本发明专利技术公开了一种齿轮表面微织构激光加工方法与装置，加工方法包括以下步骤：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；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；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。装置包括基座、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。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。无污染等优点。无污染等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种齿轮齿面微织构激光加工方法与装置
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]齿面微织构的减磨润滑机理主要包括以下六个方面：
[0005](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。
[0006](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。
[0007](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。
[0008](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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
技术实现思路
[0013]本专利技术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。
[0014]本专利技术提供的这种齿轮齿面微织构激光加工方法，包括以下步骤：
[0015](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；
[0016](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；
[0017](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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一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。2.如权利要求1所述的齿轮齿面微织构激光加工方法，其特征在于：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。3.如权利要求1所述的齿轮齿面微织构激光加工方法，其特征在于：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。4.如权利要求1所述的齿轮齿面微织构激光加工方法，其特征在于：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。5.如权利要求1所述的齿轮齿面微织构激光加工方法，其特征在于，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。6.如权利要求1所述的齿轮齿面微织构激光加工方法，其特征在于，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。7.一种适用于权利要求1
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6之一所述加工方法的加工装置，其特征在于：该装置包括基座、升降...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈志，吴致诚，吴程，杨泽丰，李治作，王文龙，陈岳督，鲁双，胡佳雯，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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