专利名称：仿生非光滑耐磨齿轮的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械加工领域。特别是涉及齿轮轮齿耐磨形貌的设计与制造加工技术。
背景技术：
齿轮机构是现代机构中应用最为广泛的一种传动机构，其传动准确、平稳、机械效率高、使用寿命长、工作安全可靠。在齿轮传动过程中，主要失效形式之一是齿廓表面的磨损。齿廓的磨损是在润滑状态不良的情况下，磨粒摩擦磨损与疲劳摩擦磨损两个主要因素作用的结果。严重磨损后的齿廓几何学特征改变，齿侧间隙增大，引起传动不平稳，严重时会造成断齿。在国内外，为提高齿轮表面的耐磨性，除寻找新型减磨耐磨材料、提高表面光洁度、添加润滑材料外，表面处理新工艺(离子硫化处理、金属处理剂、激光淬火、热喷涂纳米结构氧化物陶瓷涂层等)则是目前延长齿轮使用寿命、改善其耐磨性能的重要。但这些大多处理工期较长，费用较高，且硬化层厚度较薄，往往在使用中很快被磨损掉，降低了齿轮在各种工况条件下使用的有效性。而且，齿轮耐磨性的提高程度也是有限的，不能从根本上解决齿轮齿廓表面的磨损问题。
发明内容
本实用新型的目的在于改变传统齿轮加工方式，运用仿生非光滑理论，提供一种可有效解决齿轮齿廓表面的磨损，提高齿轮表面耐磨性的仿生非光滑耐磨齿轮。
近年来仿生学研究发现，非光滑是生物界普遍存在的现象，像鸟类羽毛、贝壳、动物体表和植物叶片等都具有非光滑表面，且这种非光滑表面大多具有减阻、脱附和耐磨的功能。对某些生物如穿山甲鳞片、蜣螂、贝壳、牙齿、竹材等的研究发现，生物体表具有的耐磨功能与其体表的非光滑形态有密切关系，某些海洋生物如沙滩贝壳表面的非光滑形态对承受海水的冲刷有重要影响，动物的牙齿表面的非光滑形貌也是比较典型的耐磨例子。体表的非光滑形态在磨损过程中可以降低粘着磨损和摩擦系数，并使在摩擦过程中产生的滑动摩擦行为转变为滚动摩擦行为，从而大大减轻了对其体表的损伤。不同的生物体由于生存的环境不同具有不同的非光滑形态，如凸包(蜣螂头部，图1)、凹坑(贝壳表面，图2)、沟槽(贝壳表面，图3)、鳞片(穿山甲体表，图4)、网格等形态，各种生物体其体表非光滑单元体的大小可以从几微米到几十毫米。
依据上述仿生非光滑耐磨思想，本实用新型从工程仿生学的实用角度出发，根据齿轮传动的具体要求，选用椭球形凹坑、沟槽和网格形仿生非光滑形态。椭球形凹坑是从摩擦学角度优化设计出的形态，沟槽可看成是由连续多个凹坑形成的，网格状的非光滑形态可以看作由多个不连续的平行沟槽单元体相互交叉组成。实现上述目的的具体技术方案结合附图说明如下
在齿轮工作表面加工成有规律分布的椭球形凹坑单元体，每个单元体的具体尺寸参数是椭球形凹坑的端面椭圆长轴为40～60μm，短轴30～50μm，中心距为200～300μm，坑深为20～30μm。
在齿轮工作表面加工成有规律分布的沟槽状单元体，每个单元体的具体尺寸参数是沟槽的宽度为40～60μm，间距为150～250μm，深度为25～30μm。
在齿轮工作表面加工成有规律分布的网格状单元体，网格单元体呈菱形排列，网格宽度为40～50μm，网格深度为25～30μm，两沟槽之间的间距为200～250μm。
为保证齿轮轮齿表面粗糙度的要求，齿廓表面非光滑的尺度为微观非光滑，需用激光加工技术实现此要求。激光加工时，由于光束只照射到轮齿表面的局部，加工部位虽然温度很高，但对非照射齿面影响甚微，从而对齿轮材料的热影响区很小，齿轮基本无变形，不会影响齿轮的传动精度，而且激光加工时，由于熔凝速度非常快，可以使齿面材料形成超细晶组织，其硬度远高于常温淬火所能达到的程度，高硬度的表面组织亦有利于提高轮齿表面的耐磨性能。
上述的单元体在齿轮工作表面加工成有规律分布是单元体的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S为15％～30％，单元体与基体材料之间的硬度差在20～40HRC之间。
本实用新型将齿轮轮齿表面加工制作成仿生物形态的非光滑表面，即上述单元体在齿轮工作表面加工成有规律分布是其表面上分布着与齿轮基体表面呈20～30μm高度差的多个凹陷单元体，该单元体的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S为15％～30％。根据齿轮摩擦副动力学条件及材料决定轮齿表面非光滑单元体与基体材料之间的硬度差，非光滑单元体与基体材料之间的硬度差应在20～40HRC之间，此硬度差可以保证相对啮合齿轮的耐磨性得到明显提高。
在各种减摩耐磨措施中，采用合理润滑是一种最简单易行，而且行之有效的，本实用新型的非光滑耐磨齿轮的表面形态可从改善齿轮润滑条件方面达到提高齿轮耐磨性的目的。由于齿轮轮齿表面几何形状的关系，相互啮合的两齿面相对运动时不易形成润滑油膜，所以两个啮合齿轮之间很难建立起流体润滑状态；另外齿轮润滑是周期间断性的，两个轮齿每次啮合时，都要重新建立润滑油膜，因而每次形成完整油膜的条件很差，经常处于边界润滑状态。本实用新型选定的仿生非光滑耐磨形态用激光加工技术复制到轮齿表面后，在轮齿齿面分布的规则且孤立的非光滑形态既可储存润滑油，又可存储小的金属碎屑。在齿轮啮合过程中，齿面之间虽有压力作用，但各自独立分布的非光滑形态中的润滑油却不易流失，即使在压力较大的情况下仍能保持良好的润滑条件，在啮合齿面间形成一个缓冲，确保啮合区的润滑效果，达到最佳的润滑状态。
根据工程仿生学研究结果，通过计算机模拟，设计出齿轮表面具有耐磨效果的非光滑形态图案，并通过激光处理在齿轮表面加工出仿生非光滑单元体形态。从试验结果中可以看出，在轮齿表面加工出仿生非光滑单元体后，与光滑表面齿轮比较，耐磨性可以提高3～5倍，而生产的非光滑形态的耐磨齿轮的成本仅提高25-40％左右，因而具有高的性能价格比。
图1是蜣螂头部凸包形非光滑形态的显微结构图；图2是贝壳表面凹坑形非光滑形态的显微结构图；图3是贝壳表面沟槽状非光滑形态的显微结构图；图4是穿山甲体表鳞片状非光滑形态的显微结构图；图5是网格状非光滑表面形态示意图；图6是椭球状凹坑非光滑表面形态示意图；图7是沟槽状非光滑表面形态示意图；图8激光处理后的椭球状凹坑非光滑形态耐磨齿轮。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例进一步说明本实用新型的具体应用以及实施过程。
例1本实用新型在螺旋输送机斜齿圆柱齿轮减速器中的高速级齿轮传动上的应用参照图5，椭球形凹坑是按照摩擦学理论优化设计出的非光滑凹坑形态，其中椭球长轴40μm，短轴30μm，坑深25μm，两坑中心距S1＝S2＝200μm，α＝30°。斜齿圆柱齿轮传动中的小齿轮齿数Z1＝25，大齿轮齿数Z2＝80，螺旋角β＝15°25′36″，大、小齿轮材料均用40Cr，调质处理后表面淬火，齿面硬度为50HRC，7级精度，经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮，在同样条件下工作时，相互间摩擦系数降低18％，而具有仿生非光滑表面的齿轮寿命为未处理齿轮的3.8倍，处理仿生非光滑表面的成本提高约29％。
例2本实用新型在某机床变速箱中的一对直齿圆柱齿轮传动中的应用参照图5，椭球形凹坑的长轴为50μm，短轴为40μm，坑深25μm，两坑中心距S1＝S2＝250μm，α＝30°。该例中的小齿轮齿数Z1＝21，大齿轮齿数Z2＝33，大、小齿轮材料均为40Cr，调质后表面淬火，齿面的硬度为48HRC，7级精度，经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮，在同样条件下工作时，相互间摩擦系数可降低17％，具有仿生非光滑表面齿轮的寿命为未处理齿轮的3.7倍，处理仿生非光滑齿轮的成本约提高22％。
例3本实用新型在混料机用闭式普通圆柱蜗杆传动上的应用参照图5，椭球形凹坑的长轴为60μm，短轴为50μm，坑深25μm，两坑中心距S1＝S2＝300μm，α＝30°。蜗杆传动中的蜗杆头数Z1＝2，材料采用45钢，表面高频淬火，硬度为52HRC，蜗轮齿数Z2＝40，材料为ZcuSn10P1，砂模铸造。经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮，在同样条件下工作，相互间摩擦系数降低15％，而仿生非光滑齿轮的寿命为未处理齿轮的3.4倍，处理仿生非光滑齿轮的成本提高25％。
例4本实用新型在汽车差速器用直齿圆锥齿轮传动上的应用参照图6，在该例子中，沟槽状单元体的凹陷深度h＝25μm，沟槽宽度为w＝40μm，沟槽间距为S＝150μm(以中心计算)，沟槽方向与齿轮轴线呈30°角分布。直齿圆锥齿轮传动中的小齿轮齿数Z1＝10，大齿轮齿数Z2＝20，大、小齿轮材料均用20Cr，渗碳淬火后齿面硬度为58HRC，7级精度。在同样条件下工作，相互啮合两齿轮间摩擦系数降低20％，而仿生非光滑齿轮的寿命为未处理齿轮的4.2倍，处理仿生非光滑齿轮的成本仅提高32％。
例5本实用新型在低速重载双圆弧齿轮传动上的应用参照图6，在该例子中，沟槽状单元体的凹陷深度h＝25μm，沟槽宽度为w＝50μm、沟槽间距为S＝200μm(以中心计算)，沟槽方向与齿轮轴线呈30°角分布。小齿轮齿数Z1＝36，材料采用37SiMn2MoV，锻件，调质处理，齿面硬度为290HBS，大齿轮齿数Z2＝64，材料为ZG35CrMo，铸钢件，调质处理，齿面硬度为240HBS，螺旋角β＝31°40′21″，7级精度。经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮，在同样条件下工作，相互间摩擦系数降低13％，而仿生非光滑齿轮的寿命为未处理齿轮的3倍，处理仿生非光滑齿轮的成本提高35％。
例6本实用新型在冶金设备中圆弧圆柱蜗杆(齿形ZC1)传动上的应用参照图6，在该例子中，沟槽状单元体的凹陷深度h＝25μm，沟槽宽度为w＝60μm、沟槽间距为S＝250μm(以中心计算)，沟槽方向与齿轮轴线呈30°角分布。，蜗杆传动中的蜗杆头数Z1＝3，材料采用16MnCr5，渗碳淬火并磨削，硬度为60HRC，蜗轮齿数Z2＝37，材料为GZ-CuSn12，离心铸造。经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮，在同样条件下工作，相互间摩擦系数降低17％，而仿生非光滑齿轮的寿命为未处理齿轮的3.6倍，处理仿生非光滑齿轮的成本提高33％。
例7本实用新型在带式输送机直齿圆柱齿轮减速器的高速级齿轮传动上的应用网格状的非光滑形态可以看作由多个不连续的平行沟槽单元体相互交叉组成。按照这种设计思想，可以使激光处理更加简单。参照图7，网格非光滑表面中网格宽度为w＝40μm，网格深度为h＝25μm，网格间距为S1＝S2＝200μm(以中心计算)，网格单元体呈菱形排列，α＝30°。该例中的小齿轮齿数Z1＝30，材料为40Cr，经调质处理后硬度为280HBS，大齿轮齿数Z2＝96，材料为45钢，调质处理后硬度为240HBS，7级精度，经过仿生非光滑表面处理的齿轮和未处理齿轮，在同样条件下工作时，相互间摩擦系数可降低23％，具有仿生非光滑表面齿轮的寿命为未处理齿轮的5倍，处理仿生非光滑齿轮的成本约提高40％。
例8本实用新型在搅拌机第一级减速闭式单级直齿圆锥齿轮传动上的应用参照图7，网格非光滑表面中网格宽度为w＝50μm，网格深度为h＝25μm，网格间距为S1＝S2＝250μm(以中心计算)，网格单元体呈菱形排列，α＝30°。直齿圆锥齿轮传动中的小齿轮齿数Z1＝26，大齿轮齿数Z2＝65，大、小齿轮材料均用45钢，小齿轮调质，齿面硬度为250HBS，大齿轮正火，齿面硬度为210HBS。在同样条件下工作，相互啮合两齿轮间摩擦系数降低19％，而仿生非光滑齿轮的寿命为未处理齿轮的4.4倍，处理仿生非光滑齿轮的成本仅提高38％。
权利要求1.一种仿生非光滑耐磨齿轮，其特征在于在齿轮工作表面加工成有规律分布的椭球形凹坑单元体，每个单元体的具体尺寸参数是椭球形凹坑的端面椭圆长轴为40～60μm，短轴30～50μm，中心距为200～300μm，坑深为20～30μm。
2.一种仿生非光滑耐磨齿轮，其特征在于在齿轮工作表面加工成有规律分布的沟槽状单元体，每个单元体的具体尺寸参数是沟槽的宽度为40～60μm，间距为150～250μm，深度为20～30μm。
3.一种仿生非光滑耐磨齿轮，其特征在于在齿轮工作表面加工成有规律分布的网格状单元体，网格单元体呈菱形排列，网格宽度为40～50μm，网格深度为20～30μm，两沟槽之间的间距为200～250μm。
4.根据权利要求1或2或3所述的仿生非光滑耐磨齿轮，其特征在于所说的单元体在齿轮工作表面加工成有规律分布是单元体的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S为15％～30％，单元体与基体材料之间的硬度差在20～40HRC之间。
专利摘要本实用新型涉及齿轮轮齿耐磨形貌的设计与制造加工技术。目的在于改变传统齿轮加工方式，运用仿生非光滑理论，提供一种可有效提高齿轮表面耐磨性的仿生非光滑耐磨齿轮。该齿轮将齿轮轮齿的啮合摩擦面加工制作成仿生物形态的非光滑表面，即在其轮齿表面上分布着椭球凹坑状、沟槽状或网格状非光滑单元体，单元体与齿轮基体表面呈25μm高度差，分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S＝15～30％，非光滑单元体与基体材料之间的硬度差在20～40HRC，这些非光滑单元体可极大改善齿轮啮合传动时的润滑状态，从而提高齿轮的耐磨性能。突破了传统观念，是一种更合理、行之有效的提高齿轮耐磨性的方案。
文档编号F16H55/02GK2931945SQ200520029628
公开日2007年8月8日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者韩志武, 任露泉, 杨卓娟, 崔占荣, 董立春, 殷士琦 申请人:吉林大学