CN108406016A - 一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法 - Google Patents

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姚志刚
田文锋
王亚东
汪金成
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Abstract

本发明涉及一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，包括宏观尺度加工、自润滑材料嵌填、齿轮表面磨削加工、微观尺度加工四个主要加工部分，本发明结合自润滑材料的特点，利用电化学加工方法、激光熔覆技术及激光微织构技术，并按照一定规则布置，在齿轮表面构造出跨尺度的自润滑界面，满足齿轮无油或乏油工况下的润滑需求，并使齿轮表面具有足够的硬度和光洁度。本发明可将普通齿轮加工成跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮，为自润滑齿轮的实际应用奠定基础。

Description

一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法
技术领域
本发明属于齿轮表面加工方法，具体涉及一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法。
背景技术
目前自润滑齿轮主要集中在齿轮结构设计与涂层式齿面设计，具体可分为基体储油式自润滑齿轮和涂层式固体自润滑齿轮。但基体储油式自润滑齿轮在无油或乏油情况下无法达到自润滑目的，且在齿轮高速运转时，致使润滑油甩出从而达不到润滑目的，而涂层式固体自润滑齿轮在高速、重载及长时间运转的情况下会导致涂层脱落，自润滑特性大大降低。为此，申请人发明了“一种多尺度/跨尺度的交错嵌入式自润滑齿面”(公开号：CN106678347A)，本发明是在这一发明的基础上，进行一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮的加工方法与工艺、齿轮材料选择等的阐述。
以往，齿轮的润滑主要依靠油脂润滑，以润滑油或润滑脂作为润滑介质进行齿轮传动***的润滑，并由此产生了基于成形法与展成法的6种齿轮加工方法，分别为：铣齿、成形磨齿、滚齿、剃齿、插齿及展成法磨齿。但以上6种齿轮加工方法对形成“一种多尺度/跨尺度的交错嵌入式自润滑齿面”存在加工盲区，须引入其它加工方法与工艺，以适应本发明的这种特殊齿轮的加工。
为扩大齿轮应用范围，适应齿轮极限工况下的润滑需求，发明人在进行了自润滑齿轮表面的构型设计后(公开号：CN106678347A)，开展自润滑齿轮表面的加工方法研究。本发明结合宏、微观尺度加工方法，利用金属基及非金属基自润滑材料，基于激光熔覆技术与电化学加工方法，加工出具有多尺度/跨尺度的自润滑齿轮表面，对于实现自润滑齿轮的产业化，为该齿轮进一步在无油/乏油、高(低)温、高真空、高负荷等极限工况下的应用奠定基础，对于提高齿轮在大型或重要装备中的可靠性有着积极的促进作用。
发明内容
针对已设计出的自润滑齿轮表面构型，结合宏、微观尺度加工方法、利用金属基及非金属基自润滑材料、基于激光熔覆技术及电化学加工方法，形成一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案：
本发明一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，用于跨尺度自润滑齿轮表面的加工，所述齿轮至少为半精机加工、且经过热处理的半成品齿轮，所述方法包括以下步骤：
S1：宏观尺度加工，所述宏观尺度加工至少包括刻蚀出所述自润滑齿轮表面的网格状沟槽；
S2：步骤“S1，以齿轮表面已刻蚀出的所述网格状沟槽为目标对象，进行金属基自润滑材料嵌填；
S3：在步骤“S2”之后，开展齿轮表面磨削加工；然后，在未嵌填金属基自润滑材料的剩余空白齿轮表面上，实施微观尺度加工。
所述宏观尺度加工至少包括电化学加工方法，所述电化学加工方法至少包括以下四种工序：电化学蚀刻前期准备、蚀刻保护膜设计制备、蚀刻参数制定与改良、电化学蚀刻后期处理。
所述自润滑材料嵌填由激光熔覆完成，所述激光熔覆至少包括以下四种工序：自润滑材料选择、复合材料相容性研究、激光***选型与设计、激光熔覆加工，其中，所述自润滑材料为金属基自润滑材料。
所述微观尺度加工至少包括激光表面微织构和粉末状自润滑材料填充，其中，运用在自润滑齿轮加工上的所述激光表面微织构包括激光加工技术选择与微凹坑形状选择，所述粉末状自润滑材料填充为在已进行激光表面微织构的自润滑齿轮表面填充粉末状自润滑材料，此外，所述粉末状自润滑材料至少包括以下自润滑材料的一种：金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料。
所述的一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，还包括由操作者对所述自润滑齿轮表面的加工方法进行进一步修改的步骤。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明结合宏观尺度与微观尺度两种加工方法，考虑到自润滑材料具有优良的润滑特性，利用电化学及激光加工技术，实现了发明专利“一种多尺度/跨尺度的交错嵌入式自润滑齿面”(公开号：CN106678347A)所述齿轮的加工，本发明所涉及的加工方法借助于现有的成熟技术与工艺，易于实现自润滑齿轮的加工，且由于该方法不破坏齿轮现有结构，仅对齿轮表面进行加工，因此接触承载特性不变，保证了齿轮的啮合强度。
2、本发明加工流程主要利用激光加工方法与电化学加工方法，这两种加工方法均具有非接触加工、适合加工形状复杂、可加工高硬度及高强度材料、加工零件表面质量好、生产效率高、质量可靠等优点。基于这两种加工方法，可提高齿轮表面强度，且易于在不破坏齿轮传动特性的情况下，形成面向极端工况下使用的自润滑齿轮零件，使得自润滑齿轮能满足在极端工况下的应用，扩充齿轮传动的应用范围。
附图说明
现将仅通过实施例的方式，参考所附附图对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是本发明实施例的一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面加工效果示意图；
图2是本发明实施例的一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法流程图；
图3是本发明实施例的基于电化学加工方法的自润滑齿轮表面的宏观尺度加工方法流程图；
图4是本发明实施例的基于激光熔覆技术的自润滑齿轮表面沟槽金属基自润滑材料嵌填流程图；
图5是本发明实施例的齿轮表面微观尺度加工方法流程图；
图中标号：1宏观尺度加工，2金属基自润滑材料嵌填，3微观尺度加工。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法作进一步说明：
如图1、图2及图3所示，步骤S0为引入加工好的20Cr齿轮零件，步骤S1为本实施例的齿轮表面宏观尺度加工1；在本实施例中，齿轮表面宏观尺度加工1使用电化学加工方法，其工序为：进行步骤S101电化学蚀刻前期准备，包括清洗齿轮零件表面及对齿轮表面毛刺等进行去除，记录齿轮零件的必要参数，设置电化学相关参数；根据齿轮零件的参数进行步骤S102蚀刻保护膜设计制备，准备好齿轮零件表面蚀刻所需的保护膜；接着进行步骤S103蚀刻参数制定与改良，以满足齿轮表面宏观尺度加工1出的不同网格状沟槽的加工需求；宏观尺度加工1的最后工序为步骤S104电化学蚀刻后期处理，包括蚀刻出齿轮表面网格状沟槽和对蚀刻好网格状沟槽后的齿轮表面清洗处理等。
如图1、图2及图4所示，步骤S2为本实施例的金属基自润滑材料嵌填2；将金属基自润滑材料通过激光熔覆技术嵌填入步骤S1所刻蚀好的网格状沟槽中。在本实施例中，激光熔覆技术的主要工序为：S201自润滑材料选择，在此步骤中初选嵌填入网格状沟槽中的金属基自润滑材料，作为优选，选择镍基石墨粉-铜基自润滑材料；S202复合材料相容性研究，通过分析齿轮零件本体材料与金属基自润滑材料的组织结构，分析复合后的材料相容性情况，以使金属基自润滑材料发挥其优良的自润滑特性；S203激光***选型与设计，在此步骤中，选择激光熔覆方案，如本实例中选择基于CO2横流式连续激光器的激光熔覆技术；S204激光熔覆加工，在确立金属基自润滑材料及激光熔覆方案后，着手进行齿轮表面的金属基自润滑材料嵌填2。
如图1、图2及图5所示，步骤S3为本实施例的微观尺度加工3；在步骤S1、步骤S2实施后，进行齿轮表面的微观尺度加工3。在本实施例中，步骤S3包括步骤S301激光表面微织构及步骤S302粉末状自润滑材料填充。作为优选，激光表面微织构选择飞秒激光加工技术，粉末状自润滑材料选择MoS2。

Claims (5)

1.一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，用于跨尺度的自润滑齿轮加工，所述齿轮至少为半精机加工、且经过热处理的半成品齿轮，所述方法包括以下步骤：
S1：宏观尺度加工(1)，所述宏观尺度加工至少包括刻蚀出所述自润滑齿轮表面的网格状沟槽；
S2：在步骤“S1”之后，以齿轮表面已刻蚀出的所述网格状沟槽为目标对象，进行金属基自润滑材料嵌填(2)；
S3：在步骤“S2”之后，开展齿轮表面磨削加工；然后，在未嵌填金属基自润滑材料的剩余空白齿轮表面上，实施微观尺度加工(3)。
2.根据权利要求1所述的一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，其中，所述宏观尺度加工(1)至少包括电化学加工方法，所述电化学加工方法至少包括以下四种工序：电化学蚀刻前期准备、蚀刻保护膜设计制备、蚀刻参数制定与改良、电化学蚀刻后期处理。
3.根据权利要求1所述的一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，其中，所述自润滑材料嵌填(2)由激光熔覆完成，所述激光熔覆至少包括以下四种工序：自润滑材料选择、复合材料相容性研究、激光***选型与设计、激光熔覆加工，其中，所述自润滑材料为金属基自润滑材料。
4.根据权利要求1所述的一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，其中，所述微观尺度加工(3)至少包括激光表面微织构和粉末状自润滑材料填充，运用在自润滑齿轮加工上的所述激光表面微织构包括激光加工技术选择与微凹坑形状选择，所述粉末状自润滑材料填充工艺为在已进行激光表面微织构技术的自润滑齿轮表面填充粉末状自润滑材料，此外，所述粉末状自润滑材料至少包括以下自润滑材料的一种：金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料。
5.根据权利要求1～5中的任一项所述的一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，还包括由操作者对所述自润滑齿轮表面的加工方法进行进一步修改的步骤。
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