南京航空航天大学丁文锋教授团队：齿轮高效精密磨削加工及表面完整性控制技术研究进展丨JME文章推荐|丁文锋|南京航空航天大学|砂轮|磨粒|齿轮

引用论文

丁文锋, 赵俊帅, 张洪港, 赵彪, 司文元, 宋强, 黄庆飞. 齿轮高效精密磨削加工及表面完整性控制技术研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 350-373.

DING Wenfeng, ZHAO Junshuai, ZHANG Honggang, ZHAO Biao, SI Wenyuan, SONG Qiang, HUANG Qingfei. Advances in High Efficiency Precision Grinding and Surface Integrity Control Technology for Gears[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(7): 350-373.

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随着航空等高端装备工业的迅猛发展，对传动系统齿轮的高效率、高精度和高可靠性需求日益增长。磨削加工技术作为齿轮精密成形的关键工序，对齿轮的表面质量和服役寿命具有重要影响。然而，齿轮齿面结构复杂且淬硬表面材料难加工，在齿轮磨削过程中极易产生磨削高温导致表面质量难控制、以及磨削力大导致砂轮磨损严重等问题。因此，国内外学者针对齿轮磨削加工技术进行了大量深入系统的研究工作，并将其应用于实际生产中。南京航空航天大学丁文锋教授团队在总结齿轮磨削技术研究现状的基础上，归纳了国内外学者在齿轮高效精密加工、表面完整性形成与调控等方面的主要研究成果。最后，该团队对齿轮高效精密磨削加工技术的发展趋势进行了展望，旨在为高性能齿轮制造提供技术与方法指导。他们的研究成果以题为《齿轮高效精密磨削加工及表面完整性控制技术研究进展》发表在《机械工程学报》2024年第7期。

行业现状

齿轮作为机械传动系统的基本单元，在航空航天、船舶、车辆等领域广泛应用。随着工业水平的进步以及航空航天事业的快速发展，对传动系统的要求日益提高，齿轮加工也朝着高质量、高精度、高可靠性方向发展。磨削加工作为齿轮等关键零部件精密加工的主要方法和核心工序，通过砂轮工作面众多微小磨粒的微切削作用去除材料，在难加工材料高效精密加工方面展示出切削加工无法媲美的优势，是确保齿轮加工精度和表面质量的重要工序。目前，针对齿轮高效精密磨削加工技术的研究主要集中在以下几个方面：齿面磨削过程、砂轮性能评价、磨削表面完整性及生产质量和效率等方面。

图1 齿轮磨削加工技术主要研究内容

齿轮磨削技术

齿轮磨削加工方法

展成法磨削：
- 优势：高精度、高效率、精度可调。
- 挑战：加工难度高，设备和技术要求高，生产成本高。
- 研究贡献：建立展成磨削的表面粗糙度模型，分析磨削参数对表面质量的影响。
成形法磨削：
- 优势：高精度、表面质量优异，加工适用范围广。
- 挑战：加工时间较长，尤其对于大型或复杂齿轮。
- 研究贡献：开发齿面磨削误差模型、砂轮修整优化方法，提升加工效率和精度。

图2 齿轮展成磨齿法加工示例

图3 齿轮成形磨齿法加工示例

齿轮磨削材料去除机理研究

磨削温度场与残余应力研究：
- 建立齿轮轮廓磨削的3D热源模型，分析热力耦合作用下的残余应力。
- 仿真与实验结合，优化磨削温度场的分布，提高加工表面质量。
磨粒与材料去除的半解析建模：
- 提出齿轮轮廓磨削的材料去除机理，开发考虑磨粒运动学的数值模型。
- 模拟切屑形状与未变形切屑厚度，并通过实验验证模型有效性。
磨削工艺参数与温度关系研究：
- 基于Johnson-Cook塑性模型，预测磨削残余应力并研究加工参数对温度场的影响。
- 针对摆线齿轮和螺旋锥齿轮，开发热应力计算模型，分析不同齿轮类型的温度场分布。

图4 齿轮磨削加工中材料去除机理的主要研究方法

齿轮高效精密磨削加工研究现状

齿轮高效磨削加工研究现状

高速磨削技术的研究与应用：
- 高速磨削具备更高的加工效率与精度，同时减少热损伤，缩短加工周期。
- 通过研究磨削工艺参数与表面质量的关系，验证高速磨削对降低粗糙度和残余拉应力的有效性。
- 开发多线程CBN砂轮高速磨床，并优化同步控制器设计，提高生产率与精度。
超硬材料砂轮在高效磨削中的应用：
- 超硬材料（如CBN）砂轮相比传统砂轮具有更低的磨削温度、更高的加工稳定性与表面质量。
- 通过数学建模和试验分析，验证CBN砂轮在提高齿轮弯曲强度与接触疲劳寿命方面的优越性。
- 提出了基于CBN砂轮的齿轮成形磨削方法，并通过实验展示其在精密加工中的高效性。
图5 动静态信号处理方法对比
齿轮精密磨削加工研究现状
- 磨削力研究：
- - 详细分析磨削力的影响因素，包括切削参数、砂轮几何形状、工件材料及磨削液。
  - 建立齿轮磨削力模型，并优化磨削参数以提高加工稳定性和精度。
  - 提出超声辅助磨削方法（UAFG），有效降低传统成形磨削的磨削力并改善表面质量。
- 磨削温度研究：
- - 开发齿轮磨削温度场的数值模拟与有限元分析方法，预测温度场分布并优化热损伤控制。
  - 提出基于傅立叶热传导定律的综合热模型，研究渐开线齿轮接触热源的变化规律。
  - 验证摆线齿轮成形磨削温度仿真模型的有效性，为优化工艺参数和提升表面质量提供依据。
  图6 磨削力建模与试验研究

齿轮磨削表面完整性研究现状

磨削残余应力

残余应力的形成与影响：
- 磨削过程中的力热耦合作用会导致残余应力状态的形成，较大的残余拉应力可能导致齿轮变形和疲劳强度降低。
- 残余压应力有助于提高零件的抗疲劳性能、耐腐蚀性能和变形能力。
残余应力的研究与模型：
- 通过实验和有限元分析，研究齿面残余应力的分布规律，并验证热机械耦合对残余应力的影响。
- 提出了齿轮磨削过程中的热流密度分布模型和残余应力-磨削参数数学模型，优化了齿根过渡圆弧半径以减小残余应力。
工艺优化：
- 通过湿磨和干磨条件的对比研究，提出合理的磨削参数选择以获得低残余应力的齿轮表面。

图7 渐开线齿轮磨削残余应力

磨削表面形貌

表面形貌对齿轮性能的影响：
- 良好的表面形貌可以提高齿轮抗疲劳性能、减少摩擦噪声与振动，并改善传动效率和平稳性。
- 表面形貌的优化能够减少裂纹和缺陷的产生，降低应力集中点。
形貌校正与建模：
- 提出基于非线性分析的齿面形貌校正方法，利用最小二乘法提高形貌校正的稳定性和可控性。
- 建立螺旋伞齿轮磨削表面形貌的预测模型，优化磨削参数和砂轮粒度以改善表面形貌。
实验研究与参数优化：
- 通过多元线性回归分析磨削参数对表面粗糙度和砂轮寿命的影响，在优化参数下实现更高的加工效率和表面质量。

磨削表面显微硬度

显微硬度与齿轮性能的关系：
- 显微硬度越高，齿轮表面质量越好，摩擦和磨损减小，齿轮传动效率和使用寿命得以提升。
- 表面硬度的变化直接影响接触疲劳失效风险，如点蚀和剥落。
显微硬度的研究与模型：
- 分析了碳含量对表面硬度的影响，研究显微硬度和金相组织转变形态的关系。
- 提出了表面硬化深度和核心硬度对抗剥落和抗点蚀能力的影响规律。
实验与工艺优化：
- 通过显微硬度和表面形貌的对比研究，优化磨削参数以克服磨削烧伤并改善表面质量。
- 研究磨削烧伤对显微硬度和晶粒状态的影响，并提出全因子实验验证优化结果。

图8 齿轮磨削表面形貌研究

齿轮多能场复合制造技术

电化学复合制造

技术优势与特点：
- 将电化学反应与机械加工结合，实现快速、精准、可控的材料加工。
- 在齿轮精加工中降低表面粗糙度并提升齿型精度，是传统精加工工艺的有效替代方案。
工艺改进与应用：
- 通过电化学光整加工提高齿轮精度，降低齿面粗糙度，精度可提升2级。
- 电化学珩磨结合数学模型，优化齿轮材料去除率与表面粗糙度参数。
- 引入超声辅助电化学珩磨，表面粗糙度平均降低91%，显著提升加工效率和质量。

图9 多能场复合制造技术

激光复合制造技术

技术优势与应用场景：
- 将激光与机械加工结合，实现高效精密加工，同时改变材料组织结构，提高硬度、耐磨性和韧性。
- 激光复合制造可用于齿轮表面的淬火、渗碳等热处理及高精度零件修复。
技术创新与成果：
- 开发激光熔覆技术，在齿轮表面制备耐磨涂层并解决热量分布不均问题。
- 通过优化激光参数和有限元模型研究激光熔覆温度场和裂纹分布，验证工艺可行性。
- 针对风电齿轮表面磨损难题，采用激光熔覆技术增加碳化钨涂层，显微硬度达826.2 HV，提高涂层耐磨性。

超声振动辅助加工

技术特点与加工优势：
- 结合超声振动与传统磨削加工，改善磨削环境，延长工具寿命，提高加工精度和表面光洁度。
- 改变磨粒与工件表面的相对运动轨迹，使材料去除形式从连续切削变为断续切削。
应用与技术进展：
- 研究超声辅助磨料流加工，通过流体动力学和试验验证有效提升齿轮表面质量和材料去除率。
- 开发切向超声波振动辅助齿轮磨削系统，通过有限元仿真和试验验证振动系统的有效性。
- 在超高强度齿轮钢的加工中，超声辅助技术显著降低磨削力和温度，提高砂轮自锐性和磨削表面质量。

结论与展望

磨削加工作为齿轮齿面精密加工的核心工序，对齿轮的精度和表面质量具有决定性影响。现阶段，国内外研究主要集中在磨削力、磨削温度、砂轮磨损、工艺参数优化等方面，特别是展成法磨削和成形法磨削各自的技术优势及其适用范围。材料去除机理的研究通过试验和仿真建模优化磨削工艺，提高加工效率和质量。此外，超硬材料和高速磨削技术的应用不仅提升了加工效率，还有效降低热损伤。研究表明，磨削表面完整性对齿轮性能至关重要，提高残余压应力幅值、以及表面质量和显微硬度，可以显著提升齿轮的耐磨性、抗疲劳强度和服役寿命。

在未来一段时间，齿轮磨削加工的发展仍将着重于提质增效降成本，研究方向包括创新磨具设计、优化工艺参数以及引入智能化技术，以实现更高的加工精度与表面质量。针对航空航天新型难加工材料（如超高强度钢、复合材料等），亟需开发适应性的磨具与工艺，以增强加工能力。数字化和智能化技术的应用将为齿轮加工带来革命性变革，通过传感器和自动化控制系统完成磨削过程实时监控与磨削工艺智能调控，从而提高加工效率并减少资源浪费。此外，多能场复合制造技术的大力发展也将为航空航天等领域高精度齿轮制造提供新思路，助力制造业的转型升级。

作者及团队介绍

丁文锋， 1978年出生，南京航空航天大学机电学院教授、博导。主要研究方向包括：航空航天难加工材料及关键部件高质高效加工的基础理论、工艺方法、装备技术研究。

赵俊帅， 1992年出生，南京航空航天大学机电学院博士研究生。主要研究方向：超高强度齿轮超声振动辅助高效精密磨削加工技术研究。

赵彪， 1991年出生，南京航空航天大学机电学院副研究员、硕导。主要研究方向包括：航空航天高强韧难加工材料磨削机理与过程优化、高性能砂轮研发与制备、高效高品质磨削技术与理论研究。

主创作者团队主要研究方向

南京航空航天大学高效精密加工技术研究所依托“机械制造及其自动化”国家重点学科，以及江苏省“精密与微细制造技术”重点实验室、教育部“高效精密加工与装备技术”工程研究中心、省部共建“航空航天先进制造技术”协同创新中心等研究基地。在难加工材料及其复杂结构的高性能制造技术领域开展应用基础及工程应用研究。

在研和完成包括国家重点研发计划课题、两机专项、民机专项、04专项、国家973课题、国防基础科研、国防预研、国家自然科学基金集成项目/重点项目、省部科技计划等多层次、多类型的科研项目100余项。研究内容涉及高性能钎焊金刚石与CBN超硬磨料工具研制与性能评价、难加工材料加工性评价与工艺优化、难加工材料及其复杂结构高效精密加工工艺、绿色强化冷却等。相关研究成果获得国家科技进步二等奖1项、国防及省部级科技奖10余项。发表学术论文400余篇，授权发明专利70余件。部分研究成果已在航空航天制造领域获得工程应用。

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作者：丁文锋

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张强

审核：张强

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