為了揭示成形砂輪磨削齒輪表面形貌的分布特征及其對摩擦學(xué)特性的影響機(jī)制，開展了磨削表面不同角度方向的紋理特征、粗糙度評定參數(shù)、摩擦磨損性能的對比分析試驗(yàn)。研究表明：隨著角度θ在0。一90。增長時(shí)。表面形貌的粗糙度微觀不平高度、溝紋深度、均勻性與規(guī)則性均先逐漸增大。直至45。時(shí)表面紋理最為復(fù)雜且表面粗糙程度最大，然后又略有所改善；凸峰形態(tài)尖峭程度先減弱，直至15。紋理方向達(dá)到最小。然后再逐漸增大；粗糙度微觀不平間距逐漸減小。在流體潤滑摩擦狀態(tài)下。微觀不平高度特性Ra越大，動(dòng)壓潤滑效應(yīng)減弱。邊界潤滑效應(yīng)越顯著。摩擦磨損機(jī)制是塑性變形與微切削作用。以及磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損等的耦合作用。
微晶剛玉砂輪成形磨削齒輪技術(shù)已經(jīng)被廣泛適用于20CrMnTi、8620H等淬硬齒輪的高精度加工。磨削加工表面形貌對齒輪傳動(dòng)過程中的接觸狀態(tài)、摩擦學(xué)特性、失效形式、使用壽命等都有重要影響。
目前，國內(nèi)外學(xué)者從摩擦試驗(yàn)、磨損理論與數(shù)值分析等方面對不同材料加工表面的摩擦系數(shù)、磨損率、潤滑等摩擦學(xué)特性展開了較多研究。J F Archard最先提出著名的Archard粘著磨損計(jì)算模型。Monaǒoqvist采用有限元方法模擬表面磨損形貌隨時(shí)長的變化關(guān)系。馮存傲等人在不同粘度潤滑油狀態(tài)下分析了20CrMnTi鋼的摩擦疲勞失效特征。姚玉鵬等人研究了不同接觸載荷和滑動(dòng)速度對42CrMo一17CrNiM06摩擦副的摩擦磨損性能與機(jī)制。然而，偏重于考慮表面形貌特征隨紋理方向的差異性對摩擦學(xué)特性影響的相關(guān)研究文獻(xiàn)材料卻非常少。本文揭示了不同角度方向的紋理特征與粗糙度特征、摩擦學(xué)特性的變化規(guī)律．為探究成形砂輪磨削齒輪表面的微觀形貌特征及其對摩擦學(xué)特性的影響機(jī)制研究提供重要參考價(jià)值。
1試驗(yàn)研究方法
以北京機(jī)電研究院的BV一75立式加工中心為平臺(tái)，開展齒輪的成形磨削加工試驗(yàn)。成形砂輪采用國機(jī)精工自主研發(fā)的新型微晶剛玉砂輪，尺寸規(guī)格為Ф200 mmX20 mmX Ф32 mm，許用線速度可高達(dá)45～63 m／s。齒坯件材料為20CrMnTi滲碳淬火鋼，模數(shù)為4 mm，壓力角為20。，齒寬為30 mm。試驗(yàn)采用3因素4水平構(gòu)建了16組正交試驗(yàn)．磨削速度分別為35、45、55、60 m／s，軸向進(jìn)給速度分別為1 500、3 500、5 500、7 500 mm·min．徑向進(jìn)給量分別為0．2、0．25、0．3、0．4 mm。試驗(yàn)過程均采用水基磨削液冷卻。
采用LINKS 2300A—RC式接觸式表面輪廓儀測量磨齒表面粗糙度參數(shù)。在每組試驗(yàn)參數(shù)條件下的磨齒表面的0。、15。、45。、90。四個(gè)紋理方向分別各隨機(jī)開展三組表面粗糙度測量。采用天準(zhǔn)影像測量儀，以放大160倍率觀察磨齒表面形貌，且每組加工參數(shù)條件下的磨齒表面均各隨機(jī)采集3幅圖像。微晶剛玉砂輪成形磨削齒輪表面形貌，如圖1所示。以平行于加工痕跡的方向?yàn)?。紋理方向，而相對于加工痕跡方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過θ角的方向，則為θ紋理方向。基于MATLAB軟件采用壓縮灰度級為160，步長為5構(gòu)建灰度共生矩陣，提取48幅圖像在O。、45。、90。、135。四個(gè)紋理方向的對比度、逆差距、熵、相關(guān)性四項(xiàng)紋理特征。
圖1成形法磨削齒輪表面形貌
將輪齒切割成塊。采用MFT4000往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分別測試在干滑動(dòng)接觸和動(dòng)壓潤滑時(shí)的摩擦系數(shù)。采用ф2 mm氮化硅陶瓷圓球在磨齒表面往復(fù)摩擦速度為240 mm／min，加載荷為30 N，摩擦?xí)r間為20 min。流體潤滑劑采用黃殼HX5礦物質(zhì)機(jī)油。摩擦試樣表面的磨削參數(shù)為：磨削速度55 m／s，軸向進(jìn)給速度5 500 mm／min．徑向進(jìn)給量0．2 mm。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1磨削表面紋理特征分析
如圖2所示，磨齒表面存在微觀加工痕跡。磨削表面微觀形貌體現(xiàn)出磨粒的雜亂劃痕與磨削缺陷在工件表面的分布形態(tài)。由于圖像灰度分布在空間位置上反復(fù)變化，形成了復(fù)雜而近似規(guī)則的紋理。磨削表面空間信息和圖像灰度信息存在相對應(yīng)的聯(lián)系。
圖2磨削表面形
對比度反映了紋理溝紋深淺程度。熵反映了圖像紋理的非均勻、復(fù)雜程度。逆差距反映了紋理的均勻性與同質(zhì)性。相關(guān)性反映了紋理的方向性、相關(guān)性，以及相似程度。統(tǒng)計(jì)分析48幅灰度圖像在0。、45。、90。、135。四個(gè)紋理方向的對比度、熵、逆差距、相關(guān)性四項(xiàng)紋理特征的均值，如圖3所示。
圖3a為對比度、熵兩個(gè)紋理特征隨紋理方向的變化；圖3b為逆差距、相關(guān)性兩個(gè)紋理特征隨紋理方向的變化。在0。紋理方向時(shí)，對比度最小，紋理的溝紋最淺，表面微觀不平高度最小。熵最小，且逆差距和相關(guān)性最大，局部灰度變化較弱，紋理均勻程度最好，排列規(guī)則。在平行于加工痕跡方向的0。紋理最規(guī)則與均勻。當(dāng)在450或135。紋理方向時(shí)，對比度最大，溝紋深度最大，表面微觀不平高度最大；熵最大，且相關(guān)性與逆差距最小，紋理變化最不規(guī)則，均勻性最差。因此，磨削表面在不同紋理方向的“紋理基元”變化存在差異。當(dāng)角度θ在0。～90。由小變大的過程，表面紋理的均勻與規(guī)則程度逐漸變差，直至45。方向時(shí)最惡劣．然后在接近垂直于加工痕跡的90。紋理方向又略有所改善。
圖3不同紋理方向的紋理特征
圖4為不同紋理方向θ的表面輪廓微觀不平高度特征Ra(即算術(shù)平均偏差)與微觀不平間距特征Ram。的均值分布。可見，微觀不平高度特征參數(shù)Ra在0。紋理方向的最小。隨著角度θ在0。～90。不斷增大，表面輪廓曲線先越加粗糙，至45。紋理方向時(shí)的微觀不平高度特征參數(shù)Ra達(dá)到最大值，然后又逐漸減小。表面微觀粗糙度與紋理存在密切聯(lián)系的內(nèi)在關(guān)系。對比度越大，表面紋理溝紋越深，表面形貌的微觀不平高度特性參數(shù)越大。微觀平均間距參數(shù)Ram反映了輪廓曲線的峰谷分布密集程度。可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力集中效應(yīng)的分析和評估。磨削表面凹凸起伏的輪廓峰谷附近容易形成明顯應(yīng)力集中效應(yīng)。當(dāng)紋理方向角度在0。～90。逐漸增大時(shí)，微觀不平間距特征參數(shù)Ram逐漸減小。在90。紋理方向的Ram均值最小，輪廓峰谷分布越密集，輪廓谷尖端曲率半徑越小，應(yīng)力集中效應(yīng)最顯著。偏態(tài)系數(shù)Rsk和峰態(tài)系數(shù)Rku均為表面輪廓曲線的分布形狀參數(shù)。偏態(tài)系數(shù)與峰態(tài)系數(shù)越大，輪廓曲線的凸峰越偏向于尖峭，承載能力越弱。圖5為不同紋理方向的分布形狀參數(shù)均值。隨著紋理方向的角度θ在0。～90。逐漸增大時(shí)。表面輪廓波峰形態(tài)的尖峭程度先減小，然后又增大。在0。、90。兩個(gè)紋理方向的表面輪廓波峰形態(tài)最為尖峭。四個(gè)紋理方向的偏態(tài)系數(shù)Rsk均介于0—0．4，峰態(tài)系數(shù)Rku介于3-4。因此，各個(gè)紋理方向的輪廓曲線的凸峰形態(tài)均以尖鋒態(tài)為主，且表面輪廓曲線的隨機(jī)性服從正態(tài)分布概率函數(shù)。
圖5不同紋理方向的輪廓分布形狀參數(shù)
2．2磨削表面摩擦學(xué)特性分析
在流體潤滑條件下。開展表面紋理方向?qū)α黧w潤滑性能的影響研究，如圖6所示。四個(gè)紋理方向的摩擦系數(shù)均較平穩(wěn)，沒有干滑動(dòng)摩擦?xí)r的較大變化，說明流體潤滑有明顯改善摩擦性能。在0。、15。紋理方向的摩擦系數(shù)較小，平均摩擦系數(shù)分別為0．103、0．112，為典型的混合潤滑狀態(tài)。表面在0。、15。紋理方向也存在較多的微凸體直接接觸。存在較多的邊界潤滑狀態(tài)。然而，仍有部分表面微凸體還被流體動(dòng)壓膜隔開，處于動(dòng)壓潤滑狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)摩擦副表面發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘性流體潤滑膜被帶人表面輪廓收斂的峰谷間隙中，可形成楔形動(dòng)壓效應(yīng)，承受了部分外載荷。在45。、90。紋理方向的平均摩擦系數(shù)較大，分別大于0．146、0.134。由于45。、90。紋理方向的粗糙度微觀不平高度特性參數(shù)均較大，表面大部分存在較多微凸體相互接觸，增強(qiáng)了邊界潤滑狀態(tài)的比重。表面輪廓粗糙度值越大，動(dòng)壓潤滑效應(yīng)減弱，邊界潤滑效應(yīng)越顯著。
圖6流體潤滑狀態(tài)下的摩擦過程
潤滑狀態(tài)下的磨損表面微觀形貌，如圖7所示。工件磨損表面存在明顯的犁溝與塑性變形特征。且伴有顯著的材料遷移的粘著磨損痕跡。工件表面主要磨損形式為劃擦磨損、粘著磨損與磨粒磨損。由于摩擦過程處于混合潤滑狀態(tài)下，較多的微凸體受到強(qiáng)烈的擠壓作用與往復(fù)循環(huán)的摩擦作用。當(dāng)微凸體內(nèi)部高剪切應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)。材料被不斷摩擦脫落形成磨屑．且容易在表面伴生疲勞損傷。
圖7磨削表面的磨損形貌
采用SEM顯微電鏡觀察點(diǎn)蝕坑部位的微觀形貌，如圖8所示。工件磨損表面形貌存在明顯的磨粒磨損、粘著磨損、疲勞損傷，以及擦傷溝痕與塑性變形等特征。摩擦副在法向載荷作用下緊密接觸且往復(fù)運(yùn)動(dòng)．微凸體被擠壓與剪切的綜合作用．引發(fā)材料塑變偏移且被推向兩側(cè)或前方，先形成微小的塑性隆起再被壓實(shí)。摩擦熱量也使得材料軟化，在磨損表面形成了平行于滑動(dòng)方向的粘附痕跡。工件表面材料受到微切削作用，產(chǎn)生硬質(zhì)碳化物磨屑。磨屑參與劃擦與微切削作用，在表面形成一些平行于滑動(dòng)方向的長條溝痕。當(dāng)表層塑性變形累積到一定程度時(shí)，溝痕等微缺陷的存在誘發(fā)應(yīng)力集中，形成許多與滑動(dòng)方向近似垂直的微裂紋。隨著萌生的微裂紋數(shù)量及擴(kuò)展長度逐漸增加，形成面積較小且邊緣極不規(guī)則的點(diǎn)蝕，使得材料被疲勞剝離而又形成硬質(zhì)磨屑。微點(diǎn)蝕不斷聚集增多且形成連通．導(dǎo)致局部區(qū)域損傷面積及深度不斷增加。
圖8疲勞點(diǎn)蝕部位的微觀形貌
3結(jié)語
開展微晶剛玉砂輪成形磨齒表面形貌特征及其摩擦學(xué)特性的研究。0。紋理方向的紋理最為規(guī)則與均勻，溝紋深度最淺。45。、135。紋理方向的紋理最為復(fù)雜與不均勻。溝紋深度最大。隨著角度θ在0。~90。增長變化過程中，微觀不平間距逐漸減小；表面輪廓微觀不平高度先逐漸增大再略有減小。表面輪廓曲線的凸峰形態(tài)均以尖鋒態(tài)為主．且隨機(jī)性服從正態(tài)分布概率函數(shù)。在潤滑狀態(tài)下的摩擦磨損過程，表面輪廓粗糙度值越大，使動(dòng)壓潤滑效應(yīng)減弱，使邊界潤滑效應(yīng)增強(qiáng)。摩擦磨損機(jī)制是塑性變形與微切削作用，以及磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損等的耦合作用。磨損表面形成了平行于滑動(dòng)方向的劃擦痕跡與粘附現(xiàn)象。當(dāng)表層塑性變形累積到一定程度時(shí)，形成微裂紋，且伴生疲勞損傷現(xiàn)象。
