一种多尺度/跨尺度的交错嵌入式自润滑齿面的制作方法

本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种多尺度/跨尺度交错嵌入式自润滑齿面。

背景技术：

齿轮传动是机械传动中应用最广的一种传动形式。它的传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。齿轮是通过轮齿的相互啮合而进行传动的，但在传动过程中，齿轮离不开润滑，目前在开式及半开式齿轮传动，或速度较低的闭式齿轮传动中，通常用人工作周期性加油润滑，所用润滑剂为润滑油或润滑脂；在闭式齿轮传动中，其润滑方法有浸油润滑、喷油润滑、滴油润滑和飞溅润滑等。

目前采用的外部输油的齿轮润滑方式，在无油或乏油环境下，会导致齿轮传动时的润滑不足，对于齿轮造成很大的损伤，降低齿轮的使用寿命，甚至导致齿轮传动失效。同时诸如齿轮系等机械装置在外太空环境中使用时必须考虑的问题之一是提供有效的润滑，而流体润滑剂在真空中会快速挥发以及由辐射诱导的有机成分降解而导致常规流体润滑剂不能在没有大气的环境中使用。

非流体润滑的方法包括使用由自润滑材料例如尼龙或聚酯制成的固定膜润滑剂粘结到金属部件的接触表面或部件上。但是此类方法有其严重的局限性，固体膜润滑剂可以在短期有效使用，然而却存在着有限的磨损寿命最终导致齿轮基体还是会暴露出来导致齿轮传动润滑情况不佳。

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。陈茂进、刘富豪等设计了带润滑油道和储油腔的自润滑齿轮；Keith E Demorest设计了一种将齿轮沿齿面整体切割开，再在两片齿轮部分体中嵌入自润滑材料的自润滑齿轮；赵国伟设计了一种在齿轮面上均匀涂抹齿轮润滑油，在齿轮油之上再覆盖一层聚乙烯膜的自润滑齿轮，在齿轮运转时，温度逐渐升高，聚乙烯膜慢慢熔化使包裹于内的齿轮油渗出，起到润滑齿轮的作用；还有利用PVD沉积技术的齿轮表面强化处理来降低摩擦系数、减小表面摩擦力。以上发明中的基于结构设计的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，会使润滑油甩出从而达不到润滑的目的；而将齿面切割开填入自润滑材料的自润滑齿轮的齿轮强度尚有待验证；利用镀膜或涂层技术的自润滑齿轮涂层在使用过程中容易发生脱落，非但不能发挥涂层的优势，反而脱落的涂层颗粒会对齿轮造成磨料磨损，加快齿轮的磨损失效。本发明能在满足齿轮传动要求的基础上，达到齿轮自润滑的目的，使得齿轮能在无油或乏油的极限工况下正常运转。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明基于结构设计和材料性能特点，设计出一种多尺度交错嵌入式齿面自润滑齿轮，以此来解决某些特定工况下的齿轮润滑问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种多尺度/跨尺度的交错嵌入式自润滑齿面其特点在于：所述自润滑齿面包括宏观尺度和微观尺度两种结构；在所述宏观尺度上，所述自润滑齿面上加工有网格状沟槽，呈均匀布置，并在所述网格状沟槽中镶嵌有固体自润滑材料，如MoS₂或金属基自润滑材料等；在所述微观尺度上，所述自润滑齿面除沟槽外，齿面空白区域刻蚀有微型凹坑。

本发明一种多尺度/跨尺度的交错嵌入式自润滑齿面其特点也在于：所述网格状沟槽的数目随齿面大小变化、且呈均匀布置，深度大致为齿厚的1/20，宽度约为全齿高的1/12～1/6，齿面上投影面积占齿面总面积的30％～40％；所述网格状沟槽中镶嵌有固体自润滑材料，并使其镶嵌深度不低于所述网格状沟槽深度；

本发明一种多尺度/跨尺度的交错嵌入式自润滑齿面其特点还在于：所述微型凹坑，位于所述网格状沟槽之间的齿面上，数目随齿面大小变化、在每平方厘米的单位面积中不小于10个，深度为10～20μm，直径为100～200μm，间距不大于200μm。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明将自润滑材料以镶嵌的方式嵌入齿轮齿面上的网格状沟槽中，利用了自润滑材料的优良的润滑特性，提高了齿轮的润滑性能，改变了传统齿轮必须采用油润滑的使用条件，扩大了齿轮的使用范围，使得齿轮能适应某些诸如无油、乏油的恶劣润滑工况。同时在齿轮齿面刻蚀出微型凹坑，既能强化齿面组织结构，使得齿面的抗疲劳强度等力学性能得到提高；还能使得齿轮啮合时齿面间的接触减少，降低齿轮发生点蚀等失效形式的发生概率；即利用表面微型织构技术提高表面承载力和改善表面摩擦学特性。因此，这种交错嵌入式齿面自润滑齿轮具有良好的自润滑特性和动力学性能，是解决某些极限工况的一种有效方法。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为微型凹坑A局部放大图；

图3为本发明的齿面示意图；

图4为宏观齿面B局部放大图；

图5为本发明的网格状沟槽平面布置图；

图6为本发明的自润滑齿面网格状沟槽结构尺寸图；

图中：微型凹坑1，自润滑材料2，金属材料3，网格状沟槽4。

具体实施方式

参见图1、图3和图6，所述多尺度交错嵌入式齿面自润滑齿轮主要由抗冲击性能较好的金属材料3制成，本次选用的齿轮，金属材料3选取38CrMoAlA，调质处理，硬度为230HB，7级精度；同时运用电化学或激光加工方法在齿面上加工出网格状沟槽4。再利用烧结或热熔工艺在所述网格状沟槽4中嵌填入自润滑材料2，且填入所述自润滑材料2后的所述网格状沟槽4与齿面处在同一表面上，所述自润滑材料2选择金属(基)自润滑材料。

参见图1、图4和图6，所述网格状沟槽4在齿面上呈均匀布置，在齿轮啮合时，填充了所述自润滑材料2的所述网格状沟槽4与啮合齿的齿面一直能保持接触状态，从而达到自润滑的目的。图4为宏观齿面B的局部放大图，具体的，所述网格状沟槽布置在齿轮轮齿的每一个宏观齿面上，且具有连贯性。图6中，S为齿宽，S1为所述网格状沟槽深度，W为所述网格状沟槽宽度。

参见图5，为所述网格状沟槽4的平面布置图，S3为X向沟槽的间距，S2为Y向沟槽的间距，α、β分别为X向沟槽、Y向沟槽与水平轴的夹角，具体应用时依据齿面可取0～90度之间的任意角度，

参见图1和图2，运用激光刻蚀技术、微小磨粒喷射等在所述多尺度交错嵌入式齿面自润滑齿轮的除网格状沟槽4外的齿面上制造出微型凹坑1，利用表面微型织构技术提高表面承载力和改善表面摩擦学特性。在齿轮的正常运转过程中，产生的细小铁屑随着齿轮的转动掉入到所述微型凹坑1中，以此达到所述微型凹坑1储存铁屑的目的；同时，由于微型凹坑1的存在减小了两个啮合齿面的接触面积，使得齿面发生点蚀等失效形式的概率减小，延长了齿轮的寿命。