滾磨光整技術在大型齒輪加工中的應用

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以風電齒輪軸為研究對象，采用臥式滾磨光整設備進行光整加工試驗。試驗結果表明，光整加工后，零件表面的溝壑狀紋理有所改善，表面粗糙度提升了1～1.5個等級，不會對齒輪精度造成影響，齒面壓應力值有大幅度提升，進而提高了零件的疲勞強度和疲勞壽命，可為滾磨光整加工技術在大型齒輪加工中的應用提供依據。

〡作者：張金夢〡單位:重慶齒輪箱有限責任公司

隨著風電行業向大兆瓦級和離岸式發展，對整機的可靠性和疲勞壽命提出了更高的要求。增速齒輪箱作為風力發電設備中的核心部件，其內部齒輪 表面質量的好壞直接影響風機使用性能的優劣。光整加工技術作為提高表面質量的有效途徑，是近些年抗疲勞制造的新型加工技術之一，將其應用于齒輪加工過程中，可以改善齒面的微點蝕，提升表面壓應力和疲勞強度，提高耐磨性，并保證齒輪精度不受 破壞。為了改善齒輪表面的完整性，提升零件性能，對光整技術在大型硬齒面齒輪加工中的應用進行研究。本文采用滾磨光整技術，選取風電增速齒輪箱關重件齒輪軸進行研究，探尋光整加工對齒輪綜合性能的影響，為大型齒輪的質量提升提供依據。 

01滾磨光整技術簡介

光整加工技術發展:20 世紀70年代，各個工業發達國家提出毛刺去除技術，并隨著技術的發展，與棱邊、表面光整技術結合在一起進行研究。我國是在20世紀90年代才開展相關研究，現在已經普遍應用在航空航天領域。對于大型齒輪，光整加工在國內仍處于起步階段，而在國外的應用已較為普遍，并且相關廠家的研究表明， 光整技術有助于改善齒輪表面質量，對齒輪的傳動性能和使用壽命有顯著的提升作用; 因此，對大型齒輪進行光整加工技術的研究顯得十分必要。 

光整加工原理: 光整加工可以進行去除飛邊毛刺、刀痕等工作， 具有降低表面粗糙度，改善表面外觀質量、應力狀態， 提高零件表面的耐磨性，消除零件表面上殘留的各種缺陷等優點，其工作原理如圖1所示。加工時，將一定配比的磨塊和磨液介質3裝入料箱4中，被加工零件2通過傳動架1放入料箱中，通過機床主軸的回轉運動和料箱的往復運動，使磨塊和被加工零件表面之間產生相對運動，從而實現對工件的去毛刺、倒棱及表面光整加工。

圖1 光整加工工作原理 

1.傳動架 2.被加工零件 3.磨塊和磨液介質 4.料箱

光整加工對疲勞性能的影響: 由于表面加工形成的表面粗糙度相當于在零件 表面存在很多的微缺口，在零件承受載荷時就會產生應力集中，表面質量不同，零件的疲勞強度也不同。為研究其影響，在疲勞強度計算中引入了表面加工系數β1，其定義為: β1=( σ－1 ) β /σ-1       (1) 

式中: ( σ-1 ) β 為在某種表面加工情況下，試樣的疲勞極限; σ-1為磨光試樣的疲勞極限。根據文獻所提供的鋼件試樣的表面加工系數，對于扭轉疲勞，在缺乏試驗數據時，可以選取彎曲時的表面加工系數β1代替，不同表面加工狀態下，鋼件試樣的表面加工系數如圖2所示。從圖2中可以看出，表面粗糙度值越低，零件的表面加工系數越高，零件的疲勞極限值越高。

圖2 鋼件試樣的表面加工系數

同樣，表面粗糙度對零件的常溫疲勞壽命有著顯著的影響，表面粗糙度值越高，疲勞壽命就越低。在機械加工表面上總存在有高低不平的加工痕跡( 即微小缺口) ，會在零件表面造成應力集中。應力集中的程度可以通過應力集中系數進行評定，其計算方法為:

              (2) 

式中: Kγ 為應力集中系數; h為微觀不平度高度; ρ為波谷的曲率半徑; γ 為不平度間距與其高度之比的相關系數。在疲勞試驗中，對疲勞壽命有影響的實際上是有效應力集中系數Kf，其理論計算公式為:

    (3) 

式中: q為材料對應力集中的敏感系數。由式(2) 和式(3) 可知，表面粗糙度值越高，即Kγ越大，有效應力集中系數Kf就越大，零件的疲勞壽命就越低。

02風電齒輪軸光整加工試驗

零件參數:本文試驗以某型號風電增速齒輪箱齒輪軸為研究對象，其零件材料為18CrNiMo7-6，模數為8mm，齒面硬度達到58HRC～62HRC，進行光整加工的前道工序為磨齒，齒面平均粗糙度為Ｒa0.420μm，齒輪軸的結構尺寸如圖3所示。

圖3 齒輪軸的結構尺寸

光整加工參數: 本文試驗采用WH2000型臥式滾磨光整設備; 料 箱徑向擺動往返頻次為40次/分鐘; 齒輪軸的轉速為53 r/min; 磨料選用球徑為3mm的高溫燒結型圓球體磨料，其粒度為1 200#，硬度值＞115HRA，抗壓強度＞9×107 N/m2。在整個光整加工過程中，每30min對齒面與軸頸外圓的輪廓算數平均差Ｒa值和輪廓最大高度Ｒz值進行檢測，齒輪軸的光整加工過程和磨料如圖4所示。

圖4 齒輪軸的光整加工過程和磨料

03光整加工試驗結果分析

表面紋理分析: 圖5所示為光整加工前、后的齒面60倍放大對比圖。從圖5中可以看出，經過光整加工后，齒面表面紋理由平行紋理變為P型紋理，溝壑形貌大幅度改善， 有效地控制了裂紋缺陷的萌生源，即應力集中點，同時，有助于延長零件的裂紋擴展壽命。

圖5 光整加工前、后的齒面 60 倍放大對比圖

表面粗糙度分析: 光整加工后，齒輪軸整體表面的銳邊全部變為圓角狀態，棱邊倒圓整齊，手感柔滑，產生了鏡面效果。經檢測，未發現燒傷現象。齒輪軸光整加工前、后整體對比及加工后細節展示如圖6所示。圖7所示為光整加工表面粗糙度變化曲線。從圖7中可以看出，經過光整加工后，齒輪軸齒面表面粗糙度的Ｒa 值由Ｒa 0.420μm 降低為Ｒa 0.223μm，Ｒz值由Ｒz 3.046μm降低為Ｒz 0.733 μm; 長軸頸表面粗糙度的Ｒa 值由Ｒa 0.374 μm 降低為Ｒa 0.151μm，Ｒz 值由Ｒz 2.826μm 降低為Ｒz0.374 μm; 零件表面粗糙度等級整體提高了1～1.5 個等級。表面粗糙度值的降低，可以減小齒輪軸微觀的應力集中，進而提升齒輪的可靠性和傳動平穩性，提升齒輪的嚙合精度。

圖6 齒輪軸光整加工前、后整體對比及加工后細節展示

圖7 光整加工表面粗糙度變化曲線

齒部精度分析: 通過三坐標儀對齒輪精度進行檢測，發現齒部公法線長度由137.068mm降低至137.051mm，減小了0.017 mm，公法線長度滿足技術要求; 齒形綜合偏差減小了0.79μm，齒向綜合偏差減小了0.37μm，齒距累計偏差和跳動值有所減小，但齒部精度滿足技術要求，光整加工前、后齒部精度報告對比如圖8所示。

圖8 光整加工前、后齒部精度報告對比

由圖8可見，滾磨光整加工不會對齒輪齒面精度造成影響。 

齒面壓應力對比分析: 光整加工前、后對齒形試樣分別選取齒頂、齒面中部和齒根這3處進行X射線衍射分析，得到光整加工前、后齒面壓應力測試結果，如表1所示。從表1中可以看出，齒頂和齒面中部壓應力值均有所提升，提升幅度約為35% ～45%。表面壓應力值的提升，可以提高零件的疲勞強度，尤其對齒根彎曲強度有大幅度提升，從而延長零件的使用壽命。

疲勞強度和疲勞壽命分析: 通過本文光整加工試驗，零件的表面粗糙度由光整加工前的Ｒa0.420μm降低為光整加工后的Ｒa0.223μm，即由圖2中的磨光階段轉變為拋光階段，零件的抗疲勞強度有所提升。通過光整加工試驗，零件的表面粗糙度Ｒa值平均降低了50%左右，Ｒz值平均降低了80%左右( 直接影響到微觀不平度高度h的大小) ，即波谷曲率半徑ρ增大，不平度間距與其高度之比的相關系數γ減 小。假設ρ、γ的影響忽略不計，微觀不平度高度h隨著表面粗糙度Ｒz值的降低而降低，通常在風電增速齒輪箱設計時，取Kγ=1.05，通過式(2)計算可得，應力集中系數的降低量ΔKγ為: ΔKγ =Kγ－K γ≈0.065～0.070 (4) 式中: Kγ 為光整前的應力集中系數; K γ 為光整后的應力集中系數。由式(2)和式(3) 可知，表面粗糙度值越低，有效應力集中系數越小，零件的疲勞壽命就越高。

04結語

1) 通過對風電增速齒輪箱齒輪軸進行光整試加工，提高了零件表面質量，去除了劃痕，大幅度改善了溝壑狀紋理、微觀裂紋等表面缺陷。 

2) 零件的表面粗糙度等級有所提升，齒頂倒角處更為圓滑，保證了不同表面之間的光滑過渡，齒面的表面粗糙度提高了1～1.5個等級，減小了微觀應力集中，進而提升了齒輪的可靠性、傳動平穩性以及嚙合精度。 

3) 齒輪軸公法線長度減小了0.017mm，齒形綜合偏差減小了0.79μm，齒向綜合偏差減小了0.37μm， 滾磨光整加工技術不會對齒輪齒面精度造成影響。 

4) 零件表面壓應力提升了35 %～45%，尤其對齒根彎曲強度有大幅度提升。 

5) 零件的抗疲勞強度得到了提升，有效應力集中系數減小，零件的疲勞壽命提高。

END

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來源：現代制造工程

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