超声加工在齿轮抗疲劳制造中的研究综述与展望

深入分析齿轮在超声加工下的表面完整性对齿轮抗疲劳性能的影响,促进超声加工在齿轮抗疲劳制造中的应用。基于超声加工的优势,分别对目前应用于齿轮加工中的超声滚齿、超声研齿、超声电化学齿轮加工和超声珩齿加工等方法进行综合分析。基于残余应力和表层组织可控的齿面加工机理,结合超声加工在表面改性技术和表面强化方面的应用,分别对在齿轮等构件中的超声冲击、超声喷丸和超声深滚强化技术进行分析。与传统齿轮加工方法相比,经过超声加工后,齿轮的表面粗糙度大幅度降低,齿面的微观形貌得以改变,表面质量显著提高。经过超声强化后的齿轮表面,表层引入了高幅值、大深度的残余压应力,表面层得到硬化,在一定程度上对裂纹的扩展起到了抑制作用,工件的抗疲劳强度得以提高,从而提高齿轮的抗疲劳能力。鉴于此,超声加工不仅可以为齿轮的抗疲劳制造提供一种新的精密高效的加工方法,而且对我国高性能齿轮制造理论的完善与工艺技术的进步具有重要意义。     

齿轮高效精密磨削加工及表面完整性控制技术研究进展

随着机械工业的不断发展,对齿轮的精度、效率和寿命要求越来越高,因此需要研究和开发高效精密的齿轮磨削加工技术。在此基础上,对齿轮磨削加工以及当下常用的精密磨削加工技术进行了研究,重点分析了硬齿轮加工技术、强力珩齿技术和齿轮多能场复合制造技术的应用,并进一步探讨了如何在齿轮磨削加工中做好齿轮表面的完整性控制,提出了相关建议和措施,以供参考。     

表面完整性研究现状及发展趋势

疲劳失效是金属结构失效的重要形式之一,提高零件疲劳性能可以有效增加结构使用寿命。对于低周和高周疲劳,绝大多数疲劳裂纹萌生于零件表面。因此,表面完整性对金属材料疲劳行为有重要影响。简述了表面完整性的内涵,指出表面完整性不仅包括如粗糙度、波纹度、表面裂纹等的表面形貌特征,也包含如加工之后零件表面的残余应力、塑性变形、组织形貌等物理化学变化特征。总结了表面完整性工艺的研究现状,说明机械铣削、电火花线切割、磨削、喷丸强化、光饰等加工工艺对表面完整性的影响。综述了表面完整性表征模型的建立,指出各表面完整性特征参数对表面完整性影响的比重。分析了国内表面完整性发展趋势,指出表面完整性工艺研究与表面完整性表征模型相互促进的作用,提出表面完整性工艺与表面完整性表征模型的交叉研究。最后,对提高表面完整性及建立影响表面完整性的参数模型提出了建议。     

喷丸强化后30CrMnSiNi2A钢表面完整性对其抗疲劳性能的影响*

采用气动式喷丸机对铣削加工和磨削加工的30CrMnSiNi2A钢疲劳试样进行喷丸强化处理,利用扫描电镜、表面粗糙度仪和X射线应力测试仪分别对试样的表面形貌、粗糙度和残余应力进行测试,并对不同表面状态的试样进行疲劳试验,分析表面完整性对其疲劳寿命的影响。结果表明:该钢铣削加工时易在表面留下撕裂、鳞刺和折皱等加工缺陷,导致严重的应力集中,试样疲劳寿命较低;喷丸强化处理能有效降低铣削加工试样的表面粗糙度,增加残余压应力水平,从而提高了其疲劳寿命。磨削试样喷丸处理后试样表面残余应力增大,但表面质量大幅下降,疲劳寿命略有降低。     

TC17钛合金叶片制造过程的表面完整性研究

采用多种最终加工工序组合,在TC17钛合金叶片表面引入不同表面完整性状态,研究最终加工工序对叶片表面形貌、平均粗糙度、残余应力的影响。结果表明:仅振动光饰处理后,表面平均粗糙度在0.2μm以下,表面残留有磨料运动痕迹,残余应力影响层深度约为30~40μm,表面残余应力仅-200 MPa左右;不进行振动光饰处理时,陶瓷丸喷丸比玻璃丸喷丸后叶片表面粗糙度更佳,喷丸后叶片表面Kurtosis值接近3,本研究中残余应力影响层深度约为100μm,表面残余应力在-750~-850 MPa之间;喷丸后进行振动光饰可消除叶片表面的喷丸弹坑,平均粗糙度减小到0.2μm以下,残余应力影响层深度与未经振动光饰处理的相当,表面残余应力变化小。当加工痕迹被喷丸消除时,叶片表面Kurtosis值接近3,这说明弹坑底部圆滑,因此认为Kurtosis值可作为表征喷丸表面的特征粗糙度参数。     

电火花线切割加工的表面完整性

分析了影响电火花线切割加工表面完整性的因素,提出了改善表面完整性的措施。     

TC4钛合金滚磨光整加工的表面完整性与抗疲劳性能

基于正交试验方法,采用卧式离心式滚磨光整加工工艺对钛合金TC4试件进行加工,研究主要工艺参数对表面粗糙度、显微硬度和残余应力的影响,确定了较优工艺参数;通过疲劳试验和SEM、XRD衍射测试等方法,分析了提高抗疲劳性能的效果和机理。结果表明:滚抛磨块直径是影响表面粗糙度值和残余应力的最主要因素;单面加工时,表面粗糙度Ra、Rz最大下降值为0.389μm和2.353μm,显微硬度可从314HV_(0.5)增加到367HV_(0.5),产生了308MPa的残余压应力;双面加工时,Ra、Rz最大下降值为0.356μm和2.151μm,显微硬度增加到346 HV_(0.5),产生了352 MPa的残余压应力。滚磨光整加工后,表面粗糙度的改善和残余应力的存在,有助于阻碍疲劳裂纹的形成和扩展,疲劳性能明显改善,单面加工可使试件的疲劳极限从389 MPa提高到450 MPa,提高了15.7%,双面加工时提高到578 MPa,提高了48.5%。     

重载齿轮制造技术的新发展

本文对国外近期在重载齿轮制造领域内所开发且行之有效的动态设计与动态精度、ＣＮＣ多功能切齿机床、ＣＮＣ成型磨齿、新型切齿刀具的应用等技术进行了较为系统的评述，可供国内开发、应用时参考。     

重载齿轮制造技术展望

本文从设计、工艺、机床、刀具、质量控制等方面综述了国内外重载齿轮制造技术的现状及其发展趋势,可供编制规划、设立课题时参考。     

表面完整性对涂层滚动接触疲劳寿命影响的研究进展

疲劳是涂层在滚动接触条件下的主要失效形式。涂层的表面完整性（包括粗糙度、显微结构和结合强度、残余应力、厚度、硬度）直接影响了涂层的接触疲劳失效机理,基本决定了涂层的服役寿命。本文在系统综述国内外关于接触疲劳研究的基础之上,对涂层表面完整性引起的接触疲劳失效机理和参数优化准则进行了总结,并展望了表面完整性参数对接触疲劳影响的研究途径,以期为研究涂层制备工艺与涂层疲劳寿命预测与评估的学者提供参考。     

先进制造技术的发展趋势综述

介绍了先进制造技术的发展特点及趋势,重点论述了绿色制造、敏捷制造、虚拟制造、纳米制造、并行工程、精良生产等的发展特点以及我国在AMT发展进程中的战略。     

Tool life and surface integrity aspects when drilling and hole making in Inconel 718

Drilling is one of the most important processes in aerospace manufacture and is often the last operation performed. When combined with the fact that holes amplify any in service stresses a significant demand for high surface integrity and production process security is created. In contrast to other machining processes there are relatively few publications regarding the drilling of nickel-based superalloys.

Following a brief review on the general machinability of Inconel 718 a series of experiments examining the tool life/wear of various commercially available drills, recommended for use on nickel-based superalloys, is detailed. In addition a comparison of the resultant hole integrity produced by drilling alone is compared to that obtained using reaming and a relatively new technique of mill boring.

The main conclusion is that when using commercially available drills the resulting hole quality is not sufficient to meet the requirements of the aerospace industry and therefore secondary processing is required. Mill boring with a standard milling tool appears to have significant potential for improving productivity and reducing costs compared to reaming.     

对齿轮表面硬化热处理物理冶金因素的评述

为了提高齿轮的承载能力和使用寿命,普遍采用表面硬化热处理工艺,以得到高的表面硬度（强度）和良好的心部韧性,从而获得强韧结合的综合力学性能。显然,要研究齿轮的强度,首先就应当研究硬化层及心部的强度特性及其影响因素。本文就齿轮渗碳、渗氮及感应淬火的硬化层、心部基体及过渡区的物理冶金因素与齿轮的服役条件、受力状况及热处理工艺的关系进行了分析,并提出一些改进建议。     

Drilling of composites and resulting surface integrity

In aircraft manufacturing there is an ongoing demand for the use of lightweight materials. This is motivated by the ecological requirements for minimized fuel consumption as well as for economic reasons like low operating costs, long maintenance cycles, and large ranges of the aircraft with high passenger numbers (reduction of life-cycle-cost). These requirements are demanding light weight construction materials, and as a result are leading to the need of new manufacturing methods and advanced machining technologies. In this paper results are presented and discussed regarding the thermal and mechanical influence of orbital drilling and conventional drilling processes on the borehole surface layer in aluminum, CFRP (carbon fiber reinforced plastic), and titanium materials (multi-layer materials). Different process parameters were investigated and compared regarding their influence on surface integrity of the borehole. This was accomplished by measuring the cutting temperatures and forces as well as by analyzing micrographs in cross-sectional areas. As an example the investigations reveal that the use of high cutting speeds leads to increasing borehole surface layer damage in the CFRP material.     

超声椭圆振动磨削ZTA的表面完整性研究

针对改性氧化铝(ZTA)陶瓷的超声椭圆振动磨削,给出了磨粒的切削轨迹模型,讨论了其对加工精度的影响.通过试验获得了椭圆超声振动磨削对ZTA陶瓷的表面形貌的影响.被加工表面上可以观测到晶粒细化现象,几乎没有破碎发生,表明材料去除模式主要为塑性去除;与普通磨削的对比试验表明,表面粗糙度降低约30～40%.X-射线衍射分析表明被加工表面的相结构主要为α-Al2O3,和t-ZrO2,以及少量的m-ZrO2;普通磨削和超声椭圆振动磨削的表面上都观察不到非晶相.试验结果表明,ZTA的非弹性变形去除对表面完整性有重要影响.     

模具制造缺陷及其防止措施

分析了模具制造过程中产生缺陷的原因，提出了延长模具寿命的措施。     

基于响应面汽车变速器螺旋伞齿轮精锻成形工艺优化

针对螺旋伞齿在精锻时齿形成形质量差、成形载荷过大等缺陷,以某汽车变速器螺旋伞齿轮为研究对象,建立了以坯料始锻温度、摩擦系数以及压力机速度为设计变量,以最大成形载荷和终锻填充率为目标函数的二次多项式响应面模型,结合数值模拟方法以及Matlab优化工具箱,得到了优化的成形工艺参数为:坯料初始温度1000℃、摩擦系数0.3和摩擦压力机的成形速度200 mm·s-1.最后基于优化后的工艺参数,通过工艺试验验证了该模型的有效性,试验获得的螺旋伞齿齿形饱满,设备成形载荷满足要求.     

Sculptured surface machining of spiral bevel gears with CNC milling

Gears are crucial components for modern precision machinery as a means for the power transmission mechanism. Due to their complexity and unique characteristics, gears have been designed and manufactured by a special type of machine tools, such as gear hobbing and shaping machines. In this paper, we attempt to manufacture the spiral bevel gear (SBG: the most complex type among the gear products) by a three-axis CNC milling machine interfaced with a rotary table. This consists of (a) geometric modeling of the spiral bevel gears, (b) process planning for NC machining, (c) a tool path planning and execution algorithm for both 4-axis and 3/4-axis (three out of four axes) controls. Experimental cuts were made to ascertain the validity and effectiveness of the presented method with a CNC milling machine controlled by the 3/4-axis control mode.