面齒輪磨削工藝參數優化研究

付 杰

中國航發哈爾濱東安發動機有限公司

面齒輪磨削工藝參數優化研究

付 杰

中國航發哈爾濱東安發動機有限公司

面齒輪傳動是一種圓柱齒輪與圓錐齒輪相嚙合的齒輪傳動，它具有諸多優點和幾何特性。磨削一般作為面齒輪的最終加工工序，因其成形機理復雜，影響加工因素多，加工參數在線檢測困難，所以磨削加工過程的工藝方案優選是困擾制造企業的難題。為實現高質量、高精度、高效率、低耗能的加工目標，需研究各個磨削工藝參數對加工目標的影響規律，找出最佳的工藝參數值，確定優化的工藝方案。鑒于此，本文主要分析面齒輪磨削工藝參數優化。

面齒輪；磨削工藝；參數優化

1 面齒輪磨齒原理

與其他類型的齒輪傳動相比，面齒輪傳動技術的發展歷史較短，但由于其諸多優點，逐漸被大家重視起來；現在主流的面齒輪加工方法有磨齒、插齒和滾齒，其中插齒和滾齒屬于粗加工，磨齒屬于一種精加工的加工方式。早期面齒輪常常用在低速小載荷的場合中，對其加工質量的要求不嚴格，不需要進行磨齒加工。而目前面齒輪大部分應用于航空領域，航空領域對齒輪質量的要求及其嚴格。因此開展對面齒輪磨齒技術的研究變得非常有必要。

2 面齒輪磨削工藝參數優化

2.1 工藝參數優化設計

(1)變量設計。在磨削齒輪過程中磨削用量各參數取值大小直接關系著齒輪表面質量高低、效率大小，因此，本節以磨削工藝參數(砂輪轉速vs、磨削深度ap和工件速度vw)為優化設計基本變量。

(2)評價指標。

1)表面粗糙度。表面粗糙度(surfaceroughness)是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。表面粗糙度與齒輪的耐磨性、接觸剛度、疲勞強度以及傳動齒輪間的摩擦、磨損、配合性質振動和噪聲等有著十分緊密的關系，對齒輪的可靠性和使用壽命有著重大的影響，過高的粗糙度是造成齒輪失效的重要原因之一。

2)磨削變質層深度。變質層是指已加工工件的組織結構、化學物理性質及力學性能不同于心部的加工影響層。磨削變質層的硬度和組織對機械零件的使用性能有著重要的影響，其殘余應力狀況是造成磨削裂紋產生的關鍵因素之一，因此磨削變質層深度(h)評價磨削表面質量的重要指標。

2.2 磨齒實驗

(1)正交試驗法。我們在實際的工業生產過程中，往往要通過比較多的實驗，但是由于對實驗造成影響的因子常常很多，并且如果實驗做得比較多，對控制成本不利，甚至會對設備具有損害。以前人們普遍采用的全面試驗的方法，然而當因素超過2個時，我們需要做的工作量會極大變多，這樣是非常不切實際的。我們設計實驗需要滿足2個條件，一是效率方面要高，二是結論要正確。

(2)檢測儀器與方法。

1)磨削表面粗糙度檢測采用的是德國霍梅爾-艾達米克(隸屬德國業納集團)公司生產生產的HommelWerkeT8000粗糙度輪廓測量儀(其檢測精度可達0.001um)，樣品長度為0.25mm，檢測距離為2mm，在移動時探針的速度為0.15mm/s，對齒面Ra檢測三次，計算得出的平均值作為實驗的表面粗糙度Ra實際值。2)用線切割法沿齒面硬化層方向切割，以獲取實驗樣品，用800#的細砂紙拋光打磨，使用Lecd-AMH2000型全自動顯微硬度計對面齒輪齒輪樣品進行測量。施加載荷：4.8N，加載時間：13s。距離試樣表層0.1mm開始，每隔0.2mm測一次，在與表層同一距離處測量三次，取三者硬度的平均值，顯微硬度儀即可自動計算出硬度值。

(3)磨削正交實驗設計。以砂輪轉速sv、磨削深度ap和工件速度vw作為本次實驗的三個因素，其他影響因素可視為通常水平。每個因素取三個水平，以表面粗糙度Ra、磨除率Zw和磨削變質層深度h為實驗評價指標，采用4因素3水平正交表即4L9，并增加一列作為空列，已便于做方差分析，共做9組實驗。實驗各個因素的范圍及水平，如表1所列。

表1 面齒輪磨削正交實驗因素水平表

(4)實驗結果分析

利用極差分析法，分析了每個因素對實驗評價指標的影響程度，結果如表2和表3所示。表中，Ki表示水平號為i(i=1、2、3)列時所對應的

試驗結果之和。R為極差分析值，在任一列上123123R max{K，K，K} min{K，K，K}。

表2 變質層深度h極差分析表

表3 磨除率wZ極差分析表

我們可以看到每一列的R值是不相同的，這表明每個因素的變化對實驗結果的影響程度是不一樣的。R值越小則所對應的因素對實驗評價指標影響就越小，反之亦然。在本次實驗中，實驗指標Zw越大越好，應取指標大的水平，即各列中Ki取最小的值時所對應的水平；實驗指標Ra和h越小越好，所以應取指標小的水平。

總之，面齒輪傳動有諸多優點獨特與性能突出的特性是其它齒輪所不能替代的。但是，國內對面齒輪的研究起步較晚，與國外發達國家相較差距明顯。磨齒技術是加工精密面齒輪的重要工藝過程。精密加工的設備要提高，磨齒面齒輪的理論及技術水平也要相應的提高。對于面齒輪的齒面幾何形狀，齒面嚙合的相關理論，以及齒面的表面微觀形貌特征都需要進行更詳細的研究。磨齒加工的齒面齒形的優化，加工的砂輪方式的多樣化，對于提高面齒輪磨削技術的創新都具有很大的研究意義。

[1]明興祖,羅旦,劉金華,嚴宏志.面齒輪磨削加工工藝參數的優化[J/OL].中國機械工程,2016,27(19)：2569-2574.

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