光整加工對(duì)齒輪傳動(dòng)影響的研究

羅麗霞， 武增宏

（1.山西省平遙縣新產(chǎn)品開發(fā)研究所，山西平遙031100；2.山西省平遙減速器有限責(zé)任公司，山西平遙031100）

0 引言

光整加工是被加工對(duì)象表面質(zhì)量得到大幅度提高的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)精度的穩(wěn)定甚至提高加工精度等級(jí)的一種技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。

光整加工是指不切除或從工件上切除極薄材料層，以減小工件表面粗糙度為目的的加工方法。近年來發(fā)展起來的光整加工工藝技術(shù)具有以下功能：1）減小和細(xì)化零件表面粗糙度，去除劃痕、微光裂紋和表面缺陷，提高和改善零件表面質(zhì)量；2）提高零件表面物理性能，改善零件表面應(yīng)力分布狀態(tài)；3）去除棱邊毛刺，倒圓倒角，保證表面之間光滑過渡，提高零件的裝配工藝性；4）改善工件表面的光澤度和光亮程度，提高零件表面的清潔度等[1-3]。

對(duì)JS160-39.737刮板輸送機(jī)用減速器所有齒輪進(jìn)行光整加工采用兩種不同的設(shè)備，其原理分別如下：1）臥式光整設(shè)備，樣件水平放置夾在主軸和頂尖間，由升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，插入料箱磨料中，主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。而料箱帶動(dòng)磨料、磨液（水溶液）作線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使磨料與工件表面產(chǎn)生擠壓、劃擦等，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的微切削高效加工。并且通過回轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的不同速度配比，使不同形狀的零件獲得最佳的光整效果。2）旋轉(zhuǎn)式光整設(shè)備，光整加工時(shí)工件裝夾在氣動(dòng)卡盤上，通過主軸系統(tǒng)的升降帶動(dòng)工件進(jìn)入磨料，在行星輪系、振動(dòng)料箱等多方面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，對(duì)盤式零件的外表面及端面進(jìn)行光整加工，使磨料與工件表面產(chǎn)生擠壓、劃擦等，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的微切削高效加工。

1 光整加工的加工過程及加工前后測(cè)量結(jié)果對(duì)比

1.1 光整加工過程

2017年3月30日，廊坊市某機(jī)電技術(shù)有限公司對(duì)平遙減速器有限責(zé)任公司的6件齒輪進(jìn)行了光整加工。光整設(shè)備及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 光整加工技術(shù)參數(shù)表

1.2 光整加工前后測(cè)量結(jié)果對(duì)比

對(duì)6件齒輪在光整加工前后，采用時(shí)代集團(tuán)TR200粗糙度儀對(duì)零件表面某些部位的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

1.3 光整加工前后結(jié)果分析

同一個(gè)零件光整加工前后經(jīng)數(shù)碼觀察王觀察、手感觸摸、粗糙度儀測(cè)量，光整加工后，零件被加工表面毛刺全部去除，銳邊鈍化，棱邊倒圓整齊，手感潤(rùn)滑，粗糙度明顯降低。

2 減速器加載試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

兩臺(tái)JS160-39.737刮板輸送機(jī)用減速器為試驗(yàn)對(duì)象，其中一臺(tái)減速器的所有齒輪最終工序?yàn)槟X及光整加工，編號(hào)T005。另一臺(tái)減速器的所有齒輪最終工序?yàn)槟X,編號(hào)T006。

表2 光整加工前后粗糙度對(duì)照表 μm

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

運(yùn)轉(zhuǎn)式齒輪試驗(yàn)裝置,能使減速器在一定的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，這種試驗(yàn)裝置可根據(jù)試驗(yàn)功率情況分為功率流開放式、功率流封閉式和功率流半封閉式三種。

功率開放性減速器試驗(yàn)裝置通常由原動(dòng)機(jī)、受試驗(yàn)的齒輪裝置和耗能負(fù)載三部分組成，這種試驗(yàn)方法的傳動(dòng)原理如圖1所示。

圖1 功率開放性減速器試驗(yàn)裝置的傳動(dòng)原理

采用這種減速器性能試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活，可在運(yùn)行過程中對(duì)被測(cè)裝置加載。但對(duì)于大功率或被試減速器輸出軸端轉(zhuǎn)矩較大的情況:1）功率開放試驗(yàn)有一個(gè)耗能裝置消耗的功率比試驗(yàn)減速器的還要大，能耗大，不符合現(xiàn)在國(guó)家提倡的節(jié)能環(huán)保政策；2）目前公司配置的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的規(guī)格有限以及大規(guī)格轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器生產(chǎn)廠家也少；3）原動(dòng)機(jī)1的容量和體積會(huì)很大、加載器5的體積也會(huì)很大。

功率封閉性齒輪試驗(yàn)裝置有電功率封閉性和機(jī)械功率封閉性兩類。電功率封閉性齒輪試驗(yàn)裝置根據(jù)使用電動(dòng)機(jī)的不同分為直流電動(dòng)機(jī)電封閉試驗(yàn)裝置、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電封閉試驗(yàn)裝置、交流整流子電動(dòng)機(jī)電封閉試驗(yàn)裝置[4-6]。

本次兩臺(tái)JS160-39.737刮板輸送機(jī)用減速器對(duì)比試驗(yàn)采用感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)電封閉齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置，如圖2所示。把兩臺(tái)同型號(hào)的交流電動(dòng)機(jī):電動(dòng)機(jī)1和電動(dòng)機(jī)2同時(shí)并接與電網(wǎng)（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過變頻器控制），轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器3將電動(dòng)機(jī)1和T005減速器4相連接，T005減速器4和T006減速器5兩臺(tái)減速器通過聯(lián)軸器聯(lián)接起來，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6將電動(dòng)機(jī)7和T006減速器5相連接。

這種布置方式的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)1或電動(dòng)機(jī)2）所消耗的功率可循環(huán)利用，整個(gè)系統(tǒng)所損耗的功率只是摩擦損失。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下啟動(dòng)，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即空載（零轉(zhuǎn)矩）啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)不傳遞功率。在運(yùn)行過程中，通過變頻器調(diào)整一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)速超過交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，則該電動(dòng)機(jī)成為加載發(fā)電機(jī)，使齒輪受載。同時(shí)加載發(fā)電機(jī)發(fā)出的電回饋到電網(wǎng)，形成電封閉系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)過程

減速器試驗(yàn)過程分為4 d進(jìn)行：第1 d編號(hào)T005減速器作為主試減速器進(jìn)行逐步加載及滿載的正轉(zhuǎn)試驗(yàn)；第2 d編號(hào)T005減速器作為主試減速器進(jìn)行逐步加載及滿載的反轉(zhuǎn)試驗(yàn)；第3 d編號(hào)T005減速器作為陪試減速器進(jìn)行逐步加載及滿載的正轉(zhuǎn)試驗(yàn)；第4 d編號(hào)T005減速器作為陪試減速器進(jìn)行逐步加載及滿載的反轉(zhuǎn)試驗(yàn)。減速器作為陪試減速器時(shí)，處于增速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

試驗(yàn)地點(diǎn)：平遙減速器有限責(zé)任公司公司齒輪箱測(cè)試中心；試驗(yàn)方法：315 kW電封閉加載；試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：MT101-2000《刮板輸送機(jī)用減速器檢驗(yàn)規(guī)范》；試驗(yàn)的項(xiàng)目有：空載及滿載試驗(yàn)、效率測(cè)定、溫升測(cè)定、噪聲及振動(dòng)等。

測(cè)試儀器有：JC20轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器：（湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司）；JX-3機(jī)械效率儀（湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司）；TM-1310高精度溫度測(cè)試儀（上海五久自動(dòng)化設(shè)備有限公司）；UT311測(cè)振儀（廣東優(yōu)利德科技有限公司）；HS5633B噪聲測(cè)試儀（嘉興市蝶圖騰電子設(shè)備有限公司）。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)過程中每隔15 min采集一次數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

負(fù)荷效率曲線如圖3所示。

圖3 負(fù)荷效率曲線

2.3 結(jié)果分析

1）齒輪傳動(dòng)具有周期性嚙合的基本特性，所以齒輪振動(dòng)是不可避免的。齒輪振動(dòng)會(huì)激勵(lì)減速器內(nèi)空氣，因?yàn)榭諝饩哂锌蓧嚎s性，在齒輪的振動(dòng)作用下，周圍的空氣就會(huì)產(chǎn)生交替的壓縮和膨脹，這種過程就會(huì)漸漸向外傳播產(chǎn)生聲波。但聲音標(biāo)準(zhǔn)大于85 dB頻率在300 Hz時(shí)產(chǎn)生噪聲，因此，齒輪的振動(dòng)是誘發(fā)齒輪噪聲的主要原因。另一方面在齒輪嚙合中，由于輪齒間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力方向隨時(shí)變化在節(jié)圓上產(chǎn)生沖擊力，與齒輪制造、安裝誤差及運(yùn)動(dòng)中受力變形，使齒與齒碰撞產(chǎn)生嚙合沖力。這種運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)也是誘發(fā)齒輪產(chǎn)生噪聲的主要原因?？傊瘕X輪噪聲的根本原因是齒輪在運(yùn)行中產(chǎn)生節(jié)線沖力和嚙合沖力[7]。

齒面粗糙度是影響噪聲的重要因素，粗糙度越大，齒輪傳動(dòng)時(shí)摩擦力矩越大，噪聲越大，齒面磨損也快,特別是主動(dòng)齒輪節(jié)圓以上的齒部和從動(dòng)齒輪節(jié)圓以下的齒部。光整加工作為一種新工藝，可以使齒面粗糙度明顯降低，改善嚙合環(huán)境。使齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，減速器的空載及重載噪聲也有所降低[8]。

通過表3可以得出，齒輪磨齒機(jī)光整加工的編號(hào)T005減速器的綜合噪聲及振動(dòng)低于齒輪磨齒的編號(hào)T006減速器。

2）減速器傳動(dòng)過程中的功率損失主要包括齒輪傳動(dòng)過程中的嚙合摩擦損失功率、軸承的損失功率、密封裝置損失功率、齒輪攪油損失功率等，其損失的功率主要通過箱體向外散熱[9]。

本測(cè)試系統(tǒng)為電功率封閉試驗(yàn)方法，也是減速器生產(chǎn)廠家所說的“背對(duì)背側(cè)功率法”。其測(cè)得的效率是兩臺(tái)減速器的平均效率，其計(jì)算式為

式中：T1為輸入端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器5測(cè)得的輸入端轉(zhuǎn)矩，N·m；T2為輸入端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器4測(cè)得的輸入端轉(zhuǎn)矩，N·m[10]。

通過圖3的效率曲線分析，我們可以得出：減速器的測(cè)試效率隨負(fù)荷的增加而逐漸升高，但載荷增大到使齒輪箱熱平衡溫度達(dá)到極限溫度時(shí)，趨于某一穩(wěn)定數(shù)值。齒輪磨齒機(jī)光整加工的編號(hào)T005減速器的傳動(dòng)效率高于齒輪磨齒的編號(hào)T006減速器。

3）依據(jù)文獻(xiàn)［1］可以得知，一對(duì)外嚙合定軸齒輪傳動(dòng)，輪1主動(dòng)和輪2主動(dòng)時(shí)，其齒輪傳動(dòng)過程中的平均效率是不同的，其公式如下：

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表3及負(fù)荷效率曲線圖3，我們可以得出，光整技術(shù)對(duì)齒輪箱做增速運(yùn)動(dòng)時(shí)效率提升顯著。

3 結(jié)語

根據(jù)上述分析得出零件進(jìn)行光整加工后對(duì)減速器的性能影響如下：1）零件進(jìn)行光整加工后對(duì)減速器的空載噪聲降低2~3 dB，對(duì)整機(jī)的滿載噪聲降低2 dB；2）零件進(jìn)行光整加工后對(duì)減速器的振幅降低7 μm；3）零件進(jìn)行光整加工后對(duì)減速器的效率提高1%~1.5%，光整技術(shù)對(duì)齒輪箱做增速運(yùn)動(dòng)時(shí)效率提升顯著；4）零件進(jìn)行光整加工后對(duì)減速器的溫升沒有明顯影響;5）零件粗造度比光整前均有提高，且對(duì)零件形體尺寸沒有影響。