考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

航空齿轮主轴式滚磨光整表面完整性试验研究

采用主轴式滚磨光整工艺对14CrMnSiNi2MoA航空圆柱直齿轮进行光整加工试验,对航空齿轮滚磨光整前后的表面形貌、残余应力、显微硬度、微观组织等进行了系统研究。结果表明,对磨削后的航空齿轮进行滚磨光整,可以显著改善齿轮表面完整性;滚磨后齿面粗糙度可以降低到0.2μm以下,齿面平均残余压应力可以提高约45%,提高了齿面硬度;滚磨前后齿面粗糙度与残余应力分布表明,主轴式滚磨齿面残余压应力增加量和粗糙度降低量呈现为从齿根往齿顶逐渐升高。试验结果为齿轮滚磨光整工艺参数制定提供了理论依据。     

直齿轮成形磨削齿面残余应力计算与实验验证

磨削加工齿轮的残余应力状态对齿轮使役性能有较大影响,磨削后齿面的表面残余应力准确预测与计算是齿轮抗疲劳制造的重要内容。基于成形磨削运动分析及热力耦合有限元仿真计算方法,提出了齿轮成形磨削加工齿面残余应力计算方法。开展成形磨削实验,测量磨削后齿面的残余应力,对比分析残余应力实验测量值与有限元计算值,分析了磨削加工参数与残余应力的关联规律。结果表明,提出的成形磨削齿面残余应力计算方法得到的计算值与实验测试结果具有较好的一致性;在成形磨削中,砂轮进给深度越大,齿面残余拉应力越小。     

内齿强力珩齿与蜗杆砂轮磨齿切削机理对比分析与试验研究

内齿强力珩齿与蜗杆砂轮磨齿是实现齿轮精加工的主要工艺方法,系统深入地研究两种齿轮精加工工艺的工艺原理,洞悉二者在齿面磨削纹路的形成机理,成为齿轮精加工工艺研究的热点问题。基于空间曲面啮合原理,提出一种离散点齿面模型构建方法,分别建立内齿珩磨轮与蜗杆砂轮的齿面接触方程,并依据接触区离散点处的相对滑擦速度建立珩削纹路与磨削纹路模型。经过滚齿、渗碳淬火的工件齿轮作为精加工的毛坯件,给定相应的珩齿和磨齿工艺参数,在内啮合强力珩齿机与蜗杆砂轮磨齿机上进行精加工试验,并对齿轮的轮齿进行三维形貌检测试验,通过对比分析试验结果与预测模型,两种工艺的齿面纹路的预测模型与试验结果高度吻合,结合对三维形貌数据指标的对比分析,得出两种工艺对齿面几何精度的影响规律,研究结果为齿轮精加工工艺的提升提供了理论依据。     

基于力热耦合作用的磨齿残余应力研究

根据磨齿残余应力的产生机理,运用热弹塑性理论,得出了影响螺旋锥齿轮磨齿残余应力的磨齿基本参数、磨削力和磨齿热等特征参量的数学模型。在单齿3D有限元模型基础上,磨削力的处理采用小步距移动法,力热耦合运用间接法,对螺旋锥齿轮进行了磨齿残余应力的有限元模拟与分析。结果表明：磨削后的螺旋锥齿轮齿面呈现残余压应力,里层为残余拉应力,其大小随磨削条件和磨削用量等因素的不同,呈现一定的变化规律;磨齿残余应力随磨削深度和砂轮速度的增大而增大,而随展成速度的增大而减小;湿磨比干磨可明显减小磨齿残余应力。最后,试验验证了力热耦合有限元分析螺旋锥齿轮磨齿残余应力的有效性,并与直齿圆柱齿轮的磨齿残余应力进行了试验对比分析。研究结果为螺旋锥齿轮磨齿质量的控制提供了依据。     

摆线轮多齿成形磨削热力耦合仿真分析

摆线轮多齿成形磨削为齿轮精加工工艺,一次可完成个齿槽的加工。在高速磨削过程中,齿轮表面会产生瞬间高温,高温可能会造成齿面烧伤,磨削温度场产生的温度梯度会使齿面形成残余应力,使摆线轮齿面金相组织出现变化,影响齿轮的磨削加工精度。通过有限元法模拟摆线轮多齿成形磨削温度场,再采用热力耦合分析方法,得到摆线轮成形磨削温度场和热应力的数值仿真云图,通过对磨削区主应力分析可知,应力主要集中在磨削中心靠齿根部,磨削区呈现热压应力,在已磨削区域,热压应力转变为热拉应力,并逐渐形成残余拉应力,且随着磨削工艺参数变化,节点应力也发生相应变化。研究结论对预测多齿成形磨削温度场和热应力场分布情况和合理选择磨齿工艺参数有一定的研究意义。     

面向降噪的蜗杆砂轮磨削齿面纹理改善方法

蜗杆砂轮磨是广泛应用于中小模数齿轮的批量精加工方法,但在实际加工过程中,蜗杆砂轮磨齿易在齿向形成规则的平行齿面纹理,从而增大了齿轮的啮合噪声。分析磨削过程中蜗杆砂轮与齿轮的接触特性,建立了啮合方程和接触点方程,阐述了接触迹构成整个齿面的机理;分析蜗杆砂轮磨齿的磨削特性,建立瞬时接触点的磨削速度和形状模型,计算磨粒在齿面上的磨削路径,分析磨削特性对齿面微观几何结构的影响,得到齿面的整体纹理模型;结合齿面纹理与噪声激励的关系,分析出齿面规则纹理对齿轮噪声的影响机理,提出按照正弦函数变化的冲程变速蜗杆砂轮磨齿加工方法;进行了蜗杆砂轮磨削常规加工与变冲程速度加工的对比试验,结果表明,该方法加工的齿面接触点位置具有一定的随机性,形成不规则的齿面纹理,不同转速下齿轮啮合噪声声压级总值减小约3.5 dB,已经达到改善齿面纹理的效果。     

磨齿表面烧伤与裂纹的产生机理及预防措施

齿轮热处理质量是造成齿面磨削烧伤与裂纹的内在因素,齿面磨削温度是造成磨削烧伤与裂纹的主要外在诱发因素。通过控制渗碳与淬火过程、调整回火工艺等方式,改善渗碳层的碳浓度与碳含量梯度,碳化物的大小、数量、形态,马氏体形态和残余奥氏体数量等渗碳组织与齿面残余应力状况。基于磨齿工艺降低磨削温度的方法主要包括合理选用砂轮、适当控制磨齿余量与磨削用量以及合理选用冷却液与冷却方式等。     

大模数齿轮平行于磨削方向磨齿裂纹原因分析

根据磨齿裂纹的形态,判断出两类不同形态的裂纹源于截然不同的机理;找出大模数渗碳淬火齿轮齿面产生的和磨削方向平行的条数少、长而深的磨齿裂纹是由齿面上的巨大拉应力引起的。通过对渗碳淬火齿轮齿面产生残余应力的机理分析,证明齿面产生残余拉应力的可能性是存在的。齿面拉应力的存在可以较完满地解释产生所提磨齿裂纹的各种现象。最有效的预防措施是通过提高淬火油温控制心部表层马氏体转变的顺序,阻止表层在心部组织转变前产生转变,以保证最终在齿面形成残余压应力。     

控制大平面砂轮磨削面锥形误差提高齿轮螺旋线精度

为了研制高精度标准齿轮,以Y7125磨齿机为例分析了大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮螺旋线偏差的影响。建立了磨削的几何模型,推导出了影响量的数学表达式。理论分析结果显示,砂轮与齿面有效接触宽度对齿轮螺旋线形状偏差的影响不大,而随着被磨齿轮齿宽的加大,对齿轮螺旋线形状偏差的影响系数会显著增大;砂轮磨削面锥形误差使被磨齿轮螺旋线偏差曲线呈弧形,且弧度从齿根到齿顶逐渐增大。最后通过一实例进行了误差测量、磨齿实验与偏差分析。研究结果表明,控制大平面砂轮磨削面的锥形误差在2.7′以内可满足加工1级螺旋线精度齿轮的加工要求。     

螺旋锥齿轮大轮齿形误差的在机测量

为了在国产数控螺旋锥齿轮磨齿机上实现大轮齿形误差的在机测量,对大轮齿形误差的在机测量方法进行了研究。基于齿轮坐标系与机床坐标系之间的关系,建立了将齿面离散点坐标及法矢从齿轮坐标系转换到机床坐标系的方法。根据大轮的齿面几何特征,建立了大轮齿形误差的在机测量方法以及测量流程。根据在机测量得到的测球球心空间坐标,运用曲面拟合技术和最优化算法,计算了实际齿面相对于理论齿面沿各离散点法矢方向的齿形误差值。通过对比在机测量和齿轮测量中心的齿形误差测量结果,验证了螺旋锥齿轮大轮齿形误差在机测量方法的正确性。     

精加工淬硬齿的刮削滚刀

在齿轮的制造工艺中,为了提高淬硬齿轮的精度,目前均采用磨齿。由于齿轮的热处理产生变形,对于那些精度不高于7级(JB 179-60)的齿轮,也只得采用磨齿工艺来解决。齿轮经磨齿后,可以得到很高的几何精度。但对于一些本来不必磨齿的齿轮,就大幅度地提高了制造成本。况且,磨齿也有它不可克服的弱点:效率低、成本高,而磨削后的轮齿表面,存在严重的残余拉应力,影响表面裂纹和疲劳强度。尤其是对于一些大模数重载荷的硬齿面齿轮,更不宜采用磨齿。为了解决淬火变形和提高齿轮精度,我们研制了一种镶有高强度、高硬     

残余应力对齿轮跑合性能影响试验对比分析

对于齿面残余应力不相同但其他参数相同的两对齿轮进行运转试验,同时在齿轮运转过程中进行铁普观察分析,以探究齿面残余应力对齿轮跑合过程的磨损特性的影响。首先,在齿轮运转试验台上对两对齿轮开展齿轮运转试验,两对齿轮分别安装在主副齿轮箱;然后,在齿轮运转过程中,利用铁谱分析仪分析从试验开始到铁谱浓度稳定时之间的数据;最后,利用Matlab对跑合阶段的铁谱浓度数据进行处理,得出不同残余应力时的跑合过程的磨损变化规律。试验结果表明:残余压应力对齿轮跑合过程有一定的影响,残余压应力越大,齿轮跑合过程中磨粒浓度越低,磨损速度越慢;残余压应力越大,整体齿轮跑合过程更加缓和,齿面磨合效果越好;残余压应力大的齿轮跑合后,正常磨损期的齿轮磨损特性更好。     

解决齿面磨裂的途径

磨削经渗碳淬火后高硬度的20CrMaTi钢齿轮,很易发生齿面磨裂,多数裂纹与磨削方向相垂直,呈平行线排列,较规则,少数齿面带烧伤的裂纹,形态不规则。这是在磨齿工艺中长期存在而尚未彻底解决的一个严重问题。我们对此进行了攻关,对热处理和磨齿工艺进行了较长时间的试验,最后采用降低砂轮速度和加强冷却效果的方法,解决了20CrMaTi钢齿轮齿面磨裂问题。     

大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮螺旋线偏差的影响

螺旋线总偏差是齿轮等级评定中的必检项目之一。出于研制基准级标准齿轮的需要,以Y7125磨齿机为例分析了大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮螺旋线偏差的影响,并推导出了影响系数的数学表达式。研究结果表明砂轮与齿面有效接触宽度对齿轮螺旋线形状偏差的影响不大,而随着被磨齿轮齿宽的加大,对齿轮螺旋线形状偏差的影响系数会显著增大;砂轮磨削面锥形误差使被磨齿轮螺旋线偏差曲线呈弧形,且弧度从齿根到齿顶逐渐增大。最后通过磨齿实验与偏差测量论证了这一结论。     

电镀CBN锥砂轮磨削齿面残余应用的研究

从磨削表面生成过程出发,对电镀CBN锥砂轮磨齿表面残余应力进行了定性分析,并对其与陶瓷CBN锥砂轮在不同工艺参数组合下磨削后齿面残余应力状态做了对比试验。结果表明,电镀CBN锥砂轮磨削后齿面处于残余应力状态,且在相同金属去除率时电镀CBN锥砂轮比陶瓷CBN锥砂轮磨削后齿面的残余压应力值更大。     

单圆头留磨滚刀齿形参数设计与分析

重载齿轮以硬齿面齿轮为主,齿面硬度在HRC57-61,一般工艺为:滚齿-渗碳淬火-磨齿.为消除热处理变形并保证齿面磨削量,热前滚齿所用滚刀多采用留磨滚刀.渗碳淬火后磨削齿形要求满足:有效渐开线的起始点直径等于或小于理论有效渐开线起始点直径,避免磨削台阶的出现.本文对单圆头留磨滚刀参数进行阐述,采用软件对滚刀及零件进行理...     

电镀 CBN 锥砂轮磨削齿面残余应力的研究

从磨削表面生成过程出发,对电镀CBN锥砂轮磨齿表面残余应力进行了定性分析,并对其与陶瓷CBN锥砂轮在不同工艺参数组合下磨削后齿面残余应力状态做了对比试验。结果表明,电镀CBN锥砂轮磨削后齿面处于残余压应力状态,且在相同金属去除率时电镀CBN锥砂轮比陶瓷CBN锥砂轮磨削后齿面的残余压应力值更大。     

考虑局部磨削条件变化的齿轮成形磨削表面粗糙度建模研究

齿轮磨削表面粗糙度的建模研究是认识齿轮完整性的重要基础。由于砂轮-工件的宏观复杂形状,以及齿轮磨削过程中局部磨削条件存在差异,限制了经典平面磨削粗糙度建模方法向齿轮磨削的直接迁移。为此,提出考虑局部磨削条件变化的齿轮成形磨削表面粗糙度建模方法。根据成形磨齿的磨削机制,分析磨齿砂轮与齿轮工件的运动关系,推导得到宏观几何形状影响下不同局部位置的磨粒运动轨迹方程,建立了考虑砂轮复杂形状的磨粒随机分布特性的砂轮模型;基于磨削表面粗糙度的创成机制,通过迭代算法得到成形磨齿表面粗糙度;进行了12Cr2Ni4A齿轮材料渗碳淬火后的成形磨削实验研究。结果表明,所提出的成形磨齿表面粗糙度预测模型与实验结果具有较好的一致性,模型可以很好地反映局部磨削条件差异下齿面粗糙度沿齿廓方向的分布。本文研究对成形磨齿表面粗糙度创成机制提出了一个新的认识,为后续研究提供了更多的参考与基础。     

硬齿面滚齿的精度分析

随着硬齿面齿轮生产的日益扩大,硬质合金滚刀的应用也日益广泛.用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮,其用途不外乎两种:一是作为高精度齿轮磨齿前的半精加工;另一是普通精度齿轮的直接(或珩齿前的)精滚加工.对于磨齿齿轮,成品的精度由磨齿保证。对于精滚齿轮和珩齿齿轮,其精度则主要取决于滚齿加工。因此,分析硬齿面滚齿过程的误差特性及加工精度,对于淬硬齿轮的质量有直接意义。本文对影响硬齿面滚齿加工精度的几个特殊因素进行分析,并介绍一些提高硬齿面滚齿精度的措施。