齿轮表面和操作性能

虽然齿轮表面仅占部件总质量的一小部分,但其物理特性会影响该部件的运行性能。

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为了提高性能和耐用性,齿轮和轴承设计寻求利用改进的钢种和强化的热处理技术。这些改进的目的是防止大块金属基板出现不规则或杂质故障。材料制备方面的这一进步使设计极限得以进一步推进,以利于最终应用。

通过使部件能够在更长的时间和/或更高的负载下运行,这些部件的表面将得到更大程度的测试。因此,表面疲劳现在是设计阶段必须考虑的常规问题。本文重点介绍REM工程师所说的“表面”是什么意思,不同的加工技术如何以不希望的方式改变部件表面的物理特性,以及各向同性超精加工如何弥补这些有害影响。

什么是曲面?

术语“表面”通常会唤起单一同质实体的想法。但是,当用于机械加工部件时,表面由具有不同厚度和物理特性的多层组成。(参见图1。)

图1:机械加工表面的物理层示例[1]。

最外层的两层——吸附器外壳和氧化层——基本上是受到环境因素污染的区域,厚度只有纳米。这些层对负载运行中部件的性能影响很小。但是,在这些区域下方是由于应用于部件的加工过程而产生的更具影响力的层:Beilby层和工作层。这些层虽然仍然非常小(组合厚度通常小于100µm),但对组件的性能起着重要作用,是其真正的“表面”

机加工表面

机械加工这一术语可用于多种技术,每种技术都具有独特的性能和特点。但是,所有这些技术都需要一个足够坚固和/或锋利的工具,以便以预定义的方式切入曲面。为了实现切割动作,所采用的技术必须克服金属的物理强度,从而产生大量热量。这种力和热会影响应力-应变关系,并导致金属断裂和流动,从而产生贝尔比层[2]。加工过程中金属的塑性变形导致表面冷加工和加工层的形成。表面的这些物理变化会增加硬度和拉伸应力,同时降低延展性和性能值。由于施加在部件上的应力和应变较高,因此会形成不连续的微裂纹[3]。除了这些物理特性变化外,所有加工操作都会产生“峰值粗糙度”,从而减少部件的有效接触面积。

各向同性超精加工表面

如10月份“材料物质”一栏所述,各向同性超精加工表面的表面粗糙度将小于0.25µm,且具有非定向表面纹理。通过采用化学加速振动精加工形式的各向同性超精加工,可以完全去除受损材料层(贝尔比层和工作层的最上部),留下一层均质材料,没有机加工表面固有的缺陷。这些表面改善是可能的,因为化学加速振动精加工过程的性质-即,它是在环境温度下进行的,需要非常小的力。这些因素表明,在材料去除过程中不会发生有害的物理性质变化。

机械加工与各向同性超精加工表面的操作特性

齿轮的表面是两个啮合面之间的接触点,接触特性将直接从这两个啮合面的相互作用中导出。(见图2。)

图2:两个加工表面相互作用的示例。

对于机加工表面,表面材料本身的不利特性和峰值微凸体通过微点蚀或磨粒磨损的发展成为操作期间表面疲劳的起始因素。

各向同性超精加工表面,不再具有任何微裂纹或表面缺陷(拉伸应力)且具有平面化纹理,将不会受到这些失效模式的影响。事实上,表面的接触特性现在类似于赫兹接触理论,因为两个接触体本质上是平的。该特性允许表面将载荷分布在整个理论接触面积上,从而减小主动侧翼上的接触压力,并显著提高部件的接触疲劳抗力。

纹理的重要性

需要注意的是,各向同性超精加工的纹理非常关键,因为没有所有纹理的表面实际上太光滑。无纹理或“过于光滑”的表面在操作过程中难以保持足够的润滑,因此存在更大的擦伤或擦伤风险。由于这些原因,在任何接触疲劳试验中,图3所示的机加工表面将在图4和图5所示的表面之前失效。然而,尽管两个表面都没有磨损金属缺陷的峰值微凸,图4所示的表面在胶合试验中表现出了相当程度的优于图5所示的表面,这是因为尽管图5中的表面具有较低的摩擦系数,但其更有利的润滑剂保持性能。

图3:机加工表面的SEM示例。
图4:各向同性超精加工的SEM示例(Ra=~0.034µm)。
图5:无纹理/过于光滑超精加工(Ra=~0.017µm)的SEM示例。

求最优曲面

总之,很明显,齿轮表面是其运行性能的关键因素。为了达到最大性能,去除加工过程中产生的不良材料是有益的。平整表面也很重要,同时确保在负载运行期间保持足够的纹理水平,以实现最佳的润滑剂保留(这就是REM的ISF®过程的工作原理)。表面对齿轮操作性能的重要性以及在生产中准确评估或验证这些所需表面特性的能力是显而易见的。为此,本系列的下一部分将讨论测量和评估表面和表面粗糙度的方法,以避免误解或错误的分类。

工具书类

  1. Astakhov,V.P.(2010年)。表面完整性-功能性能的定义和重要性。在J.P.Davidm(Ed.)中,《机械加工中的表面完整性》(第1-35页)。伦敦:斯普林格·维拉格。
  2. Abukhshim,N.A.,和Mativenga,P.T.,和Shiekh,M.A.(2005)。金属切削中的发热和温度预测:高速加工的回顾和影响,《国际机床与制造杂志》,第46卷(第7-8期),第782-800页。
  3. Shaw,M.C.(2003年)。《金属切削中的尺寸效应》,Sadhana,第28卷,第5期,第875-896页。