微晶剛玉砂輪成形磨齒的試驗(yàn)研究*

王 龍 田欣利 劉 謙 李德發(fā) 龍 航

(①陸軍裝甲兵學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072; ②裝備學(xué)院昌平士官學(xué)校，北京 102200; ③長(zhǎng)沙雅澹清瀾信息科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

齒輪作為機(jī)械傳動(dòng)中最重要的基礎(chǔ)零部件，具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)平穩(wěn)、高效大功率傳動(dòng)以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車船舶、航天航空、機(jī)床設(shè)備等領(lǐng)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(guó)國(guó)內(nèi)目前用于高精度磨齒加工的微晶砂輪多為進(jìn)口產(chǎn)品。中國(guó)的國(guó)機(jī)精工有限公司依靠微晶陶瓷磨料的批量生產(chǎn)技術(shù)，推動(dòng)國(guó)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(guó)機(jī)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(yīng)用工藝為目標(biāo)，開展了新型微晶成形砂輪磨削20CrMnTi鋼齒輪的試驗(yàn)研究。研究國(guó)產(chǎn)新型微晶剛玉砂輪成形磨齒的磨削過(guò)程與磨削性能，有利于推動(dòng)國(guó)內(nèi)自主研制微晶剛玉砂輪的制造與應(yīng)用。

1 齒面磨削熱模型簡(jiǎn)化

砂輪與齒面磨削接觸弧區(qū)內(nèi)，磨齒溫度場(chǎng)可認(rèn)為是無(wú)數(shù)個(gè)連續(xù)的面熱源對(duì)齒面的溫度場(chǎng)綜合作用結(jié)果。磨齒最高溫度是一非穩(wěn)態(tài)的瞬時(shí)傳熱過(guò)程形成的，對(duì)磨齒表層金相組織與力學(xué)性能都影響較大[5-7]。由于磨削生熱環(huán)境的復(fù)雜，通常將熱源強(qiáng)度分布簡(jiǎn)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(guò)程簡(jiǎn)化成平面磨削時(shí)，可近似認(rèn)為磨削速度vs、軸向進(jìn)給速度vf均不變。若βk為漸開線齒輪的壓力角，則轉(zhuǎn)換成平面磨削后的當(dāng)量磨削深度ae與徑向進(jìn)給量fr存在關(guān)式為：

ae=frcosβk

(1)

因此，若砂輪當(dāng)量直徑為de，則當(dāng)量磨削接觸弧長(zhǎng)lse為[9]：

(2)

以熱源強(qiáng)度呈三角形分布的單向?qū)崮Ｐ瓦M(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，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(biāo)OX方向?yàn)閱蜗驘醾鲗?dǎo)方向，OZ為工件厚度方向。若熱擴(kuò)散率為α，在平面上密度為ρ，比熱容為c；此外，在任取一點(diǎn)坐標(biāo)M(x,0,z)，令t=x/vf，τ0=lse/vf，則該M點(diǎn)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(shí)，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(shí)的對(duì)流換熱，以及斜面?zhèn)鳠崆闆r的復(fù)雜性，將采用常系數(shù)K進(jìn)行修正三角形分布熱源單向?qū)崮Ｐ偷哪M計(jì)算結(jié)果。為了使溫度模擬計(jì)算結(jié)果逼近試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，最后確定修正系數(shù)K約為0.35時(shí)的擬合效果較好。因此，經(jīng)模擬計(jì)算的最后有效磨削溫度Tper為0.35T。

2 磨齒試驗(yàn)條件與方法

如圖1所示，在北京機(jī)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(yàn)系統(tǒng)。將中國(guó)國(guó)機(jī)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(zhuǎn)，在水基冷卻液作用下對(duì)單齒面進(jìn)行磨削試驗(yàn)。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(hào)為WD-201。切向磨削力測(cè)量選用瑞士KISTLER 94272型號(hào)的高性能應(yīng)變片式車銑鉆磨通用測(cè)力儀。采用單通道熱電偶數(shù)據(jù)記錄儀HRsoft_MTMS 2.06進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的磨齒界面的最高溫度。采用LINKS 2300A-RC型輪廓粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)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(kuò)散率為9.73 mm2/s。

3 試驗(yàn)結(jié)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(shí)測(cè)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(jìn)給速度vf、徑向進(jìn)給量fr這3個(gè)磨削用量的變化趨勢(shì)，如圖2所示?？梢姡?dāng)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(shí)際測(cè)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(shì)。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?yàn)椋?1)磨削速度的增大，使單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的動(dòng)態(tài)磨粒數(shù)量快速增多，導(dǎo)致切屑未變形厚度變薄，因此使磨削力減小；(2)當(dāng)磨屑變得更細(xì)時(shí)，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(jìn)給速度vf的增大而增大，然而磨削溫度隨著軸向進(jìn)給速度的增大而減小。其原因?yàn)椋?1)軸向進(jìn)給速度的增大，使單位時(shí)間內(nèi)材料去除量顯著增多，導(dǎo)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(qiáng)度增加，但同時(shí)熱源在工件表面上作用時(shí)間快速縮短起到了主導(dǎo)因素，因此磨削溫度隨軸向進(jìn)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(jìn)給量fr的增大而增大。其原因?yàn)椋簭较蜻M(jìn)給量的增大，也會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)材料去除量顯著增多，導(dǎo)致切屑未變形厚度增大，導(dǎo)致待切削材料的塑性剪切作用增強(qiáng)，磨削過(guò)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(qiáng)度增大, 進(jìn)而導(dǎo)致磨齒界面溫度增高。

當(dāng)磨削速度vs為45 m/s，徑向進(jìn)給量fr為0.1 mm，軸向進(jìn)給速度vf為1 500 mm/min時(shí)，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(chǎng)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(shì)； (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(shí)間逐漸延長(zhǎng)。其原因?yàn)椋?1)磨削接觸弧內(nèi)前部位的受熱影響作用的時(shí)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(kuò)散，因此導(dǎo)致溫度沿齒厚Z方向逐漸降低，且升溫時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。

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(jìn)給速度vf、徑向進(jìn)給量fr這3個(gè)磨削用量的變化趨勢(shì)，如圖4所示?？傮w而言，國(guó)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(dāng)少數(shù)參數(shù)不合宜時(shí)，才會(huì)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?yàn)?，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(jìn)給速度的增大而增大。其原因?yàn)?，軸向進(jìn)給速度的增大，使砂輪與齒面的磨削接觸時(shí)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(jìn)給量的增大而增大。其原因?yàn)?，徑向進(jìn)給量的增大，會(huì)使單顆磨粒未變形切屑厚度增大，導(dǎo)致磨粒側(cè)面的塑性隆起越明顯，也會(huì)使材料的微觀殘余量越大，所以磨齒表面越粗糙。

4 結(jié)語(yǔ)

開展了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)新型微晶剛玉砂輪成形磨齒試驗(yàn)，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(jìn)給速度與徑向進(jìn)給量3個(gè)磨削用量的變化規(guī)律與原因。研究表明，國(guó)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(jìn)給速度或徑向進(jìn)給量的增大而增大。磨削溫度隨著磨削速度或徑向進(jìn)給量的增大而提高，卻隨著軸向進(jìn)給速度的增大而降低。此外，還將齒面磨削熱狀況進(jìn)行等效簡(jiǎn)化為平面的三角形熱源單向傳導(dǎo)模型，能近似的反映實(shí)際磨削接觸區(qū)內(nèi)的溫度狀況。

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