（机械制造及其自动化专业论文）齿轮的脉冲电化学光整加工技术基础研究.pdf

摘要 摘要 搬轮的表面质量与其使用性能及寿命有着密切关系。研究表明：提离齿轮的袭蕊质 麓，；。以大幅凄地援高齿轮拘筏翔性能鞠寿命，降低啮合噪音。光整抽u ：1 二司以改善齿轮 的表面质量，进丽提高幽轮的使用性能和寿命。现代齿轮工业的发展，硬齿面齿轮和高 麟凄连轮使明越来越普逡。但圜加工成本及效率的制约，嚣翦我国数硬凌嚣齿轮浆光整 加工投术应用鞍少，结粜造成齿轮零伟韵表面质最达不到要求，降低了使用性能_ 葶口寿命。 闽此，摊高光整加工效率，降低光整加工成本，开发和应用更加优良的齿轮光整加工工 艺其窘重要豹瑗突意义。 脉冲电化学光整加工技术是一种新勰的光整加工技术，具有加工效率高、成本低、 表嚣覆鬓好等优点，应用到重要零部l 孛竞整搬工孛意义羹丈。本文蔽撼黩麓光婺惩工的 闯内外现状，结合大连理工大学多年来在非传统光整加工方面的研究基础，将脉冲电化 学光整加工技术鹿用于齿轮齿露的光整加工中，来改善缴轮表磷质量，掇高其馒用性能 及寿命指标。 本文从脉冲电化学光整；n - e 机理出发。研究和探讨了加工问隙、电流密度、电解液 戒份、歉冲参数( 躲净皴率、躲渖宽度及占空魏簿) 等工艺参数对稼诤电纯学光整蕊工 过程所产生的影响，得到了相关参数对零件加工精度及液面质量的影响靓律。 研究泼轮的劈敷冲邀化学光整期工技术。结舍脉冲电纯学毙整麴工工慧特性及疲趁生 产中的特点，设计了多静齿轮脉冲电纯学光整加工方案，并选释齿轮式硝极展成法作为 最终试验方案；建立了齿轮式阴极展成法齿轮脉冲电化学光整加工间隙变化规律模型， 实验爱究了凌轮踩砖电化学竞墼鸯丑工过程。试骢结果表鞠：卷轮豹辣冲蓬l 纯学光整妻强工 w 以大幅度降低荫面租糙度：在2 m i n 的时间内，对模数为3 ，齿数为3 3 的直齿齿轮， 拨面粗糙度可从r a l 6 灶m 降至r a 0 。0 8 ；m a ；同时，泼轮的精度有所提高，一般可在原有 豹精度下提高l 2 缀。 研究和应用脉冲电化学齿轮光整加工技术，必须有高频、窄脉冲、大功率脉冲电源 擘为保涯条l 譬。迄今为止，匿蠹终还没鸯簿合应耀条 孛戆瞧源产菇，为憩震要垂纾开发。 本文根掰现代电力电子技术发展状况，研制出了一种基于新型高频开关器件( i g b t ) 的 高频大功率脉冲电源，电源的频率最高可达2 0 k h z ，电源的频率与占空比分别独立可调， 蕻畜数字控裁与调节功麓，电源鹣结掇麓荸、经簸稳定可靠，符合磷究歉淬电纯学齿轮 光整加工技术应用条件。 研究虑轮脉冲电化学光整加工过程中电极闻相对滑动速度的变化娥撑。在姥基礁 二，提出了交熊逮度箍桶齿轮脉冲电亿学光整翔工技术方案，设计了基于单片视控制的 踟轮脉冲电化学光整) m i 系统，为进一步提高齿轮加工精度及解决有关修形问题创造了 条馋。 本文的研究能够使人们深刻豹认识别零件的表面质餐和使用性能之间的密切关系： 逊一步认诳! 到非传统光整加工技术的特点及优势，推动非传统光整加工工艺的研究及应 矧。遴+ 步海入磷究霜完藩辣狰电讫学鼗轮毙整嬲工及英籀关投术，掌撵其援稼并最终 成朋到 i - j “：实际中去必将对我翻齿轮的生产产生重大影响，提高我国齿轮加工的水平 带动棚天行、的发膳，j “生藿大的社会效蘸和经济效益。 大连理工大学博l 。论史 关键词：脉冲电化学光整加工；表面质量：脉冲电源；齿轮；使用性能和寿命 a b s t r a c t a b s t r a c t l u r a c eq u a l i t yh a sac l o s er e l a t i o nt og e a r sp e r f o r m a n c ea n di i f e t i m e 。 i h ep r a c t ，i c a lr e s u lt si n d i c a t et h a ti m p r o v i n gg e a r ss u r f a c eq u a l i t ycan i m p r e v ei t sp e r f o r m a n c ea n d1 i f e t i m et oal a r g ee x t e n t a l s oc a nr e d u c en o i s e s t o il a r g ee x t e n t s u r f a c ef i n i s h i n gcani m p r o v eg e a r ss u r f a c eq u a lit y ： c o n s e q u e n t l yi n c r e a s ei t sp e r f o r m a n c ea n d1 i f e t i m e a l o n gw i t hm o d e 】：ng e a r i n d u s t r y sd e v e t o p m e n t ，h a r dt o o t hs u r f a c ea n dh i g hp r e c i s i o ng e a r sa r eu s e d p r e v a l e n t l y b u ta tp r e s e n ti t i se n s l a v e dt oh i g h e rc o s t so fp r o d u c t i o na n d 1 0 w e rp r o d u c t i v i t y ，g e a rf i n i s h i n go nh a r dt o o t hs u r f a c ei nourc o u n t r yi s a p p li e dr a r e l y ，s om a n yp r o d u c t sc a n tm e e tw i t ht h ed e m a n do fu s e ，d e p r e s s i t sp e r f o r m a n c ea n d1 i f e t i m e ，i nv i e wo ft h e s e ，i ti ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v e p r o d u c t iv i t y ，r e d u c ec o s t so fp r o d u c t i o n ，a n da tt h es a m et i m ed e v e l o pn e wg e a r f i s h i n gt e c h n o o g l e st h a th a v e f i n ep e r f o r m a n c e p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gi san e wk i n dt e c h n o l o g y ：i th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hp r o d u c t i v i t y 、l o wc o s ta n df i n es u r f a c eq u a l i t y ， i t w i t lb ev e r ys i g n i f i c a n tt oa p p l yt oi m p o r t a n tc o m p o n e n t s 。b a s e do nh o m ea n d o v e r s e a sc o n d i t i o ni ng e a r f i n i s h i n g ，c o m b i n i n gt h es t u d y sg r o u n d w o r ko f n o n t r a d i t i o n a lf i n i s h i n go fd l u t ，t h i sp a p e rp u t sp u l s ee l e c t r o c h e m i c a l f i n i s b i n gi n t og e a rt o o t hs u r f a c 叠f i n i s h i n g 。孙o r d e rt oi m p r o v eg e a r ss u r f a c e q u a l i t y ，c o n s e q u e n t l yi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c ea n dl i f e t i m e t h em e c h a n i s mo fp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gisi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ， i t si n f l u e n c i n gp a r a m e t e rh a v eb e e ns t u d i e d 。i n c l u d i n gi ni n t e r e l e c t r o d eg a p 、 e l e c t r i cc u r r e n td e n s i t y 、e l e c t r o l y t ea n dp u l s ep a r a m e t e r s ( p u l s ef r e q u e n c y ， p u l s ew i d t h ，a n ds oo n ) s e r i e sc o n c l u s i o n sa b o u tt h e s ei n f l u n c i n gp a r a m e t e r s t oc o m p o n e n t s p r e c i s i o na n ds u r f a c eq u l i t ya r ef o u n d e d t h et e c h n o l o g yo fp u l s ee l e e t r o e h e 越e a lf i n i s h i n gi n g e a r si sf jr s t t y s t u d i e d e s p e c i a l1 y ，f o rh a r di n v o l u t e st o o t hs u r f a c ef i n i s h i n g ，c o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp u l s ee l e c t r o c h e m i c a l f i n i s h i n gw i t ht h ew a y so fg e a r m a c h i n i n g ，t h i sp a p e rd e s i g ns e v e r a lp r o j e c t so fg e a rf i n i s h i n ga n ds e l e c tt h e e v o l v ep r o j e c to fc o n j u g a t ec u r v e su s e dg e a rc a t h o d ea st h et e s t i n gp r o j e c t t h ei n le r e l e c t r o d eg a pe q u a t i o ni s d e d u c e d ：e x p e r i m e n t sh a v e b e e n d o n eo n c y li n d r i c a lg e a r + t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h et e c h n o l o g yo fp u l s e e l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gi ng e a rc a nl o w e rt o o t hs u r f a c er o u g h n e s st oat a r g e e x t e n t ：t o fc y l i n d r i c a lg e a r s ( m o d u l u s3a n dt o o t hn u m b e r3 3 ) i nt w om jn u t e s t o e t hs u r f a c er o u g h n e s si sd r o p p e df r o mr a l 。6 9 mt or a o 0 8 f a ：a tt h es a m et i m e t h eg e a rp r e cis i o ni s i m p r o v e d1 2g r a d e i t l 人连理t 大学博十论文 s t u d yn ga n da p p l y i n gp u s ee l e c t r o c h e m i c a lg e a rf i n i s h i n g ，o n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e si st h a ti tm u s th a sh i g hf r e q u e n c y 、s h o r tp u l s ea n dh i g hp o w e r s u p p lyu pt on o w ，t h e r ejsn o tap r o p e rf i h a l i z e dp u l s ep o w e rs u p p lyf o rl t i f ( ) u n dt h ewofj d a c c o r d in gt op r e s e n ts i t u a t i o no l e 1e c t r i cp o w e ra n de l e c t r o n hf l o wt y p eo fh i g hf r e q u e n c ya n dh i g hp o w e rp u l s ep o w e rs u p p l yb a s e do ni g b l h a sb e e nd e v e l o p e d t t sf r e q u e n c ycana r r i v ea t2 0 k h zu p p e r m o s t ，i ta l s oh a v e d i g it a lc o n t r o lf u n c t i o na n dcanb ee x p e d i e n t l yr e g u l a t e d t h ep u l s ep o w e rs u p p l y h a ss i m p l em a k e u pa n dr u n ss t e a d i l ya n dr e l i a b l y ，a c c o r dw i t ht h ec o n d i t i o n s o fd u ls ee l e c t r o c h e m i c a lg e a rf i n i s h i n g t h er e l a t i v es l i p p i n gv e l o c i t yl a wo fp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n is h i n gi n g e a r sares t u d i e di nt h ep a p e r b a s e do nt h i s ，a na d j u s t a b l er o t a t es p e e dp r o j e c t d u r i n gp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lf i n i s h i n gi sa d v a n c e d i ta l s od e s i g n st h ec o n t r o l s y s t e mb a s e do ns c m ，s ot h i so f f e r sa ne f f e c t i v emeasuref o ri m p r o v i n gg e a r p r e c is jo na n ds o l v i n gt h ep r o b l e mo fg e a rm o d i f i c a t i o n a l li na l l ，t h er e s e a r c hi nt h i sf i e l dw i l lm a k ep e o p l er e a l i z et h er e l a t i o n s b e t w e e ns u r f a c eq u a lit ya n dc o m p o n e n t s p e r f o r m a n c e ：a ls or e a liz ef u r t h e rt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fn o n t r a d i t i o n a l f i n i s h i n g ：i tcanp r o m o t e n o n t r a d i t i o n a lf i n i s h i n g sr e a s e a r c ha n da p p l i c a t i o n m a k i n gf u r t h e rr e s e a r c h o np u 【s ee l e c t r o e h e m i c a lg e a rf i n i s h i n ga n da p p l yi ti np r a c t i c e ，i tw i l li m p r o v e t h el e v e lofg e a rp r o d u c t i o ni nourc o u n t r y ，p r o d u c ea g r e a te f f e c to ng e a r ， a l s oi tcanp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc o r r e l a t i v ei n d u s t r i e sa n db r i n ga b o u t g r e a ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：p u is ee i e c t r o c h e m i c a if i n i s h i n g g e a r ：p r a c tic ap e r f o r m a n c ea n d i v s u r f a c eq u a ii t y ：p u i s ep o w e rs u p p i y f e ti i t l e 第一章绪论 1 。绪论 l ，l 光整舞g 工技术及其分类 随巷秘技和生产魄发展，人们对零件的使用佳能秘寿命等指括的要求越来越赢。 零件的表湎质量与使用性能、寿命和可靠性等密切相关。实践证明：光整加工技术可以 有效建改豢零件褒覆震燕，进露提褰其镬躅牲l 及寿会。在极缓期工中鏊在提裹零孛表 面质量为翻的的各种加工方法、加工技术，称为表面光熬加工技术，简称光整加工技术 ”l 。毙警热王技术是撬械裁造技术黟莛要缝或部分，大多数重要零髂戆最后一道工序是 光蘩j ；l lt ：。光整加工在机械制造中的主要功能是：减小和细化零件表面粗糙度、去除毛 裁、裁痰及微残裂纹等褒瑟缺隧，鬟裹程改善零释表瑟簇量：援高零件表露镪理力学毪 能，改善零件表断应力分布状态，提高零件使用性能和寿命；改善零件表面的光泽度和 光亮程瘦，提高零 孚表露清溶程度；黠零件进行侧强及翻螽，绦证表强之间恚涛遭渡， 提商零件的装配工艺性等。 投据孝孝鞋去除撬莲静不溺，先整瘸工技寒胃分为瓿械先整颜工蓑术( 手工磺蘑稻糖 光、珩磨、研磨、超精抛等) 、非传统光整加工技术( 如化学、电化学光整加：【技术、 糜辩滚趣王和磁力砭磨、电纯学极械光整熬工等) 。j 臻绞光蘩捷工技术，戆够弥季 传 统光整加工中的不足之处，解决困扰传统光整加工的难题，如高硬度及韧性零件材料的 光整加工、+ 避免绒减小工具的损耗及大型工传、复杂曲瑟、涤小孑l 和徽小尺寸零件款竞 整加工。 我国的光整鸯鐾工技术应翔水平与重羚糨毖还毒一定的差距。一方露，光整热王技 术在生产中的应用还不普遍，许多重溪的零部件及产品的加工过程还没有采用光墼加工 技零，如桃壤装蘩中豢蹋斡盛轮类零件，国内戆谗多鲍企韭多年寒一薹【浍爱“滚一剿一 热”的工球流程，由于热处理变形等因素的影响，齿轮的精度低且表面质量箍，导致最 终使用一睦能与国乡 握魄蒺距缀大。男一方瑟，对炎整热王工艺缺乏系绫深入豹霹究，对 国外一些质量要求高的零件，不了解其工艺过程，也没有去开发新的工艺，寝面质量达 苓嚣罄铃麓类产熬弱要求，藩齄不褥苓洚 羲质量檬准。至今，缀多生产企、监没链缀好遣 掌掇磨削、研磨、珩磨、抛光等工艺，致使聚用同样的工艺，质复也达不到国外的标准。 魏滚压件中豹活塞释螯羚要求0 0 2 a m 戳下，蔼凌善冀麓达副o 2 9 i n ，造成密麓经 不好，但是人们通常忽略了表丽质量对泄漏的影响，却把严重的泄漏归因于密封圈的质 鏊，闲蠹磊无法献根本上解决蠲题：鸯模其翻遗孛，有3 0 4 0 翡工作量蹩先整翻工。 由于模具表面基本上是复杂曲顾，并! 巨存在方孔、窄槽等不规则的形状表面，传统上多 由技术熟练、经验丰富的工入采播威动或魄动祝槭糖竞，有的甚至采璃入工进行撇光， 其劳动强度大，生产效率低，这些问题已成为制约模具行业发展的主要因素之一。由此 呵觅，零中 ：表面质量两弓j 超的闷题严薹匡阻碍了企数生产和经济效益的提高，甚至有豹零 件q i 得不以高价逊h 末解决闯题，绘企业、国家带来了沉重的负担。针对当裁我国工业 底予薄，技术誉弼n 筹，阑此必须从国情出发，重卒璺光整加工技术的研究与应j = ；j ，提高光 大连理工大学博士论文 粒加：效率、降低光整加r 成本，获得优良的零件表面质量，最终提升我国制造业的水 平，促进制造技术的进步具有重要现实意义。 街轮是机械产品的基础件，量大面广，一方面其加工质量直接影响相关机电产品的 质量和存圈际市场上的竞争力，另一方面现代齿轮工业的发展对齿轮的使用性能要求越 来越高，高速、重载、低噪音、长寿命己成为齿轮设计和制造的研究方向，为此要求齿 轮何较高的硬度和精度。目前，获得高硬齿面常用的方法是采用热处理工艺，而为了有 效地提高齿轮的最终加工精度和表面质量，除了采取必要的措施控制热处理变形等因素 外，迓赶在热处理工序后，增加齿轮精自n v - 和光整加工工序。 1 2 齿轮光整加工的意义及国内外研究状况 1 2 1 国内外齿轮生产水平及应用状况比较 现阶段我国齿轮产品的应用性能与国外比较还有较大差距，主要表现在：使用寿命 短、嗓音人、承载能力低；对有些使用要求较高的齿轮产品，还需要依靠进口。表卜l 为国内外齿轮产品性能比较表【2 l 。以汽车齿轮为例，国内的平均寿命是1 0 1 5 万公里， 国外平均寿命是4 0 万公里：噪音指标国内大于8 5 d b ，而国外是7 5 8 0 d b ；齿轮加工精 度普遍低1 2 级。其它种类的齿轮，如高速齿轮、低速重载齿轮、机床齿轮、减速器 表1 - 1国内外齿轮产品性能比较 、泌 寿命( 年) 噪声( d b ) 负荷系数- 精度g b l 0 0 9 5 - - 8 8 胃内 嗣外 国内国外 国内国外国内国外 5 64 t 恕速l 上 轮 5 1 0 1 0 1 59 5 9 8 9 51 0 1 62 0 3 0 、 r a o3 2 1 2 5r a o 3 2 0 6 3 低速垂裁 86 7 2 一一51 0 1 59 0 9 3 8 5 隧，耀糙瓣