本文摘要：摘要：齿轮类零件是制约我国各类高端装备自主研发的核心基础件，齿轮表面质量对其长寿命、低噪声、高稳定性运行至关重要。在全面分析齿轮类零件多种不同光整加工工艺基础上，从形性协同、一体化普适高效加工的角度明确了滚磨光整加工工艺改善齿轮类零件表面完整性的优
摘要：齿轮类零件是制约我国各类高端装备自主研发的核心基础件，齿轮表面质量对其长寿命、低噪声、高稳定性运行至关重要。在全面分析齿轮类零件多种不同光整加工工艺基础上，从形性协同、一体化普适高效加工的角度明确了滚磨光整加工工艺改善齿轮类零件表面完整性的优势。在综合概述滚磨光整加工基本特征后，全面系统的综述了国内外有关齿轮类零件滚磨光整加工技术的研究与应用现状，归纳总结了不同工艺的技术原理、特点及适用范围。针对齿轮类零件滚磨光整加工现阶段存在的不同问题，立足优质高效、绿色普适和产业化实用的高质量发展理念，从齿轮结构特征、滚磨光整方式、加工表面演化、复合加工机理、介质基本特征和改性工艺组合等方面提出了系统的新思考、新策略，对进一步推进齿轮类零件滚磨光整加工技术不断升级发展有积极的参考与借鉴。
关键词：滚磨光整加工;齿轮类零件;表面完整性;形性协同抛磨;颗粒流场
我国装备制造业大而不强的重要原因是工业基础能力薄弱，尤其是核心基础零部件、关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础(简称：工业四基[1])难以满足重大装备整机需求而大量依赖进口。齿轮作为核心基础零部件，直接决定着整机性能和可靠性，是制约重大装备发展的“瓶颈”之一。目前，我国齿轮加工大多还停留在成形制造阶段，生产的大多数齿轮在寿命、承载能力或可靠性方面无法满足汽车自动变速器、航空航天、大型能源装备、机器人、高铁驱动单元等高端装备的配套要求，对外贸易逆差近100亿美元[2]。
因此，齿轮的形性协同制造是我国齿轮制造业从中低端向高端转变的必经之路。处于高转速、大扭矩、高功率密度、交变载荷等复杂工况的齿轮，易发生轮齿折断、齿面磨损、齿面胶合、点蚀、剥落、塑性变形等失效，严重影响传动系统的可靠性[3]。据日本机械学会对各行业的齿轮传动失效实例调查研究发现，约74%的齿轮传动副失效因齿轮表面疲劳而引起[4]。齿轮的表面完整性(包括表面粗糙度、表面形貌、显微硬度、残余应力、微观组织等)是影响其服役性能和使用寿命的关键，对齿轮进行光整加工可有效改善其表面完整性[5,6]。
为了实现高性能齿轮的国产化替代，适应齿轮高强度、低噪声、高精度、长寿命的多目标要求，结合表面完整性制造与抗疲劳制造技术的发展方向[7,8]，在原有成形制造精度基础上，探索低成本、高效率、高质量的齿轮表面光整加工技术势在必行。传统齿轮光整加工工艺主要包括研齿、珩齿和磨齿等[6]。研齿时齿轮必须成对使用且不能互换，加工废品率较高。在珩齿过程中珩磨轮使用寿命有限，需经常修整，且加工质量依赖操作者的经验，导致加工效果不稳定。磨齿设备昂贵且存在磨削烧伤的风险，产生的表面纹理具有明显的方向性且与啮合线平行，易引起齿面沟槽间相互咬合，造成齿面失效。当前国内外齿轮表面改性或光整加工工艺主要有喷丸强化、激光冲击强化、磨料流、电化学光整、滚磨光整加工等。
喷丸强化[9]会使齿面产生残余压应力，硬度、晶粒细化程度增加，从而提升齿轮承载能力，但引起的齿面粗糙度升高制约了齿轮使用性能的提升，需辅以其他齿面光整加工工艺来进一步改善。激光冲击强化(也称激光喷丸)[10]适用于狭小空间，参数可精确控制，残余应力更大，可显著改善齿轮的弯曲疲劳性能;但前后预处理工艺较繁琐。磨料流加工[11]采用粘弹性磨料介质对工件进行去毛刺、抛光和倒圆，降低齿面及齿根部位的粗糙度，改善齿面应力分布状态和耐磨性，降低啮合噪声，加工形成的齿向中凸可起到齿轮修形作用;但夹具设计成本高、齿面粗糙度降低幅度有限等因素限制了其应用。
电化学[12]及其复合光整工艺如脉冲电化学光整[13]和电化学机械光整[14]，均为非接触式光整加工，阴极工具没有损伤且不受齿面硬度和材料的影响，形成的“高原型”微观几何形貌提高了齿面的接触面积，降低了摩擦系数，使得齿面磨损量减少、噪声降低;但电化学加工对表面应力状态改善不明显。滚磨光整加工工艺[15]可去除齿轮齿面的飞边、毛刺等表面缺陷，棱边倒圆，去除微观裂纹;能提高齿面的粗糙度等级，明显改善齿面形貌和加工纹理;提高表面显微硬度及耐磨性，改善齿面应力状况，大幅延长齿轮的疲劳寿命;提高齿面清洁度和外观光亮度等，可综合改善齿轮类零件的表面质量和表面完整性，提高齿轮承载能力和传动性能，进而提高产品的使用性能和可靠性。
1滚磨光整加工技术基本特征
1.1滚磨光整加工内涵
滚磨光整加工作为一类典型的、常用的、有效的表面完整性制造工艺，可以在保持精度的同时对影响零件表面完整性的多指标综合改善[16]。加工时，具备研磨、抛光、光饰和微量磨削等功能的颗粒介质(滚抛磨块)和具备清洗、防锈、腐蚀、软化、光亮、发泡、润滑、缓冲等功能的辅助介质(磨液和水或滚光油)，依据一定的几何约束(容器)和运动约束可以构成一个强制介质流场。被加工工件以自由或不同的预设运动方式约束保持在强制的动态平衡的介质流场中，经过一定的加工时间及这个时段内合理的运动矢量调控，实现对被加工工件表面的光整加工。
在相对运动的作用下，颗粒介质以不同程度的作用力对工件表面进行碰撞、滚压、滑擦、刻划等综合的微量磨削作用，旨在提高工件表面质量，改善表面完整性，进而提高零件的服役性能。Hashimoto等[17]工业发达国家的权威专家联合发表包括滚磨光整加工工艺(如：VibratoryFinishing)在内的高性能零件精磨技术综述，并对比了不同工艺可实现的重要形性加工指标(表面粗糙度、切向力法向力、残余应力、比能量)，由此可看出滚磨光整加工技术具有良好的形性协同抛磨优势。
滚磨光整加工的主要优点是：1)可以实现不同大小、不同形状和不同材质零件的批量加工;2)可以一次性全方位加工到各种零件的几乎所有复杂结构部位;3)可以同时对影响零件表面完整性的多指标综合改善;4)对加工设备的制造精度要求低，相应的设备维护和介质消耗总体费用相对较低。广泛应用于零件综合去毛刺、棱边倒圆、清洁、除锈、表面改性等。
滚磨光整加工是一个多参数输入输出的系统，根据加工介质的状态通常分为[18]：干式滚磨和湿式滚磨，由于干湿状态下介质的流动特性不同，造成零件材料去除量、表面粗糙度及棱边圆角的变化情况等加工差异性[19]。滚抛磨块和液体介质作为滚磨光整加工中的重要介质，对工件的加工效果影响极大，探索不同材质、形状的滚抛磨块0]及磨液1,对加工后表面质量的影响规律及各自的作用机理，有助于揭示加工中的机械化学耦合作用并开发绿色滚磨光整加工工艺。
滚磨光整加工已用于多个领域高性能零件的抛磨23，其运动方式包括：回转式[2,2、振动式[2,2、涡流式[2、离心式[2、主轴式(旋流式30、叉轴式、卧式主轴式、拖曳式)等，具有各自的特点和适用范围。在改善零件表面微观组织和力学性能方面，Kacaras等4]采用转速76~600r/min的旋流式滚磨工艺加工AISI4140钢，经测试表面纹理纵横比Str从0.06到0.72(Str>0.5，表示各向同性)，产生600~660MPa的残余压应力且深度随加工时间的延长和转速的增大而显著增加，在近表面区域产生加工硬化，观察到深度为μm的晶粒细化。
工件固定于振动式滚磨光整设备中加工时称为振动强化或振动喷丸(VibratoryPeening)，Kumar等5]对镍基高温合金试件采用传统喷丸SP(ShotPeening)、振动喷丸VP及SP+VP三种工艺进行加工，对比表面及亚表面的微观组织和力学性能，晶粒尺寸分布如图，可以看出加工后表层晶粒细化;残余应力沿试样深度的变化如图，VP加工后试样表面及峰值残余应力相对较低但影响深度更大，且经650℃的高温松弛试验后，VP的残余应力松弛低于其他两种工艺，表明其热稳定性好，适用于加工高温下运行的航空发动机部件。
滚磨光整加工兼具抛光和强化的作用，针对齿轮类零件，根据其材质、齿槽特征、尺寸大小、初始表面状况、棱边毛刺、加工要求、生产批量等，选择合适的容器、加工介质及强制运动方式可实现高效形性协同抛磨，加工后形成无方向性的表面纹理，改善齿轮的表面完整性，减少齿轮系统的振动和噪声，减小甚至消除磨合期，降低点蚀失效的可能性[3638]，是一种最具市场应用前景的齿轮光整加工工艺。
Mallipeddi等39比较了磨齿、珩齿和滚磨光整加工的齿轮表面形貌，滚磨光整加工产生的表面呈现各向同性，未出现类似磨齿、珩齿后规则的方向性沟壑状纹理，表面粗糙度Ra分别为0.32μm、0.16μm、0.08μm;利用FZG齿轮试验机进行磨合及效率测试，观察表面状态演化规律发现微点蚀的产生与表面粗糙度有关，相同测试条件下，磨齿和珩齿齿轮均出现微点蚀，而滚磨光整加工的齿轮未发生。Koenig等[4,4测试了磨齿、喷丸、喷丸滚磨光整加工后齿轮的接触疲劳强度，从中可以看出，喷丸、喷丸滚磨光整加工的齿轮接触疲劳极限分别提升11%、21%，抗点蚀能力提高。以上研究验证了滚磨光整加工工艺在提升齿轮类零件性能方面的潜力和优越性。
1.2材料去除机理分析
滚磨光整加工过程涉及物理作用、化学作用、物理化学耦合作用，难以全面定量分析，目前的研究表明材料去除过程中以机械作用为主，即主要由滚抛磨块的滑动或滚动去除材料[17]。同时滚磨光整加工是一个多尺度的过程且各尺度间联系紧密，加工介质流场的宏观运动在介观尺度上影响局部介质与工件的接触力和相对速度，在微观尺度上影响单个滚抛磨块与工件表面微凸体相互作用产生的划痕。
因此预测模型的开发需考虑作用机理及相关尺度，现有预测模型大都围绕纯机械作用或化学作用建立在单一尺度上。机械作用方面，在大量实验和经验的基础上，一些研究人员提出了材料去除率或表面粗糙度的唯象模型。如Li等42建立了立式离心式滚磨光整加工零件表面粗糙度的回归分析预测模型。Jamal等43建立了旋流式与拖曳式滚磨光整加工的表面粗糙度回归分析预测模型。
2齿轮类零件滚磨光整加工技术现状
齿轮类零件材料不一，尺寸不等，种类多样，在大批量滚磨光整加工时需考虑设备通用性，加工高效性，成本经济性，批量加工的可行性、均匀一致性。现阶段国内外齿轮类零件滚磨光整加工技术根据运动方式主要分为：振动式、主轴式、组合式等。
2.1齿轮类零件振动式滚磨光整加工
振动式滚磨光整加工技术广泛应用于各个领域零件清洁、除锈、去毛刺、去飞边、倒圆、表面抛光。国内外研究人员47,5057通过实验研究、测试分析、模拟仿真、模型预测等方法考察了振动式滚磨光整加工中的关键变量，如设备频率、振幅，介质特征参数，工件的位置、方向等对工件的材料去除率、表面完整性(表面粗糙度，残余应力，硬度等)的影响规律。常用的振动式滚磨光整设备分为立式和卧式58，容器类型包含环形碗状和形槽状等，齿轮可自由放置在容器中进行抛光和去毛刺，受流场空间及零件装入量所限难免产生磕碰现象，适用于精度等级较低的小齿轮的抛光和去毛刺。
立式振动式设备亦可用于加工大型齿轮或齿圈，该工艺将齿轮以端面固定在容器中心，容器中的颗粒介质与液体介质(以下简称液粒介质)在激振力作用下形成特定形式的运动，与齿轮表面产生一定的相对作用力，实现齿轮表面的光整加工。卧式振动式滚磨光整设备可用于中型齿轮零件的加工，将齿轮支撑在两端同轴的大圆盘上，整体自由放置在卧式振动形槽中，槽中介质在器壁振动作用下完成齿轮表面的光整加工。
国内外已将振动式滚磨光整技术广泛应用于各领域的齿轮类零件，研究多集中在加工后成性指标检测及齿轮性能台架试验。乔金维等60通过振动式滚磨对磨齿后的直齿圆柱齿轮进行加工，使齿面粗糙度Ra由0.355μ降低至0.114μ，齿面间的摩擦磨损减小;齿面压应力由714MPa提高到849MPa;齿面粗糙度减小使得微观接触面积增加，提高了接触刚度;采用封闭功率流式齿轮试验机进行了对比试验，发现振动式滚磨加工对齿轮系统起到了减振降噪的作用。王道勇等61对振动式滚磨处理和未处理的齿轮采用两种方案进行了接触疲劳试验，运用罗卡提疲劳极限快速测定法测出振动式滚磨加工齿轮的疲劳强度提高14.8%，恒定载荷工况测定法得出齿轮疲劳寿命提高大于500%。
曲敬渊等62利用齿轮试验机对振动式滚磨光整和未光整的两对设计参数相同的直齿圆柱齿轮进行了运转试验和油液分析，结果表明：光整齿轮寿命(46.5h)较未光整齿轮(27h)提升1.7倍;磨损速度显著降低，跑合时间缩短1/5。Snidle等63对振动式滚磨加工后的直升机传动齿轮进行了检测分析，参数包括齿形齿廓偏差、齿距偏差、径向跳动、平均齿厚及表面三维形貌、粗糙度等，报告显示该工艺在确保齿廓及齿形精度的基础上将齿面平均粗糙度Ra从0.4μ降至0.050.1μ。
Britton等64对磨齿与振动式滚磨加工齿轮进行了摩擦损失台架试验，在5000r/min的最高转速下，光整加工齿轮比磨齿齿轮的摩擦功率损失减小30%，工作温度降低约10℃;这些改善若用于航空发动机风扇驱动的大功率减速齿轮，则可减少冷却设备的重量和成本。Krantz等65通过恒定工况下的台架试验，对磨齿和振动式滚磨光整加工的AISI9310钢齿轮进行了疲劳寿命测试，结果表明在91%的置信水平下，滚磨光整加工齿轮的疲劳寿命延长10%。
上述传统振动式滚磨光整工艺加工时间较长，通常为几个小时甚至十几个小时，加工效率较低。为提高材料去除率，减少加工时间，美国REM公司66聚焦化学作用，开发了化学加速振动抛光工艺CAVF(hemicallycceleratedibratoryinishing)，也称为各向同性超精加工工艺ISF(IsotropicSuperfinishing)，将特殊配方的弱酸性化学助磨剂(PH≈5.5)加入振动光整工艺中，该液体活性化学剂在工件表面形成约1µm的软化层，滚抛磨块与工件的相互作用清除了表面的软化层及微观凸峰。
新暴露的金属表面重新形成软化层，不断被磨去又再生成，直至达到所需的材料去除量或表面粗糙度;之后停止加入助磨剂，并将碱性清洁化学剂加入设备以去除工件表面的弱酸性化学剂残留，完成工件的光整加工。ISF工艺结合了化学作用与机械作用，Song等67人研究发现为了获得高质量的表面完整性，必须使表面软化层的形成速度与机械作用对材料的去除速度保持良好的平衡。Michaud等68检验发现ISF工艺不会影响齿轮的齿形齿向精度且弱酸性化学助磨剂不会引起齿轮的晶间腐蚀和氢脆现象。
ISF工艺在国外已经成熟,70且作为齿轮类零件光整加工及修复7173的常规工艺，美国齿轮制造业协会(AGMA)及诸多研究人员通过使用性能测试证明了ISF工艺在航空航天7478、重型机械、风电、汽车81等领域的应用价值，加工时间显著减少且齿轮性能优势凸出，如齿轮的承载能力和耐用性提高，工作温度降低，点蚀或微点蚀的发生几率减少。ISF工艺的加工余量约为0.01mm，对齿轮的初始表面精度要求较高，一般在齿轮齿根部位表面粗糙度和形位公差完全合格的精磨基础上进行加工82，且该工艺对齿面硬度的提升较小。
2.2齿轮类零件主轴式滚磨光整加工
主轴式滚磨光整加工的设备类型包含旋流式、叉轴式、拖曳式、卧式主轴式。旋流式滚磨光整加工是将安装在主轴上的齿轮竖直插入装有液粒介质的滚筒中，通过主轴与滚筒绕各自轴线的正反向回转，实现对齿轮表面的光整加工。该工艺因其加工效率高，已应用于多家齿轮生产厂，其为廊坊市北方天宇机电技术有限公司生产的BJG-X400B旋流式滚磨光整设备加工齿轮的状态。
“2020年中国(国际)光整加工技术及表面工程学术会议”的相关报告中公开的某特种齿轮加工工艺流程所涉及的滚磨光整也采用旋流式滚磨光整加工方法。赵光辉等83基于齿轮分形接触强度理论和赫兹理论，分析了主轴式滚磨光整齿轮与传统磨削齿轮的表面形貌对齿轮接触应力的影响，滚磨光整工艺可以使齿面粗糙度得到有效改善，表面微观纹理趋于各向同性，通过疲劳极限Locati快速测定法进行对比试验，得出接触疲劳极限从1651MPa提高至1890MPa。
Hashimoto等84对磨齿和喷丸强化处理后的齿轮进行旋流式滚磨光整加工，增加了齿轮竖直方向的往复运动，经齿轮疲劳试验机对比测试发现齿面弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均有所增强，改善了齿轮啮合时的润滑状态且齿面不易发生点蚀失效。旋流式滚磨光整工艺对齿顶的加工效果较好，对齿根及垂直于回转轴线端面的加工效果较差;且主轴转速较高时易在齿轮轴轴颈处出现滚抛磨块运动的环形痕迹;加工过程中液粒介质对工件表面的作用力受加工深度的影响较大，因此适用于齿宽较小的齿轮类零件。
主轴式滚磨光整加工中滚筒静止，主轴绕自身轴线正反向回转或做行星运动时称为拖曳式滚磨光整加工。anas’ev等85通过实验评估该工艺加工齿轮的有效性，将齿轮浸入装有黑碳化硅磨块的滚筒并以3000r/min的转速正反回转各1min，分别测试了三种粒度磨块及其等比例混合磨块的加工效果，加工后齿轮端面倒圆，圆角值从齿根到齿顶非线性增大且上下端面有差异，小尺寸磨块加时倒圆半径较小，混合磨块可更均匀地去除材料。
Frechette等8687为适应汽车行业齿轮大批量加工的需求及准时制生产方式，提出化学加速拖曳式滚磨光整工艺，图为其加工设备，设计的磁性夹具可实现汽车后桥准双曲面齿轮组的一次性加工;该工艺是将齿轮组固定在旋转台上，浸没在装有陶瓷介质的滚筒中，并加入约50℃的弱酸性化学助磨剂，齿轮绕自身轴线回转且绕旋转台公转，可在10min内将工作齿侧表面粗糙度值从Ra0.560.57μ减小至Ra0.070.09μ，经测试满足客户对噪声、振动、声振粗糙度(VH)的要求，显著改善齿面啮合区的摩擦，汽车燃油经济性提高0.5%，减少温室气体的排放。
2.齿轮类零件组合式滚磨光整加工
由于传统运动方式的滚磨光整加工方式均有其局限性，因此针对零件不同应用场合的特定加工需求，改善形性协同抛磨作用并提升加工效率，太原理工大学零件表面光整加工团队开发了多种滚磨光整加工组合工艺，进行了机理分析、模拟仿真及实验研究，为齿轮类零件滚磨光整新工艺的开发鉴定了基础。
针对油泵齿轮对端面质量及批量加工效率要求高的实际需求，杨胜强等91提出一种往复旋流复合光整加工工艺，该工艺方案基于旋流式滚磨光整加工设备，增加了一个竖直方向的凸轮升降机构，一次性可加工多个齿轮。王琦92从理论上分析了齿轮在往复旋流复合光整工艺下任意点的切削速度和切削角的变化规律，升降运动使得齿轮端面产生了轴向端面切削角，采用BJG-X1400旋流式滚磨光整设备进行对比实验，证明该工艺可在保证加工效率和油泵齿轮齿面质量的同时，改善油泵齿轮的端面质量。
针对汽车高端变速箱同步器齿套梅角棱边倒钝和毛刺去除的生产难题，杨胜强等93研发了自动夹具以及专用浮动式工装，能够实现齿套内外圈或其他对内外圈有光整要求的环形零件的一次性整体表面处理，加工后的棱边圆滑倒钝，毛刺去除且棱边去除量在公差范围内。
由于大中型盘类零件各部位的速度差异大，表面加工不均匀性明显增加，为了有效解决加工差异性，李文辉等94提出一种垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺，该工艺中齿轮与滚筒的回转轴线在空间上相互垂直，滚抛磨块与齿轮表面的相对运动是通过滚筒的回转、齿轮的回转与摆动来实现的，该加工方法能够一次性全方位地实现齿轮各部位去毛刺、抛光及表面力学性能改善，齿廓表面加工均匀性好，表面粗糙度等级提高1~2级，加工后能在齿廓表面形成残余压应力，齿根部位应力集中改善明显，该方法也可适用于小型齿轮光整。谢盼新对齿轮的垂直交叉主轴式滚磨光整加工工艺进行了理论分析、仿真及实验研究，考察了各工艺参数对加工效果的影响。
3关于齿轮类零件滚磨光整加工技术发展的思考
现有滚磨光整设备难以满足不同应用场合的高性能齿轮的多目标加工需求，而采用相同光整工艺加工的齿轮具有趋同的性能，装机啮合后整机性能最佳，因此基于系统工程思维，针对齿轮类零件的不同结构特征、材料特性、加工基础、加工目标实施有针对性的分类发展策略，重点分析齿槽半封闭构形特征、棱边及槽口去毛刺及倒圆、齿根和齿顶的加工均匀性要求及限制，研发适用于不同齿轮类零件批量化生产的滚磨光整加工工艺，具体涉及干湿式滚磨光整加工方式、运动方式、加工介质特征与齿槽结构的匹配关系、加工机理、精加工工序优化、整机性能等方面的研究。
3.1齿轮类零件干式滚磨或湿式滚磨的差异性研究
滚磨光整加工通常采用干式滚抛磨块颗粒体系或滚抛磨块和液体介质两相流场来进行，借鉴相关领域及学科关于颗粒物质理论、多相流理论的最新研究方法和成果，基于离散元有限元法、统计分析方法，确定加工介质的本构关系和接触模型，模拟仿真研究加工介质的流场特征、速度场分布、力链、碰撞次数等时空演变规律。
并通过光弹实验、声发射技术、CT成像技术、粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)等测试方法对颗粒尺度上各磨块的受力状态、力链网络结构、滑动和滚动磨擦、碰撞变形、位移特征等参量进行展现、捕捉和追踪，与仿真结果进行对比验证，有助于解释不同边界条件及干湿状态下加工介质的流场特征及其运动学及动力学行为、介质与齿面接触力分布等方面的差异性;分别测试干式及湿式滚磨光整加工后齿轮的表面完整性(表面粗糙度、表面形貌、残余应力、金相组织等)、材料去除量、棱边圆角等指标变化情况，构建主要成性指标与介质流场特征参数的关系模型，为揭示加工后齿轮各成性指标差异的产生机理提供科学依据。
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作者：杨英波1,2，李文辉*1,2，李东祥3，侯圣文4,5，杨胜强1,2
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