋光磨削砂輪的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。常規(guī)磨削砂輪如圖2 所示。

拋光磨削砂輪的常規(guī)磨削區(qū)域和常規(guī)磨削砂輪所用的磨石黏合劑都是陶瓷黏合劑，質(zhì)地較硬，常用于切削量較大的磨削工序。由圖1 可知，拋光磨削砂輪的常規(guī)磨削區(qū)和傳統(tǒng)砂輪一樣，而拋光磨削區(qū)使用樹脂黏合劑，其作用類似于研磨工藝的拋光工序。因此，相比較傳統(tǒng)的磨削砂輪，利用拋光磨削砂輪加工齒輪的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)為：通過常規(guī)磨削區(qū)域加工齒輪以保證齒輪齒廓精度，通過拋光磨削區(qū)域加工齒面以大幅提高齒輪的表面質(zhì)量，如粗糙度、齒面微觀形貌等。因?qū)伖饽ハ鲄^(qū)和常規(guī)磨削區(qū)整合到了同一砂輪，加工齒輪時(shí)，先進(jìn)行常規(guī)磨削加工，之后進(jìn)行拋光磨削加工，使齒輪的常規(guī)磨削和拋光磨削在同一工序完成。所以，對(duì)齒輪的磨齒節(jié)拍基本沒有影響[10]。

1.2 齒輪試件

采用兩對(duì)不同磨齒工藝的齒輪作為試驗(yàn)對(duì)象，為了使兩對(duì)齒輪能夠有效地對(duì)比，使用同一批次的齒輪毛坯件，進(jìn)行同一批次的滾齒、熱處理;在進(jìn)行常規(guī)磨削時(shí)，也使用同樣的磨削砂輪和磨齒機(jī)對(duì)兩對(duì)齒輪進(jìn)行加工，只是拋光磨削齒輪增加一道拋光磨削工序。所加工齒輪的參數(shù)如表1 所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)前準(zhǔn)備

1.3.1 齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)

齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)架如圖3 所示，該試驗(yàn)臺(tái)架具有自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的功能，在試驗(yàn)過程中可以保證齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速只在很小范圍內(nèi)發(fā)生變化，很大程度上保證了試驗(yàn)的精確度。在試驗(yàn)過程中，為保證試驗(yàn)時(shí)控制變量，使兩對(duì)齒輪的試驗(yàn)條件保持一致，室溫均調(diào)節(jié)為25℃，均加入美孚 ATF320齒輪油，加載力矩轉(zhuǎn)速保持一致。

1.3.2 鐵譜分析儀器

采用鐵譜分析技術(shù)可以分析齒輪具體的磨損過程，對(duì)齒輪實(shí)際的磨損形態(tài)和趨勢(shì)做出更好的判斷[11]。采用 SPECTRO 品牌的顆粒分析儀，可以對(duì)液體中的磨粒進(jìn)行分析。其特點(diǎn)是利用智能算法對(duì)鐵譜的投影進(jìn)行分析，在統(tǒng)計(jì)液體中磨粒濃度的同時(shí)，可對(duì)磨粒的種類進(jìn)行分析，如磨削顆粒、滑移顆粒、疲勞顆粒、非金屬顆粒等，如圖4 所示。其好處在于不僅可以對(duì)齒輪的磨損量及趨勢(shì)進(jìn)行分析，還可以分析齒輪的磨損種類，并得出齒面的疲勞狀態(tài)等。齒輪跑合階段是齒輪表面磨合的階段，是不同種類磨損共同存在的階段，采用該儀器不僅可以分析拋光磨削對(duì)齒輪總磨損趨勢(shì)的影響，還可以分析拋光磨削對(duì)齒輪磨損種類及疲勞磨損的影響[12]。

當(dāng)需要分析油液時(shí)，需要離線采集油液樣本，對(duì)油液進(jìn)行磨粒濃度和磨粒種類的分析。

1.3.3 粗糙度檢測(cè)儀及檢測(cè)結(jié)果

齒面粗糙度是表面質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。在進(jìn)行齒輪跑合試驗(yàn)之前，首先，采用德國(guó)霍梅爾某型號(hào)的粗糙度檢測(cè)儀，檢測(cè)拋光磨削和常規(guī)磨削齒輪的粗糙度，如圖5 所示。齒輪檢測(cè)總長(zhǎng)度設(shè)置為5 mm ，對(duì)于其中的2 mm 作為有效長(zhǎng)度對(duì)齒輪的粗糙度進(jìn)行評(píng)判。為了確保拋光磨削齒輪和常規(guī)磨削齒輪粗糙度對(duì)比的一致性，要將齒輪放置到粗糙度儀中夾具相同的位置，使得兩對(duì)齒輪的粗糙度測(cè)量位置相同。

1.3.4 殘余應(yīng)力檢測(cè)儀及檢測(cè)結(jié)果

殘余應(yīng)力是齒輪表面質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)，需要在試驗(yàn)前對(duì)兩對(duì)齒輪的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。采用 Stresstech Oy 公司的 X 射線殘余應(yīng)力分析儀，如圖 6所示。

當(dāng)物體存在殘余應(yīng)力時(shí)，晶體移動(dòng)，發(fā)生布拉格衍射，衍射峰也發(fā)生移動(dòng)。晶面間相對(duì)移動(dòng)距離受應(yīng)力大小影響，X 射線衍射測(cè)量殘余應(yīng)力的基本原理是： X 射線以不同的角度照在被測(cè)物上，得到發(fā)生的衍射角和位移，可得出被測(cè)物體的殘余應(yīng)變;并通過胡克定律將殘余應(yīng)變計(jì)算轉(zhuǎn)換成殘余應(yīng)力。

對(duì)拋光磨削齒輪和常規(guī)磨削齒輪分別選6 個(gè)齒進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，如圖7 所示。在每個(gè)齒輪的螺旋線和齒廓的中間處進(jìn)行檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)每對(duì)齒輪的殘余應(yīng)力并計(jì)算殘余應(yīng)力平均值作為各對(duì)齒輪的殘余應(yīng)力值。

此次所測(cè)齒面殘余應(yīng)力皆為殘余壓應(yīng)力，所測(cè)最終結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，拋光磨削齒輪殘余壓應(yīng)力大于常規(guī)磨削齒輪。

1.3.5 齒輪的微觀形貌

齒輪微觀形貌對(duì)齒輪磨損有重要影響[13-15]。磨齒對(duì)齒面的作用力方向主要是齒寬方向，可以通過觀察齒輪齒寬方向的形貌，來對(duì)比拋光磨削和常規(guī)磨削齒輪齒面微凸體的情況。采用 Wenzel 檢測(cè)儀，對(duì)拋光磨削齒輪的螺旋線微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)，該儀器可以達(dá)到微米級(jí)，能夠有效分析拋光磨削工藝對(duì)齒輪精度的影響。

圖8 、圖9 所示分別為該批次抽檢的拋光磨削和常規(guī)磨削齒輪的齒寬方向微觀形貌。可以看出，其齒廓、螺旋線只有極微小的差距，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)影響很小，可忽略不計(jì)。拋光磨削齒輪微觀形貌明顯優(yōu)于常規(guī)磨削齒輪。

拋光磨削和常規(guī)磨削齒輪具體的齒廓、螺旋線主要參數(shù)對(duì)比，如表4 所示。

結(jié)合圖8 、圖9 和表4 可得，拋光磨削和常規(guī)磨削齒輪的微觀形貌有所差異，拋光磨削工藝使齒面的微凸體明顯減小。但是，齒廓和螺旋線參數(shù)相差不大，由此可知，拋光磨削工藝可以有效改善齒輪表面質(zhì)量，但是對(duì)齒輪的微觀形貌參數(shù)的影響甚微。所以，拋光磨削工藝不會(huì)因?yàn)楦淖凖X輪齒廓、螺旋線參數(shù)而對(duì)其磨損性能產(chǎn)生影響。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

對(duì)拋光磨削齒輪和常規(guī)磨削齒輪先后進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。為保證兩對(duì)齒輪的試驗(yàn)?zāi)軌虮M量有效對(duì)比，需要控制相關(guān)變量：室溫25℃，齒輪箱的油量10 L（齒輪箱總?cè)莘e15 L ，要求油量沒過齒輪最下方的單個(gè)齒），轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩一致，停機(jī)間隔一致，取出的油液樣量一致。

參考試驗(yàn)室同類齒輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該齒輪副的跑合時(shí)間是7 h 左右，為了使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間充分覆蓋齒輪副的跑合階段，將本次齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)的總時(shí)間定為13 h（為試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)，非跑合時(shí)長(zhǎng)），足以覆蓋兩對(duì)齒輪的跑合階段所用時(shí)長(zhǎng)，能夠保證分析兩次試驗(yàn)齒輪的完整跑合階段，獲取完整跑合階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4.2 鐵譜分析試驗(yàn)

油液磨粒分析的過程為：潤(rùn)滑油取樣→稀釋油液樣本→去除溶液中氣泡→利用儀器進(jìn)行分析→得出分析報(bào)告→清洗顆粒分析儀。具體如下所述：

根據(jù)油液取樣經(jīng)驗(yàn)所得，在齒輪箱油液高度中間位置取樣，溶液中的磨粒濃度變化趨勢(shì)和齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相符合，因此，將齒輪箱中油液高度中間位置定為取樣位置。為了降低分析溶液的黏度，使試驗(yàn)順利進(jìn)行，需要將油樣進(jìn)行稀釋。首先，將稀釋液過濾除去雜質(zhì);之后，利用稀釋液對(duì)油液樣本進(jìn)行稀釋，得到待分析油樣。稀釋后的油樣中含有空氣微氣泡，利用超聲振動(dòng)去除油樣中的氣泡。利用 Spectro-LNF-Q200顆粒分析儀對(duì)樣本溶液進(jìn)行分析，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，保存好數(shù)據(jù)。

每個(gè)油液樣本稀釋后就要對(duì)顆粒分析儀進(jìn)行清洗，以免給下次油液分析帶來誤差。

1.4.3 具體試驗(yàn)實(shí)施

齒輪跑合方案如表5 所示。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

兩對(duì)齒輪在第13 h 停機(jī)時(shí)，都沒有產(chǎn)生疲勞破壞和斷齒，此時(shí)，齒輪表面磨損速度較為緩慢，表明齒輪已度過跑合期，正處于正常磨損階段。

2.2 鐵譜分析試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的兩對(duì)齒輪取樣，拋光磨削齒輪和常規(guī)磨削齒輪分別取13個(gè)油液樣本。對(duì)處理過的樣本進(jìn)行油液中的鐵譜分析，得到油液中總磨粒數(shù)的變化和各種不同種類磨粒的變化情況。對(duì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到的結(jié)果如圖10所示。

2.3 結(jié)果分析與討論

由圖10中可以看出，前3 h 內(nèi)，拋光磨削齒輪和常規(guī)磨削齒輪的磨粒濃度增加速度均較快，因?yàn)樵谂芎铣跗冢瑑升X輪副的表面微凸體都在頻繁地發(fā)生碰撞、折斷;同時(shí)，微凸體也會(huì)對(duì)齒面發(fā)生溝犁作用，產(chǎn)生磨粒。因此，兩齒輪副的磨粒濃度增速相近。由于拋光磨削工藝使齒面表面質(zhì)量更好，所以，拋光磨削齒輪磨損速度低于常規(guī)磨削齒輪。在3 h 后，拋光磨削齒輪磨損顆粒濃度上升和常規(guī)磨削齒輪相比較為緩慢，并在5 h 后，濃度開始穩(wěn)定，變化較小。這是因?yàn)樵? h 后，拋光磨削齒輪表面的微凸體相互作用和溝犁作用因齒面微凸體的減小而逐漸弱化，所以產(chǎn)生的磨粒減少。而常規(guī)磨削齒輪在3～7 h 內(nèi)，劇烈磨損期尚沒有結(jié)束，磨損顆粒的濃度依然上升很快，在8 h 后，磨損顆粒的濃度開始變得穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定磨損期。

基于以上數(shù)據(jù)分析，拋光磨削齒輪的跑合期為5 h ，常規(guī)磨削齒輪的跑合期為8 h ，說明拋光磨削齒輪能夠更快地進(jìn)入正常磨損期，使齒輪更快地進(jìn)入穩(wěn)定的磨損狀態(tài)。結(jié)合拋光磨削砂輪特點(diǎn)的介紹，傳統(tǒng)磨削加工齒面后，由于機(jī)床、砂輪運(yùn)行軌跡、加工參數(shù)、齒輪材料等的影響，會(huì)使加工后的齒面存在一定數(shù)量的微凸體，拋光磨削工藝可以通過類似研磨作用對(duì)齒面進(jìn)行拋光加工，盡可能減少齒面微凸體和降低微凸體的高度。在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)潤(rùn)滑狀態(tài)良好時(shí)，齒面與齒面之間并不是直接接觸，而是以潤(rùn)滑油為介質(zhì)，此時(shí)為彈流潤(rùn)滑。當(dāng)齒面的微凸體較多，或者微凸體的高度過大時(shí)，齒面間的油膜便不易形成，使齒面間的微凸體直接進(jìn)行接觸碰撞，導(dǎo)致磨損。因此，拋光磨削工藝可以在一定程度上保證齒面間進(jìn)行彈流潤(rùn)滑或者減少齒面間微凸體的相互作用，以達(dá)到減小磨損的目的。

3結(jié)論

利用齒輪臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比分析了拋光磨削齒輪和常規(guī)磨削齒輪對(duì)齒輪跑合階段的影響。根據(jù)試驗(yàn)分析可知，拋光磨削工藝可以減少齒面微凸體，增加齒面間彈流潤(rùn)滑區(qū)域，有效提高齒輪跑合階段的磨損性能。研究為該工藝在齒輪生產(chǎn)上的應(yīng)用和推廣提供了一定的依據(jù)。具體總結(jié)如下：

（1 ）拋光磨削工藝可以降低齒面的粗糙度值，使齒面殘余壓應(yīng)力有一定的提高，提高了齒輪的表面質(zhì)量。該工藝對(duì)齒輪的齒廓、螺旋線參數(shù)影響很小，可忽略不計(jì)。

（2 ）拋光磨削可以使跑合階段更短，拋光磨削齒輪能夠更快地進(jìn)入正常磨損期，使齒輪更快地進(jìn)入穩(wěn)定的磨損狀態(tài)。

（3 ）拋光磨削齒輪副和常規(guī)磨削齒輪副在跑合初期（前3 h 內(nèi)），齒面均發(fā)生了頻繁的微凸體碰撞折斷和溝犁作用，磨粒濃度增加速度都較快，說明拋光磨削齒輪副初期磨損小，可以更快地適應(yīng)實(shí)用的要求。

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收稿日期：2017-07-14修回日期：2021-09-24

基金項(xiàng)目：安徽省高校科研項(xiàng)目（KJ2020A0910）

作者簡(jiǎn)介：張廣祥（1982—） ，男，安徽亳州人，碩士研究生，講師;研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制。