CN112833163A - 一种具有仿生非光滑表面的齿轮及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有仿生非光滑表面的齿轮。这种具有仿生非光滑表面的齿轮相比于常规齿轮副啮合有更好的抗磨损性能，其特征是齿轮副表面分布长宽比为2:1的四边形凹坑，凹坑的深度在0.01~0.1mm之间。在高速重载的极端工况条件下，齿面存在复杂的相互摩擦和高温高应力的多重作用，而本新型齿轮由于具有类似蜣螂头部表面凹坑形貌，可以有效的改善齿面润滑、降低齿面摩擦，进而发挥减摩作用，使其使用寿命和力学性能与具有相同基体材料的常规齿轮相比，有显著的提高。

Description

一种具有仿生非光滑表面的齿轮及其加工方法
技术领域
本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种具有仿生非光滑表面的齿轮。
背景技术
随着工业技术的进步，高端装备制造业对齿轮传动机构在高速重载方面提出更苛刻的要求，现有齿轮传动技术已成为制约高端机电装备国产化的关键瓶颈之一。在齿轮传动过程中，齿面摩擦环境异常复杂，尤其是高速重载工况，会导致齿轮摩擦界面的温度升高，润滑膜难以形成，摩擦副容易发生点蚀、脱落和胶合等现象。剧烈的齿面摩擦磨损会降低齿轮传动效率、导致齿面温度升高、产生振动和噪声及引起齿面磨损和胶合现象等问题。
仿生非光滑表面处理是基于自然界某些生物具有的天然非光滑的体表形态和结构特征，通过光刻、电火花、电解、激光、超精密、涂层等多种加工方式，来形成沟槽型、鳞片型、凸包型和凹坑型等具有减阻、耐磨、脱附等不同功能需求的表面，并在活塞环-缸套、机械密封、滑动轴承、模具、刀具等多个领域得到了应用，有效改善了摩擦副界面润滑效果，降低了摩擦表面的摩擦和磨损。
目前对于齿轮仿生非光滑表面处理的研究多以激光加工为主，加工方式较为单一，并需要企业配备专门的加工设备和开发特定的加工工艺；其次，经过激光处理过的仿生非光滑表面单元体的材料性质和结构尺寸不易控制，影响了齿轮表面的质量一致性；最后，与表面强化处理类似，现有的齿轮表面的仿生非光滑表面处理技术在无形之中增加了制造成本、延长了制造周期，与齿轮行业发展的现实需求之间存在很大矛盾。因此，采用合理的仿生非光滑表面加工方式，改善齿轮传动过程中的齿面润滑和摩擦状态，降低齿面摩擦和磨损对抑制齿轮失效，提高齿轮的使用寿命具有重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种有效合理的齿轮非光滑表面的加工方法，并通过相应软件的分析，设计出一种基于蜣螂头部表面凹坑形貌的新型齿轮，从仿生学的角度，在齿轮的设计和制造中引入非光滑表面来实现减摩，为齿轮副摩擦特性的“主动调控”提供了一条可能得途径。
仿生学是研究生物系统的结构、形状、原理、行为及其相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生是未来新材料设计和制造的潜在的最有效途径，利用自然界中某些生物或物体的表面非光滑形态具有的耐磨、减阻、抗粘附、润滑等特性，根据功能需要来设计结构参数并在加工过程中控制其形成，提出了仿生非光滑表面的齿轮模型。
非光滑形态是通过对生物体材料的结构和静态学、动力学性能研究提出来的仿生新思想。对蜕螂表面形貌的研究发现，其头部甲壳上均匀分布着类似四边形的凹坑，其体表凹坑深度15~20um，凹坑长度100～200m，凹坑宽度70~100um，凹坑的长宽比近似为2:1，这种体表形貌具有减阻、耐磨、抗挤压、抗裂纹等功能。根据蜕螂体表凹坑形貌的特性，可以将其耐磨、减阻、抗裂纹的特性应用于齿轮副传动以提高齿轮的使用寿命和力学性能。
一般材料的磨损一般分为三个阶段，即跑合阶段、稳定磨损阶段、急剧磨损阶段。通过对仿生非光滑表面的耐磨机理研究，具有凹坑单元的仿生非光滑表面在摩擦时对摩擦副具有“平整”作用，这种仿生非光滑表面上均匀分布的凹坑如同一把把“刀具”，加速去除摩擦副表面的微小凸起物，使得摩擦面之间的磨合速度加快，缩短了跑合阶段所需的时间。具有凹坑单元的仿生非光滑表面具有“储屑”作用，非光滑表面均匀分布的凹坑单元可以储存摩擦时摩擦副表面产生的磨屑，在很大程度上避免了磨屑对摩擦面的破坏，一定程度上避免磨粒磨损的产生。具有凹坑单元的仿生非光滑表面对摩擦副表面的流体动力润滑有积极的影响，具有凹坑单元的仿生非光滑表面如同“带储油供油功能的毛刷”，在摩擦过程中，摩擦表面之间将会形成一层均匀的油膜而且油膜的厚度相比于常规齿轮形成的油膜厚一些，同时仿生非光滑表面引起的“空穴”效应能够使摩擦面之间的润滑油膜稳定存在。在工作情况下，具有凹坑单元的仿生非光滑表面的局部应力小于普通摩擦面表面的应力，有效地改善了摩擦面的应力分布，降低了齿轮工作时出现滑动犁伤的概率。因此，具有凹坑单元均匀分布的仿生非光滑表面的齿轮相比于同种基体材料的常规齿轮有显著的抗磨损性能，提高使用寿命，并且在高速重载的极端工况下可以有效的实现齿面自润滑，降低齿面的摩擦和磨损。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
首先，本发明应用了先进制造技术中的仿生学理论，考虑到蜣螂经过几亿年的进化，其表面形貌必定属于较为优秀的生物结构，故选择蜣螂的外壳作为参考对象，并将蜣螂外壳的表面形貌应用于齿轮的齿面形貌上，当常规齿轮和所述的新型齿轮承受相同的交变载荷时，由于齿面上加工有所述纹路，故不仅能使得齿轮形变量减小，而且扩大了轮齿的表面积，提高了散热性，从而较好地消除轮齿升温后带来的不良影响。
其次，所述纹路也能用于润滑油、润滑脂等润滑剂的存储，保证更好的形成物理、化学吸附膜，减少齿轮啮合过程中齿面的摩擦，从而降低了齿轮发生点蚀和胶合的概率，并且能起到降低齿轮振动、冲击和噪声的作用。
最后，由于所述纹路采用高速铣削的加工方法进行制备，其齿面硬度等性能得到提高，材料组织更细化、均匀，从而不仅使得齿面的抗疲劳强度等力学性能得到提高。同时，采用球头铣刀进行齿轮表面铣削加工时，由于刀具球头部位具有独特的螺旋刃线结构，形成的表面形貌由规则的与工艺参数、切削轨迹、刀具倾角等加工条件密切相关的小凹坑形表面微单元排列组成，这与网状凹坑形仿生非光滑表面的形态结构非常相似，从而保证了齿轮表面的质量一致性。
附图说明
图1为本发明的仿生非光滑表面的齿轮示意图。
图2为齿轮的仿生非光滑表面纹路示意图。
图3为用MATLAB仿生生成的仿生非光滑表面。
图4为用球头铣刀高速铣削形成的仿生非光滑表面。
图5为本发明的齿轮模型图。
具体实施方式
采用球头铣刀高速铣削，铣刀与齿轮工作表面的倾角在20°～30°范围内，铣刀背吃刀量在0.1~0.25mm之间，加工行距与铣刀每齿进给量关系为2:1，铣刀每齿进给量在0.1~0.5mm/z之间，铣刀的进给方向与齿轮副传动时的方向平行.通过调整铣削参数可以在齿轮工作表面上加工出有规则的四边形凹坑状的表面形貌，且四边形凹坑分布均匀。
利用实验及ANSYS软件对所述新型齿轮进行应力的加载与分析，结果显示，当齿轮的工作表面均匀分布深度为0.05mm，长度为0.706mm，宽度为0.351mm的四边形凹坑时，在光滑齿轮与所述新型齿轮在承受相同强度压应力交变载荷时，二者应力的变化值基本相同。但是，所述新型齿轮的疲劳应力范围则明显小于光滑齿轮，由于所述新型齿轮承受的交变疲劳应力变小，从而齿面出现疲劳点蚀等现象的概率相应减少，故得出结论，所述新型齿轮能有效的提高齿轮的疲劳寿命。

Claims (4)

1.一种具有仿生非光滑表面的齿轮，其特征在于所述的新型齿轮齿面加工有仿蜣螂头部表面形貌的纹路，且齿面纹路分布为长宽比2:1的四边形凹坑，凹坑的深度在0.01~0.1mm之间。
2.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的齿轮，其特征在于所述齿轮副的工作表面上均匀分布的四边形凹坑单元采用球头铣刀高速铣削而成，凹坑单元的长度在0.5~1mm之间。
3.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的齿轮，其特征在于所述的齿轮副工作表面采用球头铣刀以单向行切的走刀方式高速铣削而成，相对比激光处理过的仿生非光滑表面，其单元体的材料性质和结构尺寸更易控制，齿轮表面的质量一致性较好。
4.根据权利要求1所述的具有仿生非光滑表面的齿轮，其特征在于所述的齿轮副工作表面铣削时，采用的切削参数相位差为0°、每齿进给量fz为0.4mm、切削宽度ae为0.6mm、切削深度ap为0.3mm、主轴转速10000r/min、刀具倾角为30°，其均匀分布的凹坑单元形状和尺寸大致相同。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113283032A (zh) * 2021-06-01 2021-08-20 哈尔滨工程大学 一种涉及混合润滑-接触状态的船用齿轮次表层应力计算方法

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