拋光磨削工藝對齒輪跑合階段磨損性能影響試驗分析

摘要齒輪跑合階段的磨損能反映齒輪的疲勞壽命和整個服役周期磨損性能的優劣。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量，進而提高齒輪跑合階段的磨損性能。為探究拋光磨削工藝對齒輪跑合性能的影響，以某變速器低速擋主動齒輪為研究對象，分別加工拋光磨削齒輪和常規磨削齒輪各1 對，在齒輪試驗臺架上對兩對齒輪進行運轉試驗;在運轉過程中進行鐵譜采集;利用 Matlab 對鐵譜數據進行分析，得出拋光磨削工藝對齒輪跑合性能的影響規律。結果顯示，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。其結論為該工藝在齒輪加工上的應用提供了一定的數據支撐和參考。

關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

新車在跑長距離路程之前，一般需要經過一個磨合期，磨合期包含對變速箱的磨合，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力，使齒輪的表面質量有所提高[1-2] ， 使齒輪嚙合性能和摩擦磨損性能更好，效率更優。齒輪副的跑合是為了其能正常的承載各種負荷，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行適當的嚙合。因此，研究齒輪跑合過程，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出更好的齒輪表面質量，使齒輪副更好的嚙合運轉。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理，得出齒輪跑合過程實際上是齒輪表面微凸體相互作用的一個過程，在一定的載荷和轉速下，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轉過程[3-4]。武志斐等對初始的齒輪表面接觸區域進行研究，并得到接觸區對齒輪跑合階段嚙合的影響[5]。閆文斗等對齒輪跑合前后的齒輪表面變化進行理論分析，得出跑合后齒面接觸弧長的具體變化，對齒輪跑合進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齒輪跑合階段的彈流潤滑的影響，得知良好的跑合可以使得齒面具有更好的潤滑狀態[7]。由以上文獻中可知，優良的跑合對齒輪磨損和嚙合性能有積極的作用。大多學者研究了齒輪跑合的機理，對于如何優化齒輪跑合性能，也有人進行了研究。于子強等研究了齒面殘余應力對齒輪跑合性能的影響，可以啟發齒輪制造業從提高殘余壓應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齒輪跑合性能的影響。結合齒輪運轉試驗和鐵譜分析試驗，得出拋光磨削與常規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論。

1齒輪試件準備

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，其特點是在常規磨齒工藝的基礎上，通過新型的磨削砂輪對齒輪進一步拋光磨削。拋光磨削工藝是利用拋光磨削砂輪對齒輪進行高精度磨削的工藝[9]。新型的磨削砂輪結構分為拋光磨削區域和常規磨削區域。某國際知名公司生產的拋光磨削砂輪的結構如圖 1所示。常規磨削砂輪如圖2 所示。

拋光磨削砂輪的常規磨削區域和常規磨削砂輪所用的磨石黏合劑都是陶瓷黏合劑，質地較硬，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磨削區和傳統砂輪一樣，而拋光磨削區使用樹脂黏合劑，其作用類似于研磨工藝的拋光工序。因此，相比較傳統的磨削砂輪，利用拋光磨削砂輪加工齒輪的特點和優勢為：通過常規磨削區域加工齒輪以保證齒輪齒廓精度，通過拋光磨削區域加工齒面以大幅提高齒輪的表面質量，如粗糙度、齒面微觀形貌等。因將拋光磨削區和常規磨削區整合到了同一砂輪，加工齒輪時，先進行常規磨削加工，之后進行拋光磨削加工，使齒輪的常規磨削和拋光磨削在同一工序完成。所以，對齒輪的磨齒節拍基本沒有影響[10]。

1.2 齒輪試件

采用兩對不同磨齒工藝的齒輪作為試驗對象，為了使兩對齒輪能夠有效地對比，使用同一批次的齒輪毛坯件，進行同一批次的滾齒、熱處理;在進行常規磨削時，也使用同樣的磨削砂輪和磨齒機對兩對齒輪進行加工，只是拋光磨削齒輪增加一道拋光磨削工序。所加工齒輪的參數如表1 所示。

1.3 試驗設備及試驗前準備

1.3.1 齒輪運轉試驗臺

齒輪運轉試驗臺架如圖3 所示，該試驗臺架具有自動調節轉矩和轉速的功能，在試驗過程中可以保證齒輪運轉的轉矩和轉速只在很小范圍內發生變化，很大程度上保證了試驗的精確度。在試驗過程中，為保證試驗時控制變量，使兩對齒輪的試驗條件保持一致，室溫均調節為25℃，均加入美孚 ATF320齒輪油，加載力矩轉速保持一致。

1.3.2 鐵譜分析儀器

采用鐵譜分析技術可以分析齒輪具體的磨損過程，對齒輪實際的磨損形態和趨勢做出更好的判斷[11]。采用 SPECTRO 品牌的顆粒分析儀，可以對液體中的磨粒進行分析。其特點是利用智能算法對鐵譜的投影進行分析，在統計液體中磨粒濃度的同時，可對磨粒的種類進行分析，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齒輪的磨損量及趨勢進行分析，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齒輪總磨損趨勢的影響，還可以分析拋光磨削對齒輪磨損種類及疲勞磨損的影響[12]。

當需要分析油液時，需要離線采集油液樣本，對油液進行磨粒濃度和磨粒種類的分析。

1.3.3 粗糙度檢測儀及檢測結果

齒面粗糙度是表面質量的重要評價指標之一。在進行齒輪跑合試驗之前，首先，采用德國霍梅爾某型號的粗糙度檢測儀，檢測拋光磨削和常規磨削齒輪的粗糙度，如圖5 所示。齒輪檢測總長度設置為5 mm ，對于其中的2 mm 作為有效長度對齒輪的粗糙度進行評判。為了確保拋光磨削齒輪和常規磨削齒輪粗糙度對比的一致性，要將齒輪放置到粗糙度儀中夾具相同的位置，使得兩對齒輪的粗糙度測量位置相同。

1.3.4 殘余應力檢測儀及檢測結果

殘余應力是齒輪表面質量的另一個重要指標，需要在試驗前對兩對齒輪的殘余應力進行檢測。采用 Stresstech Oy 公司的 X 射線殘余應力分析儀，如圖 6所示。

當物體存在殘余應力時，晶體移動，發生布拉格衍射，衍射峰也發生移動。晶面間相對移動距離受應力大小影響，X 射線衍射測量殘余應力的基本原理是： X 射線以不同的角度照在被測物上，得到發生的衍射角和位移，可得出被測物體的殘余應變;并通過胡克定律將殘余應變計算轉換成殘余應力。

對拋光磨削齒輪和常規磨削齒輪分別選6 個齒進行殘余應力檢測，如圖7 所示。在每個齒輪的螺旋線和齒廓的中間處進行檢測，統計每對齒輪的殘余應力并計算殘余應力平均值作為各對齒輪的殘余應力值。

此次所測齒面殘余應力皆為殘余壓應力，所測最終結果如表3 所示。由表3 可知，拋光磨削齒輪殘余壓應力大于常規磨削齒輪。

1.3.5 齒輪的微觀形貌

齒輪微觀形貌對齒輪磨損有重要影響[13-15]。磨齒對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，來對比拋光磨削和常規磨削齒輪齒面微凸體的情況。采用 Wenzel 檢測儀，對拋光磨削齒輪的螺旋線微觀形貌進行檢測，該儀器可以達到微米級，能夠有效分析拋光磨削工藝對齒輪精度的影響。

圖8 、圖9 所示分別為該批次抽檢的拋光磨削和常規磨削齒輪的齒寬方向微觀形貌?？梢钥闯?，其齒廓、螺旋線只有極微小的差距，根據以往經驗，這對齒輪的運轉影響很小，可忽略不計。拋光磨削齒輪微觀形貌明顯優于常規磨削齒輪。

拋光磨削和常規磨削齒輪具體的齒廓、螺旋線主要參數對比，如表4 所示。

結合圖8 、圖9 和表4 可得，拋光磨削和常規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量，但是對齒輪的微觀形貌參數的影響甚微。所以，拋光磨削工藝不會因為改變齒輪齒廓、螺旋線參數而對其磨損性能產生影響。

1.4 試驗方案

1.4.1 齒輪運轉試驗

對拋光磨削齒輪和常規磨削齒輪先后進行臺架運轉試驗。為保證兩對齒輪的試驗能夠盡量有效對比，需要控制相關變量：室溫25℃，齒輪箱的油量10 L（齒輪箱總容積15 L ，要求油量沒過齒輪最下方的單個齒），轉速、轉矩一致，停機間隔一致，取出的油液樣量一致。

參考試驗室同類齒輪的試驗數據可知，該齒輪副的跑合時間是7 h 左右，為了使齒輪運轉時間充分覆蓋齒輪副的跑合階段，將本次齒輪的運轉的總時間定為13 h（為試驗總時長，非跑合時長），足以覆蓋兩對齒輪的跑合階段所用時長，能夠保證分析兩次試驗齒輪的完整跑合階段，獲取完整跑合階段的試驗數據進行分析。

1.4.2 鐵譜分析試驗

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

根據油液取樣經驗所得，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和齒輪運轉時間相符合，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，使試驗順利進行，需要將油樣進行稀釋。首先，將稀釋液過濾除去雜質;之后，利用稀釋液對油液樣本進行稀釋，得到待分析油樣。稀釋后的油樣中含有空氣微氣泡，利用超聲振動去除油樣中的氣泡。利用 Spectro-LNF-Q200顆粒分析儀對樣本溶液進行分析，在試驗結束時，保存好數據。

每個油液樣本稀釋后就要對顆粒分析儀進行清洗，以免給下次油液分析帶來誤差。

1.4.3 具體試驗實施

齒輪跑合方案如表5 所示。

2試驗結果及分析

2.1 齒輪運轉試驗結果

兩對齒輪在第13 h 停機時，都沒有產生疲勞破壞和斷齒，此時，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 鐵譜分析試驗結果

對運轉過程中的兩對齒輪取樣，拋光磨削齒輪和常規磨削齒輪分別取13個油液樣本。對處理過的樣本進行油液中的鐵譜分析，得到油液中總磨粒數的變化和各種不同種類磨粒的變化情況。對統計的數據進行分析處理，得到的結果如圖10所示。

2.3 結果分析與討論

由圖10中可以看出，前3 h 內，拋光磨削齒輪和常規磨削齒輪的磨粒濃度增加速度均較快，因為在跑合初期，兩齒輪副的表面微凸體都在頻繁地發生碰撞、折斷;同時，微凸體也會對齒面發生溝犁作用，產生磨粒。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量更好，所以，拋光磨削齒輪磨損速度低于常規磨削齒輪。在3 h 后，拋光磨削齒輪磨損顆粒濃度上升和常規磨削齒輪相比較為緩慢，并在5 h 后，濃度開始穩定，變化較小。這是因為在3 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，所以產生的磨粒減少。而常規磨削齒輪在3～7 h 內，劇烈磨損期尚沒有結束，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定，進入穩定磨損期。

基于以上數據分析，拋光磨削齒輪的跑合期為5 h ，常規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入正常磨損期，使齒輪更快地進入穩定的磨損狀態。結合拋光磨削砂輪特點的介紹，傳統磨削加工齒面后，由于機床、砂輪運行軌跡、加工參數、齒輪材料等的影響，會使加工后的齒面存在一定數量的微凸體，拋光磨削工藝可以通過類似研磨作用對齒面進行拋光加工，盡可能減少齒面微凸體和降低微凸體的高度。在齒輪運轉過程中，當潤滑狀態良好時，齒面與齒面之間并不是直接接觸，而是以潤滑油為介質，此時為彈流潤滑。當齒面的微凸體較多，或者微凸體的高度過大時，齒面間的油膜便不易形成，使齒面間的微凸體直接進行接觸碰撞，導致磨損。因此，拋光磨削工藝可以在一定程度上保證齒面間進行彈流潤滑或者減少齒面間微凸體的相互作用，以達到減小磨損的目的。

3結論

利用齒輪臺架試驗對比分析了拋光磨削齒輪和常規磨削齒輪對齒輪跑合階段的影響。根據試驗分析可知，拋光磨削工藝可以減少齒面微凸體，增加齒面間彈流潤滑區域，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上的應用和推廣提供了一定的依據。具體總結如下：

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

（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入正常磨損期，使齒輪更快地進入穩定的磨損狀態。

（3 ）拋光磨削齒輪副和常規磨削齒輪副在跑合初期（前3 h 內），齒面均發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，可以更快地適應實用的要求。

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收稿日期：2017-07-14修回日期：2021-09-24

基金項目：安徽省高?？蒲许椖浚↘J2020A0910）

作者簡介：張廣祥（1982—） ，男，安徽亳州人，碩士研究生，講師;研究方向為機械設計、自動控制。