漸開線齒輪成形磨削傳熱理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、齒輪廣泛應(yīng)用于各種裝備領(lǐng)域，其傳動(dòng)性能的優(yōu)劣和承載能力的高低很大程度上決定著機(jī)械裝備的性能與質(zhì)量。硬齒面齒輪可以成倍提高傳動(dòng)裝置承載能力和使用壽命，減小傳動(dòng)裝置的尺寸和重量。齒輪的硬齒面通常是在機(jī)械加工后通過熱處理獲得的，磨齒是齒面淬硬后消除熱處理變形，并進(jìn)一步提高齒輪精度和改善齒面粗糙度的主要方法。相比展成磨削方法，齒輪成形磨削方法加工效率高、機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工精度高，特別適合大模數(shù)和大型硬齒面齒輪加工。
　　為了保證齒輪承載能

2、力和齒輪使用壽命，必須嚴(yán)格控制齒面表層材料的綜合物理機(jī)械性能。磨削過程中，磨削力、磨削功率和磨削熱隨齒輪參數(shù)和磨削參數(shù)改變呈現(xiàn)非常復(fù)雜的變化，在很多情況下，會(huì)改變齒輪齒面表層微觀組織結(jié)構(gòu)、造成齒面硬度的降低以及在齒輪表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，對(duì)于齒輪接觸疲勞強(qiáng)度有很大影響。
　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于工件和砂輪接觸關(guān)系較為簡(jiǎn)單的平面磨削或外圓磨削傳熱問題進(jìn)行了較為深入的研究，基于移動(dòng)熱源模型、傾斜移動(dòng)熱源模型、圓弧接觸移動(dòng)熱源模型，建立了磨削區(qū)

3、磨削溫度解析模型和熱比率分配子模型。對(duì)于接觸關(guān)系較為復(fù)雜的齒輪磨削傳熱問題，研究難度較大，相關(guān)研究較少。對(duì)于復(fù)雜接觸狀態(tài)的齒輪磨削傳熱問題，需要解決幾個(gè)方面的問題：1）建立三維接觸狀態(tài)下曲面接觸移動(dòng)熱源的基本模型，2）建立齒輪表面熱流三維非均勻分布，3）沿齒輪輪廓熱分配比率的變化規(guī)律。
　　本文以漸開線廓形直齒圓柱齒輪成形磨削為研究?jī)?nèi)容，通過系統(tǒng)分析齒輪成形磨削過程中砂輪和齒輪輪廓的接觸關(guān)系，在國(guó)內(nèi)外首次建立了漸開線直齒圓柱齒輪成

4、形磨削磨削力分布模型、磨削功率模型和三維傳熱磨削熱模型；通過詳細(xì)考慮傳入工件、砂輪、磨屑、磨削液各個(gè)部分的熱比例以及對(duì)應(yīng)磨削熱沿齒輪輪廓的分布，建立了沿漸開線齒廓分布的磨削熱比率分配模型；基于磨削力分布模型和熱分配比模型，建立了砂輪—齒輪接觸曲面上的三維熱流密度分布模型。通過對(duì)磨后齒廓表面的巴克豪森噪聲檢測(cè)和微觀硬度檢測(cè)，確定了成形磨削低碳合金鋼齒輪的磨削燒傷功率閾值和巴克豪森噪聲 RMS臨界值，對(duì)于合理設(shè)置磨削工藝參數(shù)和磨削條件，特別

5、是對(duì)磨削過程中熱損傷的直接監(jiān)測(cè)控制提供了重要途徑。以砂輪—齒輪接觸曲面上的三維熱流密度分布結(jié)果為熱載荷，開展了齒輪成形磨削應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析工作，對(duì)磨削后的殘余應(yīng)力狀態(tài)以及殘余應(yīng)力沿齒輪齒廓和深度方向的分布進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了不同齒輪模數(shù)和齒數(shù)的齒輪在成形磨削過程中，幾何接觸關(guān)系、磨削力、磨削溫度、殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。
　　對(duì)齒輪成形磨削磨削力的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，沿齒輪輪廓不均勻分布的磨削力會(huì)造成砂輪的不均勻磨損。通過特殊

6、設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了不同磨削條件下磨削力沿齒輪輪廓的分布，對(duì)齒輪磨削功率模型和磨削力分布模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　建立了齒輪磨削熱流密度在砂輪與齒輪接觸區(qū)三維分布模型，即沿齒輪齒廓具有和切向磨削力與砂輪線速度乘積一致的分布規(guī)律，而沿接觸弧長(zhǎng)方向呈三角形分布；建立了濕磨和干磨時(shí)，沿齒輪輪廓傳入工件的熱比率模型；通過理論分析和試驗(yàn)，確定了干磨與濕磨時(shí)傳入工件的熱比率變化規(guī)律。齒輪輪廓漸開線滾動(dòng)角對(duì)磨削溫度的分布有很大的影響。成形磨削時(shí)，

7、齒輪表面的磨削溫度沿齒輪齒廓隨漸開線滾動(dòng)角的增加而增大，最大磨削溫度出現(xiàn)在齒廓頂部。利用布置于齒槽兩側(cè)四個(gè)不同滾動(dòng)角位置的熱電偶測(cè)得了不同磨削參數(shù)下的磨削溫度，其結(jié)果與本文提出的磨削溫度解析模型計(jì)算的溫度結(jié)果具有很好的一致性。
　　對(duì)齒輪齒廓磨削殘余應(yīng)力分布變化開展了理論和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，殘余應(yīng)力的主應(yīng)力方向?yàn)辇X輪齒廓方向，磨削溫度超過300℃區(qū)域產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，齒面殘余應(yīng)力呈不均勻分布，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪頂部。