CN114247939A

CN114247939A - 一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法

Info

Publication number: CN114247939A
Application number: CN202111599372.7A
Authority: CN
Inventors: 张振宇; 崔祥祥; 孟凡宁; 刘杰; 廖龙兴; 李玉彪
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN114247939B

Abstract

本发明提供了一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法，抛光时将齿轮整体浸入，不施加任何外部载荷，施以超声辅助，化学与机械、流体与固体相互耦合,高效稳定的对齿轮表面进行抛光。所用自主研制绿色环保抛光液成分主要包括去离子水、碳化硅磨粒、双氧水、磷酸及苹果酸。与其他齿轮零件的表面处理方法相比，本方法可对齿轮进行全面抛光，且在抛光过程中不单独施加外载荷，有效减少了抛光过程中产生的划痕、亚表面损伤等缺陷，抛光后包括曲形齿廓在内的齿轮表面都能达到光滑的要求。此外所研制的抛光液中，不含强酸或强碱等危害人体或环境的化学试剂，绿色环保。

Description

一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法

技术领域

本发明属于精密制造领域，尤其涉及一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法。

技术背景

齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础件，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。可以说中国的齿轮行业是我国机械业的基础，齿轮行业的发展对我国机械行业有着至关重要的作用。我国是齿轮产销大国，2020年中国齿轮产量已超过300万吨，全行业年销售总额已突破千亿元。

齿轮齿面的粗糙度大小，直接影响着齿轮的精度、强度、寿命、能耗、磨损、稳定性等一系列性能。目前，齿轮制造后表面普遍会存在留有成型痕迹、表面粗糙度大等缺陷，虽然有些企业会采用砂轮对齿面进行磨抛，但碍于齿轮相对复杂的结构，磨抛操作强度大，且磨齿后仍不能有效降低齿面的粗糙度。适当地对齿轮齿面光滑处理，能有效减小其粗糙度，使其表面光滑，大大提高齿轮的精度强度耐磨性等问题，进而提升机械零部件甚至整个机械的精密程度。

现有齿轮磨抛方法需要施加载荷，会破坏齿轮的形位精度，对齿面造成损伤，效率和稳定性不高。

发明内容

本发明为了解决现有齿轮齿面加工的不足之处，提供一种将齿轮整体浸入，以化学与机械、流体与固体相互耦合，不施加任何外部载荷，施以超声辅助，高效稳定的对齿轮表面进行抛光的方法。

本发明的具体技术方案是：

一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法，具体步骤如下：

1)配制抛光液，抛光液主要成分包括：去离子水、碳化硅磨粒、双氧水、磷酸及苹果酸。其中去离子水纯净无杂质，碳化硅磨粒的粒径平均为0.8mm～3mm，在该抛光液中的含量为6～10kg/L，双氧水的浓度为30％，在该抛光液中的含量为40～80ml/L，磷酸的纯度≥85％，在该抛光液中的含量为40～80g/L，苹果酸的纯度为99.5％，在该抛光液中的含量为50～100g/L。抛光液成分中不含强酸强碱，无毒无害，绿色环保。

2)设计加工专用夹具固定齿轮，装夹齿轮时将齿轮倾斜45°，以便于在抛光过程中碳化硅磨粒任意在齿廓间运动。抛光过程为两轮，两次夹具固定方式相同，但第2轮抛光时，为了齿轮表面抛光更均匀，齿轮旋转180°后装夹固定；

3)根据齿轮尺寸，选择容积匹配的容器，将齿轮倾斜悬垂固定在容器中，向其中加入抛光液，使齿轮整体浸入至抛光液中；

4)开启超声振动装置，调节频率至5～10kHz。超声振动可以均匀分散抛光液中的各成分、增加进入齿廓的磨粒数量以及离散增加抛光过程中磨粒与齿轮表面的接触力；

5)设置抛光工艺参数，主轴旋转速度为100～200r/min，抛光时间60～120min，采用正反转周期依次轮换方式，正反转均为15～20min，正转与反转间隔0.1min；

6)第二轮抛光结束后，将齿轮取下使用射流无水乙醇清洗表面，然后鼓风吹干。

本发明使用的绿色环保抛光液成分包括：去离子水、碳化硅磨粒、双氧水、磷酸及苹果酸。去离子水纯净无杂质，作为抛光液分散相。双氧水作为氧化剂，其主要作用在于在抛光的过程中能与齿轮表面发生氧化反应生成氧化膜。碳化硅磨粒分散性好，硬度较大，磨削力较强，对齿轮表面有增强抛光作用，用于去除齿轮表面的氧化层薄膜，使齿轮表面光滑。磷酸和苹果酸为相对弱酸，用于制造抛光液的酸性环境，促进齿轮表面氧化反应的发生，抛光过程化学与机械耦合作用，有效提高齿轮表面抛光效率和质量。

本发明所采用的齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面光滑加工方法是一种化学与机械、流体与固体相互耦合的新型齿轮抛光方法。所用化学抛光液为自主研发的新型无毒无害的绿色环保抛光液。此外，本加工方法采用超声辅助，通过添加合适能级的超声，有效提高齿轮的抛光效果。与其他齿轮磨抛方法相比，这种方法不用施加任何外载荷，不破坏齿轮的形位精度，不对齿面造成损伤，有更高的效率和稳定性，且磨料磨损量小，可持续重复利用，适用于抛光各种高强度、高硬度等难加工材料的齿轮。

本发明具有以下优点：

1)齿廓曲面抛光：齿轮的齿廓等部分为曲面结构，常规平面抛光方法无法将这些曲面抛光，齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法可对齿轮进行全面抛光，抛光后包括曲形齿廓在内的齿轮表面都能达到光滑的要求。

2)抛光效果好：该方法是采用不加外部载荷的抛光方法，抛光时利用抛光液中磨粒和齿轮各表面自然接触产生的压力和旋转时产生的摩擦将齿轮表面较大细微毛刺、损伤层等对表面质量影响较大的因素去除，再配合抛光液中的氧化剂等化学成分将齿轮表面难以去除的硬质成分氧化成较易去除的氧化层薄膜，化学与机械相耦合进一步提升抛光的效率和效果，并有效减少了抛光过程中产生的划痕等缺陷，满足了精密齿轮表面的高质量加工要求。

3)抛光液较为绿色环保：所研制的抛光液中，不含强酸或强碱等危害人体或环境的化学试剂，绿色环保。

4)操作方便简单：整个抛光过程相对较简单，不涉及复杂困难的操作步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光装备内部结构示意图；

图2为齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光装备外部结构示意图；

图中：1、升降平台电机；2、升降平台；3、升降平台丝杠；4、抛光容器具；5、升降平台控制器；6、夹具；7、齿轮；8、夹具-法兰盘连接器；9、法兰盘；10、导轨块；11、主轴电机；12、机架；13、主轴；14、曲柄；15、曲柄电机；16、舱门；17、容器具温度及超声调节器；18、内视窗；19、控制面板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法，以分度圆直径为200mm厚度为10mm的摆线齿轮为例。采用如图1和图2所示的设备，齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光装备设置于机架12上，机架的舱门16上设有内视窗18，舱门16上还设有控制面板19，待加工的齿轮7被夹持在夹具6上，夹具通过夹具-法兰盘连接器8连接固定在法兰盘9的末端，法兰盘9锁紧固定在主轴13的末端，主轴电机11的输出端与主轴13输入端相连，曲柄电机15通过曲柄14与主轴相连，主轴还通过导轨块10安装在导轨上，通过曲柄的转动位置调节主轴13的伸出量，抛光容器具4摆放在升降平台2上，通过升降平台电机1调节升降平台及容器的高度，所述升降平台通过升降平台丝杠3步进，提高高度的设置精度，使齿轮7可以整体浸入抛光容器具内，控制面板19与升降平台控制器5、升降平台控制器17、主轴电机11相连，通过控制系统设置超声振动、加热温度、主轴驱动电机及曲柄驱动电机相关参数，即可实现齿轮无载荷整体浸入化学机械耦合表面抛光。

具体操作如下：

1.根据抛光液的总体积依次计算出该抛光液各成分所需的体积或质量，其中去离子水纯净无杂质，碳化硅磨粒的粒径平均为0.8mm～3mm，在该抛光液中的含量为6～10kg/L，双氧水的浓度为30％，在该抛光液中的含量为40～80ml/L，磷酸的纯度≥85％，在该抛光液中的含量为40～80g/L，苹果酸的纯度为99.5％，在该抛光液中的含量为50～100g/L。

本实施例中，碳化硅磨粒的粒径平均为1mm，在该抛光液中的含量为8kg/L，双氧水的浓度为30％，在该抛光液中的含量为50ml/L，磷酸纯度≥85％，在该抛光液中的含量为50g/L，苹果酸纯度99.5％，在该抛光液中的含量为60g/L；

2.齿轮装夹，齿轮7装夹在抛光容器4内，根据齿轮7倾斜45°后距法兰盘9的距离选择合适长度的夹具-法兰盘连接器8，连接固定。通过升降平台电机1调节升降平台2及容器4的高度，使齿轮7的最低点距抛光容器底部10～50mm，通过曲柄驱动电机15调节主轴13的伸出量，将齿轮7的最低点微调至距抛光容器底部15mm(±2mm)；

3.将上述准备好的抛光液添加到抛光容器4中，然后通过容器具温度及超声调节器17开启超声振动，并将超声振动频率调至10KHz，充分均匀分散抛光液中各成分，增加抛光过程中在齿廓中穿梭的磨粒数量，以及离散增加抛光过程中磨粒与齿轮表面的接触力；

4.操控控制面板19，设置抛光机抛光工艺参数，主轴旋转速度为150r/min，抛光时间60min，正反转依次周期轮换，正反转均15min，正转与反转间隔0.1min，启动第一轮抛光；

5.第一轮抛光结束后，将齿轮旋转180°用上述相同的方式装夹固定，抛光工艺参数不变，启动第二轮抛光；

6.两轮抛光结束后，将齿轮取下使用无水乙醇反复喷射清洗齿轮表面20秒，然后用鼓风吹干，结束抛光。

实例：用上述方法对镍基合金材料摆线齿轮进行抛光，抛光后的齿轮表面粗糙度发生明显降低，表面粗糙度由初始的2～3μm降低为0.8～0.9μm，且表面光亮无划痕。齿轮在抛光液中发生下列化学反应：

Ni+H₂O₂→NiO+H₂O

Ni+H₂O₂→Ni(OH)₂

2Cr+3H₂O₂→Cr2O₃+3H₂O

Mo+2H₂O₂→MoO₂+2H₂O

Mo+3H₂O₂→MoO₃+3H₂O

MoO₂+H₂O₂→MoO₃+H₂O

NiO+2H⁺+5H₂O→[Ni(H₂O)₆]²⁺

Ni(OH)₂+2H⁺+4H₂O→[Ni(H₂O)₆]²⁺

齿轮在抛光液中，表面会生成主要成分为NiO、Ni(OH)₂、Cr₂O₃、MoO₂和MoO₃的氧化膜，在机械与化学的耦合作用下，表面生成的氧化膜被优先去除，从而达到抛光表面的效果。

本发明通过采用无载荷整体浸入式化学机械耦合方法抛光齿轮，实现了齿轮表面的高精高效抛光。抛光液主要包括的化学试剂简单，无毒低害，绿色环保；抛光过程操作方便简单，不涉及复杂困难的操作步骤；抛光效果较好，有效减少了抛光过程中产生的划痕和亚表面损伤，满足了齿轮表面的高精度高质量加工要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)配制抛光液，所述抛光液中具有磨粒；

2)设计加工专用夹具固定齿轮，装夹齿轮时将齿轮倾斜45°，以便于在抛光过程中磨粒任意在齿廓间运动，抛光过程为两轮，两次夹具固定方式相同，第2轮抛光时，齿轮旋转180°后装夹固定在机床主轴上；

4)开启超声振动装置，调节频率至5～10kHz；

2.根据权利要求1所述的一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法，其特征在于，所述的抛光液成分包括去离子水、碳化硅磨粒、双氧水、磷酸及苹果酸。

3.根据权利要求1或2所述的一种齿轮无载荷整体浸入式化学机械耦合表面抛光方法，其特征在于，所述的抛光液成分包括：去离子水纯净无杂质，碳化硅磨粒的粒径平均为0.8mm～3mm，在该抛光液中的含量为6～10kg/L，双氧水的浓度为30％，在该抛光液中的含量为40～80ml/L，磷酸的纯度≥85％，在该抛光液中的含量为40～80g/L，苹果酸的纯度为99.5％，在该抛光液中的含量为50～100g/L。