光整加工技術(shù)在油泵齒輪中的研究與應(yīng)用

許利利

摘要：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光整加工設(shè)備的磨料、磨液、以及加工參數(shù)的選擇，對(duì)零件進(jìn)行光整試驗(yàn)，并對(duì)光整前后齒形誤差、表面粗糙度、表面應(yīng)力等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，得出光整加工對(duì)提高齒面表面完整性、抗疲勞強(qiáng)度和壽命都起到了明顯的效果。在實(shí)現(xiàn)毛刺去除方法機(jī)械化、高效化的同時(shí)，提高主從動(dòng)齒輪的抗疲勞強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：光整;高效;表面完整性;抗疲勞強(qiáng)度

0 ?引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)是航空工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，而油泵齒輪則是燃油附件動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵核心零件，油泵齒輪需要傳遞較大載荷，要求使用壽命長(zhǎng)，因此齒輪表面均會(huì)進(jìn)行硬化處理。目前，我國(guó)油泵齒輪精加工工藝普遍采用磨齒，以提高熱處理后油泵齒輪的加工精度和表面質(zhì)量。但對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，只關(guān)注于滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖要求，考慮的是低成本、高效率、對(duì)于油泵齒輪的失效、表面完整性、抗疲勞強(qiáng)度等影響油泵齒輪壽命和可靠性方面關(guān)注不足。據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)故障統(tǒng)計(jì)分析表明，大多數(shù)為疲勞失效，而失效的主要原因?yàn)楸砻嫒毕?，尤其潛伏在表層和亞表層的缺陷是產(chǎn)生疲勞失效的隱形殺手。

目前航空產(chǎn)品已引入了光整加工技術(shù)用于相關(guān)零部件的去毛刺、拋光、以及抗疲勞制造等生產(chǎn)過(guò)程。我公司各型燃油泵、調(diào)節(jié)器等是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)，視同發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟。齒面點(diǎn)蝕，微裂紋產(chǎn)生斷裂，疲勞損傷等事故時(shí)有發(fā)生。對(duì)于高精度油泵齒輪，齒輪嚙合工作的可靠性是滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)工作的關(guān)鍵，因此，光整加工技術(shù)在油泵齒輪中的應(yīng)用與研究就顯得迫在眉睫。

1 ?油泵齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)后存在的表面質(zhì)量問(wèn)題

輪齒在嚙合工作時(shí)，其齒面接觸應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化的。在多次重復(fù)作用下，齒面表層就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞裂紋，對(duì)于磨齒后由于磨削產(chǎn)生熱和切削力，在齒面殘余大量的應(yīng)力、齒面的粗糙度，表面微觀形貌等表面質(zhì)量在都會(huì)引起的疲勞裂紋二引起油泵齒輪失效，最主要的是齒面點(diǎn)蝕和嚙合膠合。

1.1 齒面點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕就是齒面在變化的接觸應(yīng)力作用下，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。齒面上最初出現(xiàn)的點(diǎn)蝕僅為針尖大小的麻點(diǎn)，隨著工作麻點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，甚至數(shù)點(diǎn)連成一片，最后形成了明顯的齒面損傷，一般情況，點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上，然后再向其它部位擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)影響到油泵齒輪的疲勞裂紋，并發(fā)生齒面的剝落現(xiàn)象及斷裂。

1.2 齒面膠合

油泵齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，由于齒面間的壓力大，瞬間溫度高，潤(rùn)滑效果差，齒面加工紋路明顯時(shí)，相嚙合的兩齒面就會(huì)發(fā)生粘在一起的現(xiàn)象，由于此時(shí)兩齒面又在作相對(duì)滑動(dòng)，相粘結(jié)的部位即被撕破，于是在齒面上沿相對(duì)滑動(dòng)的方向形成傷痕，稱(chēng)為膠合。傳動(dòng)時(shí)齒面瞬時(shí)溫度愈高、相對(duì)滑動(dòng)速度愈大的地方，愈易發(fā)生膠合。

2 ?光整加工試驗(yàn)

2.1 光整加工技術(shù)的功能

①減小和細(xì)化零件表面粗糙度，去除劃痕、微觀裂紋等表面缺陷，提高和改善零件表面質(zhì)量;

②提供零件表面物理力學(xué)性能，改善零件表面應(yīng)力分布狀態(tài);

③去除尖角毛刺，棱邊倒圓，保證表面之間光滑過(guò)渡，提高零件的裝配工藝性。

2.2 零件選擇

選取某產(chǎn)品主動(dòng)齒輪，如圖1所示進(jìn)行磨齒后的光整試驗(yàn)，此油泵齒輪材料2Cr3WMoV，屬于優(yōu)質(zhì)合金鋼，齒部先進(jìn)行滾齒，再進(jìn)行齒面滲碳處理，齒面及軸徑表面要求滲碳1.0～1.3mm，硬度HRC61～65，中心硬度HRC33～45齒面最后采用成型磨齒機(jī)磨齒，保證齒面粗糙度Ra0.8μm。兩端面粗糙Ra0.05μm，兩軸徑表面粗糙度Ra0.025μm～Ra0.05μm，零件表面精度要求較高，在加工中，毛刺的去除以手工操作為主，加工與測(cè)量效率較低，加工質(zhì)量差，嚴(yán)重影響產(chǎn)品交付任務(wù)。

2.3 光整加工設(shè)備的選擇

精加工光整設(shè)備主要類(lèi)別有BJG-LL05全自動(dòng)磨具光整設(shè)備、BJG-X400B自由磨具光整設(shè)備、TFM58*32振動(dòng)光飾機(jī)，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)尺寸及技術(shù)要求，選擇BJG-X400B自由磨具光整設(shè)備，該設(shè)備主要用于各種齒輪類(lèi)、短軸類(lèi)、圓盤(pán)類(lèi)零件外表面精加工后的光整工藝。在不改變工件原有尺寸及配合精度的前提下，徹底去除零件各棱邊的毛刺，改善零件外邊面的物理機(jī)械性能，消除表面殘余拉應(yīng)力，增加外表面耐磨層厚度，延長(zhǎng)零件的使用壽命。

2.4 光整加工磨料和磨液的選擇

在光整工件時(shí)，工件是在提升機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，插入滾筒磨料中，并在主軸箱的帶動(dòng)下自轉(zhuǎn)，而滾筒則帶動(dòng)磨料、磨液和水回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)方向與工件自轉(zhuǎn)方向相反，從而使磨料對(duì)工件表面進(jìn)行碰撞、擠壓、劃刻等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的微切削高效加工。在整個(gè)加工過(guò)程中磨料及磨液則起著至關(guān)重要的作用。常用磨料類(lèi)型有碳化硅、陶瓷、氧化鋁、白剛玉、高鋁瓷等。磨液是一種或多種溶質(zhì)配制而成的溶液，合理選擇磨液，能使加工出來(lái)的工件光亮美觀，有效預(yù)防工件生銹，潤(rùn)滑和保護(hù)工件表面，同時(shí)始終能保持磨塊的清潔鋒利，從而可以提高光整加工的效率。

根據(jù)油泵齒輪齒面精度等級(jí)、油泵齒輪齒厚尺寸公差、油泵齒輪肩軸外圓尺寸精度、表面質(zhì)量及粗糙度等實(shí)際情況以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，選取了較適合的加工參數(shù)，磨料：KL16-1G（黑色高鋁瓷），磨液：HA-IS，光整加工時(shí)間：15min。

3 ?光整加工對(duì)齒面精度及表面質(zhì)量的影響

通過(guò)對(duì)光整加工后零件齒向誤差、齒面表面粗糙度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)分析，得出光整加工能有效去除油泵齒輪齒廓部位手工去毛刺殘余的毛邊、以及不規(guī)則棱邊，零件表面的輕微蝕銹，增加表面的光亮度，提高齒面的表面完整性。

3.1 對(duì)齒面齒形誤差的影響

對(duì)光整后零件的齒面形位誤差進(jìn)行測(cè)量，得出數(shù)據(jù)如表1，從光整加工前后數(shù)據(jù)對(duì)比排除測(cè)量等誤差影響，變動(dòng)范圍在0.001mm以?xún)?nèi)，因而得出：光整加工對(duì)零件的齒面誤差精度幾乎無(wú)影響。

3.2 對(duì)表面質(zhì)量的影響

①表面粗糙度常用評(píng)定參數(shù)為Ra，因此對(duì)齒輪光整前后軸徑處的粗糙度值進(jìn)行了檢測(cè)（如圖2所示），兩軸徑表面粗糙度Ra0.025μm～Ra0.05μm，檢測(cè)結(jié)果顯示光整后表面粗糙度值較光整前減小約10%，在光整加工過(guò)程中，較高的峰值均被去除，表面粗糙度值減小，可以增加零件之間的接觸面積，減少表面接觸壓強(qiáng)，降低磨損，同時(shí)可以減小應(yīng)力集中，使工件不易產(chǎn)生裂紋和缺口，提高工件抗疲勞性能。

②從光整前后零件的對(duì)比情況可以看出光整前手工打磨倒角有棱度且不規(guī)則（如圖3），光整后齒廓倒圓比較規(guī)則光滑，且沒(méi)有手工操作形成的棱度（如圖4）。

3.3 對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

精加工過(guò)程中，磨削時(shí)磨粒被支承在彈性基體上，同時(shí)，工件本身也是一個(gè)彈性體，因此，在單顆磨粒與工件的接觸過(guò)程中，被加工表面產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和切削。通過(guò)光整設(shè)備使磨具對(duì)零件表面進(jìn)行碰撞、滾壓和擠壓，松弛殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性，使工件局部產(chǎn)生塑性變形，從而使殘余應(yīng)力得到釋放，對(duì)光整后的零件進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，數(shù)據(jù)顯示光整后較原來(lái)的壓應(yīng)力數(shù)值增大約11%（如圖5），已達(dá)到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的，從而提高零件的抗疲勞性能。

4 ?結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光整加工設(shè)備的磨料、磨液、以及加工參數(shù)的選擇，對(duì)零件進(jìn)行光整試驗(yàn)，并對(duì)光整前后齒形誤差、表面粗糙度、表面應(yīng)力等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，得出光整加工對(duì)提高齒面表面完整性、抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命都起到了明顯的效果，并實(shí)現(xiàn)了油泵齒輪去毛刺機(jī)械化、高效化，在今后的加工中可作借鑒推廣使用。

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