一种齿轮齿面微织构激光加工方法与装置

技术领域

本发明涉及齿轮表面加工领域，具体为一种齿轮表面微织构激光加工方法与装置。

背景技术

齿轮传动具有传动能力强、传动效率高、可靠性好、结构紧凑、适应性良好等优点，是工业生产中最主要的传动形式。在某些精密的机电设备和大型机械装置中，齿轮往往作为核心传动部件，直接影响着整个系统的运行状况，这就要求齿轮具有极高的传动可靠性和传动精度。然而，齿轮副在啮合传动过程中，齿面相互接触区域的工作环境十分恶劣，应力集中、散热不及时、润滑状况不佳等因素都会造成齿轮副之间的摩擦磨损加剧，从而导致设备整体的稳定性、可靠性和精度大大降低，甚至使系统无法继续运转。因此，研究针对齿轮副的减磨润滑技术及其应用对制造业的发展具有重要意义。

为了改善齿轮副的摩擦润滑性能，经过多年的研究，科学家们在润滑机理、高性能润滑剂、表面改性技术、材料物理化学性能等方面取得了一系列重要成果，由此形成了润滑剂改性、表面淬火、喷丸强化、渗碳渗氮、功能涂层改性齿轮整体结构和材料改进等减磨方法。在诸多方法中，表面微织构加工具有减磨效果好、可操作性强、成本较低的独特优势，这也使得表面微织构技术成为了齿轮减磨润滑领域的热点研究方向。

齿面微织构的减磨润滑机理主要包括以下六个方面：

(1)改善润滑条件。由于润滑油的挥发性，齿轮在传动过程中有时会面临贫油润滑状况，此时微织构就扮演了“微储油池”的角色，它能够向齿面接触区域补充少量的油液，避免干摩擦的产生，这通常被称为“二次润滑”。而在富油润滑条件下，学者们提出了流体动压润滑理论。当润滑油在另一齿面的带动下进入和流出微织构时，由于空间发散和空间收缩效应，微织构入口处油液压力会减小，出口处油液压力会增大；空化现象存在使得入口压力最低减小至空化压力，而出口压力会持续增大，油液内部的这种压力可以用于承载一部分的外界压力，提高齿轮的承载能力；同时，由于油膜压力处于持续动态变化状态，油膜厚度相比于无微织构时有所增加，从而改善了齿面的摩擦和润滑性能。

(2)减轻齿面磨损。由于犁沟效应的存在，齿轮在啮合传动过程中难免产生表面磨粒的脱落，脱落的磨粒在齿面啮合的封闭空间内无法及时排出，则会在齿轮表面产生划痕或微坑，随着时间的积累，磨粒会对齿面造成严重损伤。而微织构可以作为磨粒的“临时存储池”减少磨粒与齿轮副的接触和磨损，同时还可防止磨粒在齿轮副的挤压之下体积和硬度不断增大，避免产生更大危害。

(3)阻止齿面微裂纹延伸。齿轮副接触表面难免存在应力集中区域，而应力集中往往会使表面产生微裂纹，当微裂纹的产生区域不断增大，就会形成“点蚀”现象。而表面微织构的存在能够在空间上阻止微裂纹的连续性延伸。同时，微织构的加工过程会使齿面附加少量残余应力，这些残余应力可以与外部负载造成的应力相互抵消，从而减轻齿面的应力集中现象，从根源上阻止裂纹区域的扩展，有利于维持良好的齿面质量和润滑条件。

(4)加快齿面散热。在高速、重载等极端工况下，齿轮副的接触表面往往会产生较高温度，这不但影响整个设备的工作可靠性，而且可能会使润滑油粘度增加，严重降低其润滑性能。微织构的存在增加了齿面与空气或润滑油的接触面积，能大幅提升齿面的散热效率，改善润滑条件。

但是受制于齿轮的特殊几何结构和本身的材料性能，大部分微织构加工方法并不适用齿轮表面微织构的加工。目前，齿轮表面微织构的主要加工方法有激光刻蚀法、电化学刻蚀法、常规机械加工法、磨料气射流法。其中，电化学刻蚀法所需加工装置复杂，所需化学试剂容易造成环境污染，且难以精确控制微织构的形貌和几何参数；常规机械加工法(如磨齿、剃齿)留下的微结构的尺度较小，对齿轮减磨润滑性能的改善效果较弱；磨料气射流法加工的微结构尺寸较小且难以精确控制，加工过程中粉尘污染和噪声污染严重。

相比于传统的机械加工，激光加工是一种新型的非接触式加工方法，具有加工效率高、绿色无污染、灵活安全、适用材料广泛的优点。激光刻蚀法是目前齿面微织构加工领域的主流方法，该方法利用短脉冲或超短脉冲激光器对齿面进行刻蚀，光斑照射区域的表面温度陡升，金属直接气化或熔融，实现材料去除，从而产生表面微织构。

CN 108145396 A公布了一种微织构自润滑齿轮的加工方法，具体做法为：采用数控工具磨床、激光打标设备、高压气体喷头的复合装置，设置合适的激光参数，在齿面上加工出平行且等间距分布的沟槽阵列。该加工方法具有高效、高精度的特点，可一定程度上优化齿轮的润滑性能，延长齿轮服役寿命。但该方法中平行等间距分布沟槽对齿轮润滑性能的改善程度有限。

CN 111730211 B公开了一种激光加工渐开线圆柱齿轮表面的装置，通过电动推杆控制套环在电磁吸盘上进行滚动运动，根据齿轮基圆渐开线的法线始终与齿轮基圆相切的性质，实现了激光束始终与渐开线圆柱齿轮齿廓的切线相垂直的要求，能够使加工出的沟槽的形状和深度保持不变。但该装置只能适用于渐开线圆柱齿轮的表面激光加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用非均匀分布织构来改善齿轮的抗磨损性能和润滑性能，且适用于各种齿廓形状的齿面微织构加工方法及精确加工装置。

本发明提供的这种齿轮齿面微织构激光加工方法，包括以下步骤：

(1)建立不同工况下齿轮副表面接触特性的有限元仿真分析模型；

(2)建立不同工况下齿轮副弹流润滑的仿真分析模型以获得齿轮副弹流润滑特性；

(3)建立脉冲激光加工参数与齿面微织构形状、尺寸的映射关系，搭建能适应各种齿廓形状的齿面微织构激光加工装置，获得齿轮表面微织构的精准加工工艺。

上述方法实施时，所述步骤(1)中，设置多种前处理参数，获得不同工况下齿轮副的接触区域、接触应力及应变接触特性，通过实验分析齿轮副接触应力分布和接触区域，并根据实验结果验证和修正尺寸轮表面接触特性的有限元仿真分析模型。

上述方法实施时，所述步骤(1)中，仅在齿轮副实际接触区域加工齿面微织构，齿面微织构的形貌包括但不限于凹坑和凹槽。

上述方法实施时，所述步骤(2)中，设置多种前处理参数，获得不同工况下齿轮副表面油膜厚度及油膜压力弹流润滑特性。

上述方法实施时，所述步骤(2)中，基于不同工况下齿轮副表面的弹流润滑特性，对梯度分布齿面微织构的尺寸、间距进行优化设计，优化目标为提高齿轮副接触区域的油膜厚度和油膜压力的均匀性，优化手段为在油膜厚度小、油膜压力大的区域设置尺寸相对较小、间距相对较大的表面微织构；在油膜厚度大，油膜压力小的区域设置尺寸相对较大、间距相对较大的齿面微织构。

上述方法实施时，所述步骤(3)中，建立脉冲激光加工齿面微织构的仿真模型，研究脉冲激光烧蚀作用下表面微织构的成形机理，获得不同脉冲激光参数作用下齿面微织构的成形尺寸。

本发明的这种适用于上述加工方法的加工装置，其包括基座、升降平台、升降驱动装置、待加工齿轮副驱动装置，升降平台位于基座的上方，待加工齿轮副驱动装置安装于升降平台上，通过升降驱动装置实现升降平台相对基座的升降。

上述装置在实施时，所述升降平台与基座之间设置有导向柱；所述升降驱动装置包括伺服电机、齿轮、齿条及支柱，伺服电机水平布置于升降平台上，通过联轴器连接齿轮，齿条沿竖向安装于支柱上，支柱固定于基座上，齿轮与齿条啮合；所述待加工齿轮副驱动装置为水平布置的伺服电机，待加工齿轮副的主动轮通过联轴器连接于伺服电机的输出轴上、从动轮与主动轮啮合。

本发明提供的这种利用上述加工装置进行齿轮齿面微织构加工的方法，包括以下步骤：

(1)将激光器的振镜布置于待加工齿轮副的从动轮正上方，使激光竖直向下照射；

(2)升降驱动装置的伺服电机和待加工齿轮副驱动装置的伺服电机协同调控升降平台的高度和从动轮的相位，使激光在从动轮的转动过程中始终聚焦于其齿面，以保证加工出的齿面微织构具有相同的深度；

(3)激光加工过程中，激光光源的输出功率和激光器振镜的高度始终保持不变，以保证齿面微织构的尺寸精度；

(4)加工完一个齿面后，激光光源停止照射，两伺服电机协同工作，使下一个待加工轮齿进入上一个轮齿的相同初始相位，同时使升降平台回到加工上一个轮齿齿面时的初始高度；

(5)从动轮所有轮齿的一侧齿面全部加工完成后，将激光器的振镜水平移动至齿面另一侧的正上方，并使待加工齿轮副驱动装置的伺服电机反向工作控制从动轮反转，参照步骤(2)-(4)实现所有轮齿的另一侧齿面微织构构加工。

上述方法实施时，当待加工齿轮副尺寸或者种类改变时，根据齿轮副的几何结构参数改变升降驱动装置和待加工齿轮副驱动装置的伺服电机的协同参数实现更换齿轮齿面的激光加工，协同参数主要包括伺服电机的绝对转速、相对转速和转动方向。

本发明提出的齿轮齿面微织构激光加工方法，以及与之配套的齿面激光脉冲强化加工装置，具有加工工艺简单、可控制性强、可适应不同类型齿轮、无污染等优点。相比于覆盖全齿面的微织构均匀间距分布方式，本发明以齿轮传动接触特性仿真模型、弹流润滑特性仿真模型为基础，提出了一种新的微织构分布方式：齿面微织构仅分布于齿轮副齿面实际接触区域；齿面微织构间距梯度分布。具有如下优势：(1)避免多余微织构的无效加工，提高加工效率；(2)微织构间距梯度分布可使润滑过程中的油膜厚度和油膜压力更加均匀，从而改善齿轮副的润滑减阻特性。此外，本发明还提出了一种齿轮齿面微织构激光加工装置，仅需利用伺服电机协同控制升降平台高度和轮齿相位，即可实现齿轮齿面微织构的精细加工。本发明可为不同领域中的表面性能改善提供参考。

附图说明

图1为本发明优选实施例的参数化模型示意图。

图2为图1模型的齿面微织构分区模型研究方案流程图。

图3a和图3b为图1模型的齿面微织构分区模型及微织构形貌示意图。

图4为齿面微织构梯度分布设计模型的研究方案流程图。

图5a和图5b为齿面微织构间距梯度分布模型。

图6为齿轮齿面微织构精准加工工艺研究方案流程图。

图7为齿轮齿面微织构激光加工装置结构示意图。

图8为本实施例的使用状态示意图。

具体实施方式

本发明为了改善齿轮副表面的抗磨损性能和润滑性能，提出了一种新的齿面微织构分布模型：(1)齿面微织构仅分布于齿轮副表面实际接触区域；(2)齿面微织构间距梯度分布。通过建立齿轮副的接触特性仿真模型和弹流润滑特性仿真模型，辅之以实验验证或修正，获得齿面接触实际接触区域、微织构梯度分布最佳尺寸和间距。利用齿轮齿面微织构激光加工装置，选择合适的激光加工参数，通过协同控制轮齿在竖直方向的高度位置和轮齿的相位，实现齿轮齿面微织构的精细加工。

下面以图1所示的斜齿轮副的齿面微织构加工作为本发明的具体实施对象作进一步说明。

如图2所示的研究方案，利用SolidWorks、CATIA等软件平台对斜齿轮副进行参数化建模，并将该几何模型导入ANSYS等有限元仿真软件平台，设置斜齿轮材料为弹性体，并根据材料属性设置杨氏模量和泊松比，再对参数化模型进行网格划分。随后，对该模型添加约束条件，并加载输入扭矩、输入转速、负载等工况参数。对该模型进行有限元仿真计算，通过后处理得到斜齿轮副的接触应力、应变、接触区域等接触特性。

在斜齿轮传动实验平台上，采用在测试点贴应变片和在齿面涂红丹粉的方法，对斜齿轮副上的接触应力分布和接触区域进行实验分析；将实验分析结果与上述斜齿轮副表面接触特性仿真模型的分析结果进行对比，对该模型进行验证和修正。

在斜齿轮副表面接触特性仿真分析模型的基础上，改变输入扭矩、输入转速、负载等参数，分析不同工况对斜齿轮副表面接触特性的影响规律，获得斜齿轮副在常用工况下的接触应力分布和接触区域。

如图3a和图3b所示，基于斜齿轮副接触特性建立齿面微织构分区模型，齿面微织构的形貌包括凹坑和凹槽。具体做法为：基于不同工况下斜齿轮副表面的接触特性，开展齿轮表面织构模型设计。为了尽可能少地降低齿轮弯曲强度和避免齿轮表面微裂纹萌生与扩展等问题，仅在斜齿轮副表面实际接触区域加工表面微织构，以提高表面微织构的加工效率和精准性。

如图4所示的研究方案，在齿轮副表面接触特性有限元仿真分析模型的基础上，计算得到齿轮接触界面的切向速度、相对滑动速度、卷吸速度、综合曲率半径及法向线载荷分布；根据弹流润滑的基本方程，包括Reynolds方程、膜厚方程、变形方程、粘压方程、密压方程和载荷平衡方程等，建立齿轮弹流润滑仿真模型；通过有限元仿真分析，获得齿轮副表面的油膜厚度、油膜压力等弹流润滑特性。

在斜齿轮副弹流润滑仿真模型的基础上，改变输入扭矩、输入转速、负载等参数，分析不同工况对斜齿轮副弹流润滑特性的影响规律，获得斜齿轮副常用工况下的油膜厚度、油膜压力等弹流润滑特性。

如图5a和图5b所示，基于斜齿轮副弹流润滑特性建立齿面微织构梯度分布模型，齿面微织构的形貌包括凹坑和凹槽。具体做法为：根据不同工况下斜齿轮副表面的弹流润滑特性，开展基于齿轮副弹流润滑特性的齿面微织构梯度分布优化设计；为了确保齿轮副接触区域的油膜厚度和油膜压力的均匀性，在油膜厚度小、油膜压力大的区域设置尺寸相对较小、间距相对较小的表面微织构；在油膜厚度大、油膜压力小的区域设置尺寸相对较大、间距相对较大的表面微织构，从而构建齿面微织构梯度分布设计方案。作为优选，凹坑的半径和凹槽的槽宽初步设置为20～200μm，凹坑和凹槽间距梯度初步设置为50～200μm。进一步地，对梯度分布的表面微织构几何尺寸、间距进行优化设计，具体做法为：先采用试错法获得能使油膜厚度和油膜压力相对均匀的微织构尺寸区间和梯度区间，再在该区间内选取数据点进行全因子实验，从而获得使齿轮副整个接触区域油膜厚度和油膜压力均匀性最佳的齿面微织构梯度分布方案。

如图6所示的研究方案，基于齿轮材料自身的力学性能和本构方程，建立脉冲激光强化方法加工表面微织构的仿真模型，从温度场、相变、形变等方面研究脉冲激光强化作用下表面微织构的成形机理，获得不同脉冲激光强化参数作用下表面微织构的成形尺寸。通过正交试验、主效应分析、非线性拟合等方法建立脉冲激光强化参数与表面微织构尺寸的映射关系。

为了保证激光能够在齿面的曲面轮廓上加工出深度一致的表面微织构，本发明提出了一种能适应各种齿廓形状的齿轮齿面微织构激光加工装置，如图7所示，该装置的结构组成和工作原理如下：

如图7所示，加工装置主要包括基座1、导柱2、升降平台3、支柱4、齿条5、升降驱动齿轮6、主动轮7、从动轮8、伺服电机9和10、上壳体11、下壳体12。

升降平台3位于基座1的上方，基座上对应升降平台的四个角部分别设置导柱2且各导柱穿过基座，给升降平台升降时导向，保证升降平台的稳定升降。

支柱4固定于基座左侧的中间位置，为了加强支柱的稳定度，在其两侧对称设置支撑条6进行限位和加固。

齿条5固定于支柱4的内侧，伺服电机9固定于升降平台3上，其输出轴通过联轴器连接的升降驱动齿轮6与齿条5啮合，伺服电机9工作，实现升降平台的升降。

伺服电机10固定于升降平台3上，其输出轴通过联轴器连接待加工齿轮副的主动轮7，待加工齿轮副的从动轮8与主动轮7啮合。待加工齿轮副驱动的其它传动结构通过上壳体11和下壳体12封装。上下壳体之间通过紧固件可拆卸连接，下壳体固定于升降平台上。

从动轮8为待加工齿轮，激光器振镜位于从动轮的正上方，激光光源竖直向下照射对齿面进行加工。

为了使该装置加工出的微织构具有相同的深度，开发伺服电机与加工装置的可编程协同控制系统，使伺服电机9和10在中央控制器的指示下协同调控升降平台3的高度和待加工齿轮的相位，使激光在从动轮8转动时始终能聚焦于其齿面，如图8所示。

具体的，激光器的参数初步设置如下：激光扫描速度为100～2000mm/s，扫描次数为1～10次，输出电流为1～10A，脉冲重复频率为10-50kHz，脉冲宽度为1-10μs，光斑直径为10-50μm，激光波长为355nm，激光器输出功率为5～20W。

激光加工过程中，激光光源的输出功率和激光器振镜的高度始终保持不变，以保证齿面微织构的尺寸精度；加工完一个齿面后，激光光源停止照射，两伺服电机协同工作使下一个待加工轮齿进入上一个轮齿的相同初始相位，同时使升降平台3回到加工上一个轮齿齿面时的初始高度。

加工完所有轮齿的一侧齿面后，只需控制激光器振镜水平移动至齿面另一侧的正上方，并通过伺服电机10控制从动轮8反向旋转，即可参照上述过程实现所有齿面另一侧的加工。

当斜齿轮副的尺寸改变时，只需要根据斜齿轮副的几何结构参数改变两伺服电机的协同参数，即可实现更换齿轮的齿面微织构激光加工。两个伺服电机的协同参数主要指电机的绝对转速、相对转速和转动方向。

在齿轮齿面微织构激光加工装置上，建立脉冲激光强化参数与斜齿面微织构几何尺寸的映射关系，加工出与梯度分布齿面微织构设计模型一致齿面微织构。采用光学显微镜、扫描电镜等实验设备，对比分析齿面微织构设计模型与实际尺寸的差异，对齿面微织构设计模型进行反复修正，在此基础上对斜齿轮齿面微织构激光加工工艺进行优化，形成斜齿轮表面微织构的精准加工工艺方法。

总结来说，本发明为了改善齿轮副表面的抗磨损性能和润滑性能，解决齿面油膜厚度和油膜压力不均匀的问题，提出一种新的齿面微织构分布模型：

(1)齿面微织构仅分布于齿轮副表面实际接触区域，其目的在于尽可能少地降低齿轮弯曲强度和避免齿面微裂纹萌生与扩展，同时提高表面微织构的加工效率和精准性；(2)齿面微织构梯度分布，其目的在于提高齿轮副接触区域油膜厚度和油膜压力的均匀性。通过建立齿轮副的接触特性仿真模型和弹流润滑特性仿真模型，辅之以实验验证或修正，获得齿面接触实际接触区域、微织构梯度分布最佳尺寸和间距。

常规激光加工装置在加工齿轮时，激光焦距固定且激光光源与齿轮的相对高度不变，导致加工出齿面微织构深度不一致，为了解决该问题，本发明中的加工装置选择合适的激光加工参数，通过伺服电机协同控制轮齿在竖直方向的高度位置和轮齿的相位，实现齿轮齿面的微织构加工深度一致。