【摘 要】
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齿轮作为机械传动系统中的关键构件,对机械装备的主要功能、使用寿命、可靠性与经济可承受性起着决定性作用。随着高端装备的发展,对齿轮的性能提出更高甚至是苛刻的要求,高速、高承载能力、高可靠性、长寿命等特点显得尤为突出。特别针对在复杂工况下服役的机械装备而言,高性能、长寿命齿轮的制造已成为装备创新及制造水平升级的主要瓶颈。超声辅助加工工艺,作为一种引入外界能量来实现制造表面创成的有效途径,能够精准的对输
【基金项目】
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2017年国家自然科学基金重点项目“高性能齿轮的抗疲劳制造基础理论与关键技术研究”（项目编号:U1604255）；
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齿轮作为机械传动系统中的关键构件,对机械装备的主要功能、使用寿命、可靠性与经济可承受性起着决定性作用。随着高端装备的发展,对齿轮的性能提出更高甚至是苛刻的要求,高速、高承载能力、高可靠性、长寿命等特点显得尤为突出。特别针对在复杂工况下服役的机械装备而言,高性能、长寿命齿轮的制造已成为装备创新及制造水平升级的主要瓶颈。超声辅助加工工艺,作为一种引入外界能量来实现制造表面创成的有效途径,能够精准的对输入界面的外部能量进行调控,从而获得预期的表面微观组织、形状精度和表面完整性,进而实现以形、性协同为目标的高性能制造。因此,结合超声加工的优势,在传统的齿轮成形磨削工艺基础之上,本文首次提出应用于渐开线齿轮的新加工工艺-齿轮超声成形磨削,并对磨粒-工件之间作用机理及加工后齿面的表面完整性进行探究。主要的研究内容如下:（1）研制齿轮超声成形磨削纵向谐振声学系统,并对力-热负载作用下系统的振动特性进行分析。首先,基于局部共振理论,建立由不同材料组成的齿轮纵向振动系统频率方程,并采用有限元分析和谐振试验相结合的方法对设计的系统进行验证。结果表明采用简化方法设计的纵向齿轮振动系统是合理的,同时,针对非均匀材料组成的振动系统,基于局部共振设计理论能够减小设计误差,提高其设计精度。其次,通过建立齿轮振动系统的力-热负载特性模型,并进行相应的试验,结果表明力-热负载对振动系统特性的影响存在补偿效应。（2）从微观角度对齿轮超声成形磨削磨粒-工件的分离特性进行探讨,并完成表面形貌的建模。首先基于齿轮成形磨削的几何学特性,以单颗磨粒为研究对象,对齿轮超声成形磨削过程中的运动特性进行分析,建立切向超声振动磨粒-工件切削系数理论模型,并分析磨削参数、超声参数对其影响规律,从理论上分析切向超声振动磨削加工过程中的分离切削效应。其次,在超声振动的作用下,结合齿轮渐开线的特点,考虑磨粒局部磨削参数的变化及磨粒-工件之间的干涉特点,建立齿轮超声成形磨削的表面微观形貌预测理论模型。基于理论模型,对普通磨削和超声磨削生成的表面形貌进行预测,结果表明超声磨削可以改善表面形貌。随着滚动角的增加,表面粗糙度逐渐增加,表面形貌平整度变差。（3）基于材料断裂去除与塑性堆积机理,并利用移动热源,结合齿轮成形磨削的特点,分别建立齿轮超声成形磨削的磨削力和磨削温度模型。首先,考虑在超声成形磨削过程中,磨粒与工件材料干涉的同时存在材料的断裂去除效应和塑性堆积效应,建立包含磨粒在耕犁阶段和切屑形成阶段的磨削力模型。其次,利用移动点热源,结合齿轮成形磨削过程中磨粒-工件的接触特点,建立运动持续发热线热源的温度模型,沿砂轮-齿轮接触面对渐开线热源进行积分,得到齿轮超声成形磨削的温度模型。通过试验对所建的模型进行验证,结果显示磨削力、磨削温度的预测值和试验值的变化趋势基本一致。与普通磨削相比,在超声振动作用下,磨削力和磨削温度均随着磨削参数和超声参数的改变而得到有效降低。（4）基于力热耦合作用,建立齿轮超声成形磨削的残余应力预测模型。基于赫兹接触理论和磨削过程的热量分配比,根据磨削过程中机械应力和热应力对残余应力的作用机制,获得二者作用下的应力场;基于随动硬化模型的增量塑性理论和Bauschinger效应的等向强化模型,综合考虑机械应力和热应力的作用,通过应力加载和释放,建立齿轮超声磨削加工的残余应力理论模型。通过对试验结果和仿真结果分析,表明所建立的齿轮超声成形磨削残余应力理论模型能够有效的对残余应力性质及分布状态进行预测。（5）采用单因素试验方法开展齿轮超声成形磨削试验,并分析磨削参数、超声参数对齿面表面完整性的影响规律。与普通磨削相比,随着砂轮转速、径向磨削深度、进给速度和超声振幅的变化,超声振动磨削下齿面的表面完整性（残余应力、显微硬度、显微组织、表面微观形貌和表面粗糙度）发生显著改变。在超声磨削过程中,磨削沟槽的深度虽有所增加,但分布相对均匀,且磨削沟槽比较平滑和规整,同时,磨削后工件表层的晶粒被细化。图126幅,表9个,参考文献199篇。
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