[發(fā)明專利]一種齒輪齒面微織構(gòu)激光加工方法與裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211239200.3
• 申請日: 2023-02-10
• 公開（公告）號(hào): CN116475502A
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳志;吳致誠;吳程;楊澤豐;李治作;王文龍;陳岳督;魯雙;胡佳雯
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): B23F19/00
• 分類號(hào): B23F19/00;B23K26/352;B23K26/08;B23K26/70;G05B19/18
• 代理公司: 長沙永星專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 43001
• 代理人: 鄧淑紅

本發(fā)明公開了一種齒輪表面微織構(gòu)激光加工方法與裝置，加工方法包括以下步驟：建立不同工況下齒輪副表面接觸特性的有限元仿真分析模型；建立不同工況下齒輪副彈流潤滑的仿真分析模型以獲得齒輪副彈流潤滑特性；建立脈沖激光加工參數(shù)與齒面微織構(gòu)形狀、尺寸的映射關(guān)系，搭建能適應(yīng)各種齒廓形狀的齒面微織構(gòu)激光加工裝置，獲得齒輪表面微織構(gòu)的精準(zhǔn)加工工藝。裝置包括基座、升降平臺(tái)、升降驅(qū)動(dòng)裝置、待加工齒輪副驅(qū)動(dòng)裝置，升降平臺(tái)位于基座的上方，待加工齒輪副驅(qū)動(dòng)裝置安裝于升降平臺(tái)上，通過升降驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)相對基座的升降。具有加工工藝簡單、可控制性強(qiáng)、可適應(yīng)不同類型齒輪、無污染等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及齒輪表面加工領(lǐng)域，具體為一種齒輪表面微織構(gòu)激光加工方法與裝置。

背景技術(shù)

齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)生產(chǎn)中最主要的傳動(dòng)形式。在某些精密的機(jī)電設(shè)備和大型機(jī)械裝置中，齒輪往往作為核心傳動(dòng)部件，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，這就要求齒輪具有極高的傳動(dòng)可靠性和傳動(dòng)精度。然而，齒輪副在嚙合傳動(dòng)過程中，齒面相互接觸區(qū)域的工作環(huán)境十分惡劣，應(yīng)力集中、散熱不及時(shí)、潤滑狀況不佳等因素都會(huì)造成齒輪副之間的摩擦磨損加劇，從而導(dǎo)致設(shè)備整體的穩(wěn)定性、可靠性和精度大大降低，甚至使系統(tǒng)無法繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，研究針對齒輪副的減磨潤滑技術(shù)及其應(yīng)用對制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

為了改善齒輪副的摩擦潤滑性能，經(jīng)過多年的研究，科學(xué)家們在潤滑機(jī)理、高性能潤滑劑、表面改性技術(shù)、材料物理化學(xué)性能等方面取得了一系列重要成果，由此形成了潤滑劑改性、表面淬火、噴丸強(qiáng)化、滲碳滲氮、功能涂層改性齒輪整體結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)等減磨方法。在諸多方法中，表面微織構(gòu)加工具有減磨效果好、可操作性強(qiáng)、成本較低的獨(dú)特優(yōu)勢，這也使得表面微織構(gòu)技術(shù)成為了齒輪減磨潤滑領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。

齒面微織構(gòu)的減磨潤滑機(jī)理主要包括以下六個(gè)方面：

(1)改善潤滑條件。由于潤滑油的揮發(fā)性，齒輪在傳動(dòng)過程中有時(shí)會(huì)面臨貧油潤滑狀況，此時(shí)微織構(gòu)就扮演了“微儲(chǔ)油池”的角色，它能夠向齒面接觸區(qū)域補(bǔ)充少量的油液，避免干摩擦的產(chǎn)生，這通常被稱為“二次潤滑”。而在富油潤滑條件下，學(xué)者們提出了流體動(dòng)壓潤滑理論。當(dāng)潤滑油在另一齒面的帶動(dòng)下進(jìn)入和流出微織構(gòu)時(shí)，由于空間發(fā)散和空間收縮效應(yīng)，微織構(gòu)入口處油液壓力會(huì)減小，出口處油液壓力會(huì)增大；空化現(xiàn)象存在使得入口壓力最低減小至空化壓力，而出口壓力會(huì)持續(xù)增大，油液內(nèi)部的這種壓力可以用于承載一部分的外界壓力，提高齒輪的承載能力；同時(shí)，由于油膜壓力處于持續(xù)動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，油膜厚度相比于無微織構(gòu)時(shí)有所增加，從而改善了齒面的摩擦和潤滑性能。

(2)減輕齒面磨損。由于犁溝效應(yīng)的存在，齒輪在嚙合傳動(dòng)過程中難免產(chǎn)生表面磨粒的脫落，脫落的磨粒在齒面嚙合的封閉空間內(nèi)無法及時(shí)排出，則會(huì)在齒輪表面產(chǎn)生劃痕或微坑，隨著時(shí)間的積累，磨粒會(huì)對齒面造成嚴(yán)重?fù)p傷。而微織構(gòu)可以作為磨粒的“臨時(shí)存儲(chǔ)池”減少磨粒與齒輪副的接觸和磨損，同時(shí)還可防止磨粒在齒輪副的擠壓之下體積和硬度不斷增大，避免產(chǎn)生更大危害。

(3)阻止齒面微裂紋延伸。齒輪副接觸表面難免存在應(yīng)力集中區(qū)域，而應(yīng)力集中往往會(huì)使表面產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)微裂紋的產(chǎn)生區(qū)域不斷增大，就會(huì)形成“點(diǎn)蝕”現(xiàn)象。而表面微織構(gòu)的存在能夠在空間上阻止微裂紋的連續(xù)性延伸。同時(shí)，微織構(gòu)的加工過程會(huì)使齒面附加少量殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力可以與外部負(fù)載造成的應(yīng)力相互抵消，從而減輕齒面的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從根源上阻止裂紋區(qū)域的擴(kuò)展，有利于維持良好的齒面質(zhì)量和潤滑條件。

(4)加快齒面散熱。在高速、重載等極端工況下，齒輪副的接觸表面往往會(huì)產(chǎn)生較高溫度，這不但影響整個(gè)設(shè)備的工作可靠性，而且可能會(huì)使?jié)櫥驼扯仍黾樱瑖?yán)重降低其潤滑性能。微織構(gòu)的存在增加了齒面與空氣或潤滑油的接觸面積，能大幅提升齒面的散熱效率，改善潤滑條件。