滚磨光整技术在大型齿轮加工中的应用

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以风电齿轮轴为研究对象，采用卧式滚磨光整设备进行光整加工试验。试验结果表明，光整加工后，零件表面的沟壑状纹理有所改善，表面粗糙度提升了1～1.5个等级，不会对齿轮精度造成影响，齿面压应力值有大幅度提升，进而提高了零件的疲劳强度和疲劳寿命，可为滚磨光整加工技术在大型齿轮加工中的应用提供依据。

〡作者：张金梦〡单位:重庆齿轮箱有限责任公司

随着风电行业向大兆瓦级和离岸式发展，对整机的可靠性和疲劳寿命提出了更高的要求。增速齿轮箱作为风力发电设备中的核心部件，其内部齿轮 表面质量的好坏直接影响风机使用性能的优劣。光整加工技术作为提高表面质量的有效途径，是近些年抗疲劳制造的新型加工技术之一，将其应用于齿轮加工过程中，可以改善齿面的微点蚀，提升表面压应力和疲劳强度，提高耐磨性，并保证齿轮精度不受 破坏。为了改善齿轮表面的完整性，提升零件性能，对光整技术在大型硬齿面齿轮加工中的应用进行研究。本文采用滚磨光整技术，选取风电增速齿轮箱关重件齿轮轴进行研究，探寻光整加工对齿轮综合性能的影响，为大型齿轮的质量提升提供依据。 

01滚磨光整技术简介

光整加工技术发展:20 世纪70年代，各个工业发达国家提出毛刺去除技术，并随着技术的发展，与棱边、表面光整技术结合在一起进行研究。我国是在20世纪90年代才开展相关研究，现在已经普遍应用在航空航天领域。对于大型齿轮，光整加工在国内仍处于起步阶段，而在国外的应用已较为普遍，并且相关厂家的研究表明， 光整技术有助于改善齿轮表面质量，对齿轮的传动性能和使用寿命有显著的提升作用; 因此，对大型齿轮进行光整加工技术的研究显得十分必要。 

光整加工原理: 光整加工可以进行去除飞边毛刺、刀痕等工作， 具有降低表面粗糙度，改善表面外观质量、应力状态， 提高零件表面的耐磨性，消除零件表面上残留的各种缺陷等优点，其工作原理如图1所示。加工时，将一定配比的磨块和磨液介质3装入料箱4中，被加工零件2通过传动架1放入料箱中，通过机床主轴的回转运动和料箱的往复运动，使磨块和被加工零件表面之间产生相对运动，从而实现对工件的去毛刺、倒棱及表面光整加工。

图1 光整加工工作原理 

1.传动架 2.被加工零件 3.磨块和磨液介质 4.料箱

光整加工对疲劳性能的影响: 由于表面加工形成的表面粗糙度相当于在零件 表面存在很多的微缺口，在零件承受载荷时就会产生应力集中，表面质量不同，零件的疲劳强度也不同。为研究其影响，在疲劳强度计算中引入了表面加工系数β1，其定义为: β1=( σ－1 ) β /σ-1       (1) 

式中: ( σ-1 ) β 为在某种表面加工情况下，试样的疲劳极限; σ-1为磨光试样的疲劳极限。根据文献所提供的钢件试样的表面加工系数，对于扭转疲劳，在缺乏试验数据时，可以选取弯曲时的表面加工系数β1代替，不同表面加工状态下，钢件试样的表面加工系数如图2所示。从图2中可以看出，表面粗糙度值越低，零件的表面加工系数越高，零件的疲劳极限值越高。

图2 钢件试样的表面加工系数

同样，表面粗糙度对零件的常温疲劳寿命有着显著的影响，表面粗糙度值越高，疲劳寿命就越低。在机械加工表面上总存在有高低不平的加工痕迹( 即微小缺口) ，会在零件表面造成应力集中。应力集中的程度可以通过应力集中系数进行评定，其计算方法为:

              (2) 

式中: Kγ 为应力集中系数; h为微观不平度高度; ρ为波谷的曲率半径; γ 为不平度间距与其高度之比的相关系数。在疲劳试验中，对疲劳寿命有影响的实际上是有效应力集中系数Kf，其理论计算公式为:

    (3) 

式中: q为材料对应力集中的敏感系数。由式(2) 和式(3) 可知，表面粗糙度值越高，即Kγ越大，有效应力集中系数Kf就越大，零件的疲劳寿命就越低。

02风电齿轮轴光整加工试验

零件参数:本文试验以某型号风电增速齿轮箱齿轮轴为研究对象，其零件材料为18CrNiMo7-6，模数为8mm，齿面硬度达到58HRC～62HRC，进行光整加工的前道工序为磨齿，齿面平均粗糙度为Ｒa0.420μm，齿轮轴的结构尺寸如图3所示。

图3 齿轮轴的结构尺寸

光整加工参数: 本文试验采用WH2000型卧式滚磨光整设备; 料 箱径向摆动往返频次为40次/分钟; 齿轮轴的转速为53 r/min; 磨料选用球径为3mm的高温烧结型圆球体磨料，其粒度为1 200#，硬度值＞115HRA，抗压强度＞9×107 N/m2。在整个光整加工过程中，每30min对齿面与轴颈外圆的轮廓算数平均差Ｒa值和轮廓最大高度Ｒz值进行检测，齿轮轴的光整加工过程和磨料如图4所示。

图4 齿轮轴的光整加工过程和磨料

03光整加工试验结果分析

表面纹理分析: 图5所示为光整加工前、后的齿面60倍放大对比图。从图5中可以看出，经过光整加工后，齿面表面纹理由平行纹理变为P型纹理，沟壑形貌大幅度改善， 有效地控制了裂纹缺陷的萌生源，即应力集中点，同时，有助于延长零件的裂纹扩展寿命。

图5 光整加工前、后的齿面 60 倍放大对比图

表面粗糙度分析: 光整加工后，齿轮轴整体表面的锐边全部变为圆角状态，棱边倒圆整齐，手感柔滑，产生了镜面效果。经检测，未发现烧伤现象。齿轮轴光整加工前、后整体对比及加工后细节展示如图6所示。图7所示为光整加工表面粗糙度变化曲线。从图7中可以看出，经过光整加工后，齿轮轴齿面表面粗糙度的Ｒa 值由Ｒa 0.420μm 降低为Ｒa 0.223μm，Ｒz值由Ｒz 3.046μm降低为Ｒz 0.733 μm; 长轴颈表面粗糙度的Ｒa 值由Ｒa 0.374 μm 降低为Ｒa 0.151μm，Ｒz 值由Ｒz 2.826μm 降低为Ｒz0.374 μm; 零件表面粗糙度等级整体提高了1～1.5 个等级。表面粗糙度值的降低，可以减小齿轮轴微观的应力集中，进而提升齿轮的可靠性和传动平稳性，提升齿轮的啮合精度。

图6 齿轮轴光整加工前、后整体对比及加工后细节展示

图7 光整加工表面粗糙度变化曲线

齿部精度分析: 通过三坐标仪对齿轮精度进行检测，发现齿部公法线长度由137.068mm降低至137.051mm，减小了0.017 mm，公法线长度满足技术要求; 齿形综合偏差减小了0.79μm，齿向综合偏差减小了0.37μm，齿距累计偏差和跳动值有所减小，但齿部精度满足技术要求，光整加工前、后齿部精度报告对比如图8所示。

图8 光整加工前、后齿部精度报告对比

由图8可见，滚磨光整加工不会对齿轮齿面精度造成影响。 

齿面压应力对比分析: 光整加工前、后对齿形试样分别选取齿顶、齿面中部和齿根这3处进行X射线衍射分析，得到光整加工前、后齿面压应力测试结果，如表1所示。从表1中可以看出，齿顶和齿面中部压应力值均有所提升，提升幅度约为35% ～45%。表面压应力值的提升，可以提高零件的疲劳强度，尤其对齿根弯曲强度有大幅度提升，从而延长零件的使用寿命。

疲劳强度和疲劳寿命分析: 通过本文光整加工试验，零件的表面粗糙度由光整加工前的Ｒa0.420μm降低为光整加工后的Ｒa0.223μm，即由图2中的磨光阶段转变为抛光阶段，零件的抗疲劳强度有所提升。通过光整加工试验，零件的表面粗糙度Ｒa值平均降低了50%左右，Ｒz值平均降低了80%左右( 直接影响到微观不平度高度h的大小) ，即波谷曲率半径ρ增大，不平度间距与其高度之比的相关系数γ减 小。假设ρ、γ的影响忽略不计，微观不平度高度h随着表面粗糙度Ｒz值的降低而降低，通常在风电增速齿轮箱设计时，取Kγ=1.05，通过式(2)计算可得，应力集中系数的降低量ΔKγ为: ΔKγ =Kγ－K γ≈0.065～0.070 (4) 式中: Kγ 为光整前的应力集中系数; K γ 为光整后的应力集中系数。由式(2)和式(3) 可知，表面粗糙度值越低，有效应力集中系数越小，零件的疲劳寿命就越高。

04结语

1) 通过对风电增速齿轮箱齿轮轴进行光整试加工，提高了零件表面质量，去除了划痕，大幅度改善了沟壑状纹理、微观裂纹等表面缺陷。 

2) 零件的表面粗糙度等级有所提升，齿顶倒角处更为圆滑，保证了不同表面之间的光滑过渡，齿面的表面粗糙度提高了1～1.5个等级，减小了微观应力集中，进而提升了齿轮的可靠性、传动平稳性以及啮合精度。 

3) 齿轮轴公法线长度减小了0.017mm，齿形综合偏差减小了0.79μm，齿向综合偏差减小了0.37μm， 滚磨光整加工技术不会对齿轮齿面精度造成影响。 

4) 零件表面压应力提升了35 %～45%，尤其对齿根弯曲强度有大幅度提升。 

5) 零件的抗疲劳强度得到了提升，有效应力集中系数减小，零件的疲劳寿命提高。

END

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来源：现代制造工程

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