磨削齿轮形貌特征及摩擦学特性研究范文

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摘要:为了揭示成形砂轮磨削齿轮表面形貌的分布特征及其对摩擦学特性的影响机制，开展了磨削表面不同角度方向的纹理特征、粗糙度评定参数、摩擦磨损性能的对比分析试验。研究表明:随着角度θ在0°～90°增长时，表面形貌的粗糙度微观不平高度、沟纹深度、均匀性与规则性均先逐渐增大，直至45°时表面纹理最为复杂且表面粗糙程度最大，然后又略有所改善;凸峰形态尖峭程度先减弱，直至15°纹理方向达到最小，然后再逐渐增大;粗糙度微观不平间距逐渐减小。在流体润滑摩擦状态下，微观不平高度特性Ra越大，动压润滑效应减弱，边界润滑效应越显著。摩擦磨损机制是塑性变形与微切削作用，以及磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损等的耦合作用。

关键词:表面形貌特征;摩擦学特性;成形磨削;纹理方向

微晶刚玉砂轮成形磨削齿轮技术已经被广泛适用于20CrMnTi、8620H等淬硬齿轮的高精度加工［1－2］。磨削加工表面形貌对齿轮传动过程中的接触状态、摩擦学特性、失效形式、使用寿命等都有重要影响［3－4］。目前，国内外学者从摩擦试验、磨损理论与数值分析等方面对不同材料加工表面的摩擦系数、磨损率、润滑等摩擦学特性展开了较多研究。JFArchard［5－6］最先提出著名的Archard粘着磨损计算模型。MonaOqvist［7］采用有限元方法模拟表面磨损形貌随时长的变化关系。冯存傲等［8］人在不同粘度润滑油状态下分析了20CrMnTi钢的摩擦疲劳失效特征。姚玉鹏等人［9］研究了不同接触载荷和滑动速度对42CrMo－17CrNiMo6摩擦副的摩擦磨损性能与机制。然而，偏重于考虑表面形貌特征随纹理方向的差异性对摩擦学特性影响的相关研究文献材料却非常少。本文揭示了不同角度方向的纹理特征与粗糙度特征、摩擦学特性的变化规律，为探究成形砂轮磨削齿轮表面的微观形貌特征及其对摩擦学特性的影响机制研究提供重要参考价值。

1试验研究方法

以北京机电研究院的BV－75立式加工中心为平台，开展齿轮的成形磨削加工试验。成形砂轮采用国机精工自主研发的新型微晶刚玉砂轮，尺寸规格为200mm×20mm×32mm，许用线速度可高达45～63m/s。齿坯件材料为20CrMnTi渗碳淬火钢，模数为4mm，压力角为20°，齿宽为30mm。试验采用3因素4水平构建了16组正交试验，磨削速度分别为35、45、55、60m/s，轴向进给速度分别为1500、3500、5500、7500mm•min，径向进给量分别为0.2、0.25、0.3、0.4mm。试验过程均采用水基磨削液冷却。采用LINKS2300A－RC式接触式表面轮廓仪测量磨齿表面粗糙度参数。在每组试验参数条件下的磨齿表面的0°、15°、45°、90°四个纹理方向分别各随机开展三组表面粗糙度测量。采用天准影像测量仪，以放大160倍率观察磨齿表面形貌，且每组加工参数条件下的磨齿表面均各随机采集3幅图像。微晶刚玉砂轮成形磨削齿轮表面形貌，如图1所示。以平行于加工痕迹的方向为0°纹理方向，而相对于加工痕迹方向顺时针转过θ角的方向，则为θ纹理方向。基于MATLAB软件采用压缩灰度级为160，步长为5构建灰度共生矩阵，提取48幅图像在0°、45°、90°、135°四个纹理方向的对比度、逆差距、熵、相关性四项纹理特征。将轮齿切割成块。采用MFT4000往复式摩擦磨损试验机，分别测试在干滑动接触和动压润滑时的摩擦系数。采用2mm氮化硅陶瓷圆球在磨齿表面往复摩擦速度为240mm/min，加载荷为30N，摩擦时间为20min。流体润滑剂采用黄壳HX5矿物质机油。摩擦试样表面的磨削参数为:磨削速度55m/s，轴向进给速度5500mm/min，径向进给量0.2mm。

2试验结果与分析

2.1磨削表面纹理特征分析如图2所示，磨齿表面存在微观加工痕迹。磨削表面微观形貌体现出磨粒的杂乱划痕与磨削缺陷在工件表面的分布形态。由于图像灰度分布在空间位置上反复变化，形成了复杂而近似规则的纹理。磨削表面空间信息和图像灰度信息存在相对应的联系。对比度反映了纹理沟纹深浅程度［10］。熵反映了图像纹理的非均匀、复杂程度［10］。逆差距反映了纹理的均匀性与同质性［10］。相关性反映了纹理的方向性、相关性，以及相似程度［10］。统计分析48幅灰度图像在0°、45°、90°、135°四个纹理方向的对比度、熵、逆差距、相关性四项纹理特征的均值，如图3所示。图3a为对比度、熵两个纹理特征随纹理方向的变化;图3b为逆差距、相关性两个纹理特征随纹理方向的变化。在0°纹理方向时，对比度最小，纹理的沟纹最浅，表面微观不平高度最小。熵最小，且逆差距和相关性最大，局部灰度变化较弱，纹理均匀程度最好，排列规则。在平行于加工痕迹方向的0°纹理最规则与均匀。当在45°或135°纹理方向时，对比度最大，沟纹深度最大，表面微观不平高度最大;熵最大，且相关性与逆差距最小，纹理变化最不规则，均匀性最差。因此，磨削表面在不同纹理方向的“纹理基元”变化存在差异。当角度θ在0°～90°由小变大的过程，表面纹理的均匀与规则程度逐渐变差，直至45°方向时最恶劣，然后在接近垂直于加工痕迹的90°纹理方向又略有所改善。图4为不同纹理方向θ的表面轮廓微观不平高度特征Ra(即算术平均偏差)与微观不平间距特征Rsm的均值分布。可见，微观不平高度特征参数Ra在0°纹理方向的最小。随着角度θ在0°～90°不断增大，表面轮廓曲线先越加粗糙，至45°纹理方向时的微观不平高度特征参数Ra达到最大值，然后又逐渐减小。表面微观粗糙度与纹理存在密切联系的内在关系。对比度越大，表面纹理沟纹越深，表面形貌的微观不平高度特性参数越大。微观平均间距参数Rsm反映了轮廓曲线的峰谷分布密集程度，可以实现对应力集中效应的分析和评估。磨削表面凹凸起伏的轮廓峰谷附近容易形成明显应力集中效应。当纹理方向角度在0°～90°逐渐增大时，微观不平间距特征参数Rsm逐渐减小。在90°纹理方向的Rsm均值最小，轮廓峰谷分布越密集，轮廓谷尖端曲率半径越小，应力集中效应最显著。偏态系数Rsk和峰态系数Rku均为表面轮廓曲线的分布形状参数。偏态系数与峰态系数越大，轮廓曲线的凸峰越偏向于尖峭，承载能力越弱。图5为不同纹理方向的分布形状参数均值。随着纹理方向的角度θ在0°～90°逐渐增大时，表面轮廓波峰形态的尖峭程度先减小，然后又增大。在0°、90°两个纹理方向的表面轮廓波峰形态最为尖峭。四个纹理方向的偏态系数Rsk均介于0～0.4，峰态系数Rku介于3～4。因此，各个纹理方向的轮廓曲线的凸峰形态均以尖锋态为主，且表面轮廓曲线的随机性服从正态分布概率函数。

2.2磨削表面摩擦学特性分析在流体润滑条件下，开展表面纹理方向对流体润滑性能的影响研究，如图6所示。四个纹理方向的摩擦系数均较平稳，没有干滑动摩擦时的较大变化，说明流体润滑有明显改善摩擦性能。在0°、15°纹理方向的摩擦系数较小，平均摩擦系数分别为0.103、0.112，为典型的混合润滑状态。表面在0°、15°纹理方向也存在较多的微凸体直接接触，存在较多的边界润滑状态。然而，仍有部分表面微凸体还被流体动压膜隔开，处于动压润滑状态。当两个摩擦副表面发生相互运动时，粘性流体润滑膜被带入表面轮廓收敛的峰谷间隙中，可形成楔形动压效应，承受了部分外载荷。在45°、90°纹理方向的平均摩擦系数较大，分别大于0.146、0.134。由于45°、90°纹理方向的粗糙度微观不平高度特性参数均较大，表面大部分存在较多微凸体相互接触，增强了边界润滑状态的比重。表面轮廓粗糙度值越大，动压润滑效应减弱，边界润滑效应越润滑状态下的磨损表面微观形貌，如图7所示。工件磨损表面存在明显的犁沟与塑性变形特征，且伴有显著的材料迁移的粘着磨损痕迹。工件表面主要磨损形式为划擦磨损、粘着磨损与磨粒磨损。由于摩擦过程处于混合润滑状态下，较多的微凸体受到强烈的挤压作用与往复循环的摩擦作用。当微凸体内部高剪切应力达到极限强度时，材料被不断摩擦脱落形成磨屑，且容易在表面伴生疲劳损伤。采用SEM显微电镜观察点蚀坑部位的微观形貌，如图8所示。工件磨损表面形貌存在明显的磨粒磨损、粘着磨损、疲劳损伤，以及擦伤沟痕与塑性变形等特征。摩擦副在法向载荷作用下紧密接触且往复运动，微凸体被挤压与剪切的综合作用，引发材料塑变偏移且被推向两侧或前方，先形成微小的塑性隆起再被压实。摩擦热量也使得材料软化，在磨损表面形成了平行于滑动方向的粘附痕迹。工件表面材料受到微切削作用，产生硬质碳化物磨屑。磨屑参与划擦与微切削作用，在表面形成一些平行于滑动方向的长条沟痕。当表层塑性变形累积到一定程度时，沟痕等微缺陷的存在诱发应力集中，形成许多与滑动方向近似垂直的微裂纹。随着萌生的微裂纹数量及扩展长度逐渐增加，形成面积较小且边缘极不规则的点蚀，使得材料被疲劳剥离而又形成硬质磨屑。微点蚀不断聚集增多且形成连通，导致局部区域损伤面积及深度不断增加。

3结语

开展微晶刚玉砂轮成形磨齿表面形貌特征及其摩擦学特性的研究。0°纹理方向的纹理最为规则与均匀，沟纹深度最浅。45°、135°纹理方向的纹理最为复杂与不均匀，沟纹深度最大。随着角度θ在0°～90°增长变化过程中，微观不平间距逐渐减小;表面轮廓微观不平高度先逐渐增大再略有减小。表面轮廓曲线的凸峰形态均以尖锋态为主，且随机性服从正态分布概率函数。在润滑状态下的摩擦磨损过程，表面轮廓粗糙度值越大，使动压润滑效应减弱，使边界润滑效应增强。摩擦磨损机制是塑性变形与微切削作用，以及磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损等的耦合作用。磨损表面形成了平行于滑动方向的划擦痕迹与粘附现象。当表层塑性变形累积到一定程度时，形成微裂纹，且伴生疲劳损伤现象。

参考文献

［3］纪敬虎，符永宏，华希俊，等.45钢表面制备V形凹槽及其摩擦学特性［J］.中国表面工程，2014，27(4):107－111.

［4］索相波，邱骥，张建辉，等.7A52铝合金表面微弧氧化陶瓷层摩擦学特性［J］.中国表面工程，2009，22(4):61－65.

［8］冯存傲，张德坤，亓健伟，等.低速重载工况下润滑介质对齿轮材料滚动疲劳的影响［J］.煤炭学报，2015，40(11):2552－2557.

［9］石莹，姚玉鹏，李宝良.机车牵引齿轮材料摩擦磨损性能试验研究［J］.润滑与密封，2014，39(11):69－72.

作者：王龙 田欣利 唐修检 刘谦 姚巨坤 李德发 单位：火箭军工程大学