[發明專利]一種滾壓刀具及其用于齒輪表面仿生微結構加工的方法

在審

• 申請號: 201810334733.7
• 申請日: 2018-04-15
• 公開（公告）號: CN108453318A
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發明（設計）人: 張志輝;崔振權;馬志超;趙杰;王胡軍;梁云虹;李秀娟;劉強;張旭
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23F19/00
• 分類號: B23F19/00;B23P9/02
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

一種滾壓刀具及其用于齒輪表面仿生微結構加工的方法，屬于金屬表面加工方法技術領域。滾壓刀具采用柱形結構，滾壓刀具周向規律分布有凸起。使用滾壓刀具能在齒輪表面加工出仿生微結構；加工方法使用的加工裝置，包括夾持軸與加工軸，夾持軸通過法蘭盤與機床主軸連接，加工軸安裝在電機上，電機固定在滑塊上，滑塊安裝在絲杠螺母上，絲杠螺母由步進電機控制，步進電機由步進電機驅動器驅動。本發明之方法適用于各種金屬材料圓柱齒輪，通過加工仿生微結構使嚙合面始終處于油潤滑狀態，大大減少嚙合面磨損，延長齒輪使用壽命。

技術領域

本發明屬于金屬加工方法技術領域，具體涉及一種滾壓刀具及其用于齒輪表面仿生微結構加工的方法。

背景技術

齒輪機構是應用最為廣泛的傳動機構之一，與其他傳動機構相比，其特點結構緊湊，傳動平穩，能保持恒定傳動比，在動力傳動領域發揮著不可替代的作用。目前針對齒輪的摩擦學研究，主要在充分潤滑狀態下進行，齒輪嚙合面供油充足。實際作業時，由于各種復雜工況的存在，嚙合面往往處于乏油潤滑狀態，使得齒面溫度場平衡被破壞，溫度快速升高，出現點蝕、膠合等現象，甚至導致齒輪傳動瞬間失效。近年來，國內外學者及工程技術人員針對齒輪在乏油狀態下更易產生磨損、膠合、點蝕和斷齒等失效現象，主要從提高潤滑油性能、改善齒面材質和完善齒面加工技術等方面做了大量的嘗試。盡管提高齒面磨損性能的方法多種多樣，且在一定程度上提高了嚙合面的摩擦學性能，但主要集中于從材料性能或加工方法的改性研究，很少考慮齒面表層微觀結構的影響。由于嚙合面潤滑系統的復雜性，實際工況的不確定性和研究思路的局限性，傳動齒輪的摩擦磨損問題仍是工程領域制約機械部件運行壽命和工作效率的關鍵問題。

在自然界的進化過程中，一些生物體形成了極強的耐磨損能力，例如蚯蚓等土壤動物，經常性與土壤摩擦，其體表分布著按一定規律排布的幾何非光滑結構，通過生物耦聯方式與機體結合，形成生物耦合系統，具有優良的摩擦學性能。生物體表的多因素耦合特性，為乏油條件下齒輪表面的摩擦磨損現象研究提供了全新的思路。依據耦合仿生學原理，利用表面制備技術，在嚙合面加工微凹坑陣列，對提高齒面承載力，減少摩擦磨損和延長壽命有顯著效果。在充分潤滑時，微凹坑能幫助產生流體動壓，將摩擦副隔開，減少摩擦。在乏油潤滑時，微凹坑能有效減少磨粒滑動，幫助存儲潤滑油，降低功耗。

在傳統表面微凹坑陣列加工方法中，應用最廣泛也是應用最成熟的方法是激光加工法。使用激光束瞬間融化在金屬表層的物質，顯出所需刻蝕的圖案、文字。

它的優點是適用于大部分的平面構件，缺點是加工時間較長，加工成本較高，且加工后金屬表面粗糙，加工質量不穩定，無法達到統一的加工標準。在齒面上加工微凹坑陣列，對于具有圓弧面的齒面，激光無法垂直加工，微凹坑結構大小不統一，無法實現預期效果。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種滾壓刀具及其用于齒輪表面仿生微結構加工的方法。利用特殊設計的滾壓刀具，通過普通的機械加工裝置，在齒輪表面加工微凹坑陣列。

一種滾壓刀具，為柱形結構，包含夾持部、柄部、連接部和刀頭部，刀頭部具有圓柱輥，沿圓柱輥圓周面上密集分布有凸起。

所述的凸起的形狀為三棱錐或四棱錐或圓錐或為半球體。

所述圓柱輥上圓周方向上的凸起個數為1~55個，沿周向均勻分布設置，軸向方向的凸起間距為0.01~5mm，凸起高度為0.01~1.5mm。

所述刀頭部的材質為碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金或超硬刀具材料，超硬刀具材料包括陶瓷、金剛石及立方氮化硼。

一種采用上述滾壓刀具用于齒輪表面仿生微結構加工的方法，包括以下步驟：

步驟一：將待加工齒輪安裝在夾持軸上，通過鎖緊螺母與套筒將齒輪夾持在夾持軸上，并通過鎖緊螺母及其上螺栓提供壓緊力使齒輪固定；