基于双峰脉冲电流电化学复合机械的分齿式齿轮齿面光整加工方法

摘要

基于双峰脉冲电流电化学复合机械的分齿式齿轮齿面光整加工方法，涉及金属齿轮齿面的加工技术领域。将金属齿轮接脉冲电源的正极，在所述脉冲电源负极接阴极导电体，在所述金属齿轮和阴极导电体之间通以中性电解液，在金属齿轮的一侧浮动地设置抛光工具，在脉冲电源的脉冲频率为5000Hz～7000Hz条件下，在每个脉冲周期输出两个脉冲峰值，本发明抛光效率高，抛光效果好，抛光过程不受齿轮齿面硬度的限制，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面加工技术，特别是金属齿轮的精密镜面光整加工技术领域。

背景技术

齿轮制造业是工业化的重要标志，在工业化国家中通常是国民经济的基础行业之一。由于齿轮具有传动比精确、传动比变化范围大、圆周速度变化范围大、传动功率大、效率高、使用寿命长、以及结构紧凑等优点，目前已成为制造业中多种机器的核心传动元件，广泛应用于机床、汽车、摩托车、特种车辆、机车、船舶、冶金机械、矿山机械、工程机械、农业机械、电梯、轻工机械、通用机械、航空航天设备等事关国计民生的各行各业。

我国在齿轮制造技术、工艺水平和产品质量上，与发达国家相比还存在比较明显的差距。国产齿轮与国外齿轮质量差距主要表现为：精度偏低、齿面粗糙度值偏高；而在使用性能上主要表现为：寿命普遍偏低、噪音较大、承载系数小，疲劳寿命低。由于近10年数控磨齿机的快速发展以及在齿轮制造企业不同程度的装备，齿轮的加工精度在技术上已经不是问题，解决齿轮齿面的粗糙度问题成为目前的主要方向。

按原理的不同，目前通用的齿轮的精加工及光整加工方法可分为以下几类：

（1）剃齿：剃齿是我国许多齿轮制造企业采用的一种齿轮精加工工艺，一般只适用于软齿面齿轮的精加工，热处理后齿面的变形将降低齿轮的加工精度，且剃齿加工中的积屑瘤现象严重，最终得到的齿面质量较差，经济粗糙度一般在Ra0.8μm~1.6μm之间。

（2）珩齿：珩齿按工具与工件啮合方式的不同可分为外啮合珩齿、内啮合珩齿及蜗杆珩齿工艺三种，较之外啮合珩齿及蜗杆珩齿，内啮合珩齿可得到较高的齿形和齿距精度，但国内内啮合珩齿及其配套技术还不完善，加工机床及相关设备基本上还需要进口，因而其在国内应用还比较少；珩齿能获得比磨齿低一点的齿面经济粗糙度，一般在Ra0.8μm~0.4μm之间，但是在加工过程中珩轮要经常修整，加工质量在很大程度上依赖于操作者的经验，生产质量不稳定。

（3）磨齿工艺：磨齿是当前最广泛的的齿轮精密加工工艺，按加工原理，可分为成形磨和展成磨。成形磨由于具有高效率的优势，正成为磨齿工艺发展的主流方向。磨齿可以得到比较高的加工精度，但是齿面质量并不能达到很高要求，目前磨齿齿面经济粗糙度一般在Ra0.8μm~0.4μm之间，并且磨削过程中容易发生烧伤现象，对表面质量常常产生不利影响。此外，磨齿机的价格昂贵，动辄几百万甚至上千万，对操作者的技术水平具有一定要求，加工成本高。

（4）电化学复合珩齿：使用恒流的直流电流（如图1所示），被加工工件表面在电化学作用下处于钝化状态（图2的CD段），与机械作用配合通过钝化-活化-溶解的循环进行抛光，对机械作用依赖程度高。

（5）脉冲电化学复合珩齿：使用离散的单峰脉冲电流（如图3所示），被加工表面在电化学作用下处于钝化状态（图2的CD段），虽然脉冲电流具有对流场改善的作用，但是由于是不连续的单峰脉冲电流作用，光整加工效率并不高。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种能克服现有技术以上缺陷，能提供快速精密镜面抛光的基于双峰脉冲电流电化学复合机械的分齿式齿轮齿面光整加工方法。

本发明技术方案是：将金属齿轮接脉冲电源的正极，在所述脉冲电源负极接阴极导电体，在所述金属齿轮和阴极导电体之间通以中性电解液，在金属齿轮的一侧浮动地设置抛光工具，所述脉冲电源的脉冲频率为5000 Hz～7000Hz；其特征在于：所述脉冲电源在每个脉冲周期输出两个脉冲峰值，阴极导电体沿所述金属齿轮的齿面做往复运动，抛光工具在自转的同时还沿金属齿的轮齿面做往复运动；每加工所述金属齿轮的一个齿面后，阴极导电体和抛光工具分别相对远离所述金属齿轮，待金属齿轮转过一个齿形后，阴极导电体和抛光工具分别再向所述金属齿轮靠拢，再进行后一个齿面的加工。

抛光时，脉冲电源以一定频率输出脉冲电流，每个周期输出两个不同峰值的脉冲电流I₁和I₂（如图4所示），其中，脉冲电流I₁使金属齿轮表面处于钝化保护状态（图2的CD段），脉冲电流I₂使金属齿轮表面处于超钝化溶解状态（图2的DE段）；当金属齿轮表面在脉冲电流I₁作用下处于钝化保护状态时，会在金属齿轮表面生成一层钝化膜，该钝化膜有保护工件表面不被电流溶解的作用，当金属齿轮被外侧的抛光工具刮去表面尖峰的钝化膜时，由于表面尖峰处不被保护，而实现电化学溶解；当脉冲电源输出脉冲电流I₂时，在合适的工艺参数条件下，表面尖峰可以在脉冲电流I₂作用下实现超钝化的脉冲电化学溶解和抛光，该过程的溶解和抛光效率远高于单纯的电化学机械抛光、脉冲电化学抛光和脉冲电化学机械抛光；同时，由于脉冲电流I₂的超钝化溶解抛光作用，抛光过程对机械作用的依赖程度低。

本发明具有如下优点：

1、抛光效率高：可将粗磨后的金属齿轮表面直接抛光至镜面，不需进行半精磨和精磨；并且由于使用了两个不同峰值的脉冲电流，可分别实现对齿轮齿面的可控电解及加速溶解，抛光效率远高于单纯的电化学机械抛光、脉冲电化学抛光或脉冲电化学机械抛光。

2、抛光效果好：可使齿轮齿面直接被抛光至Ra0.1 μm以下，优化工艺参数条件下，可抛光至Ra0.02 μm以下，从而加工出镜面效果。

3、抛光过程不受齿轮齿面硬度的限制，抛光过程中不产生磨削力和磨削热，不产生附加应力，抛光表面也不会产生磨削烧伤和裂纹。

4、抛光成本低。

5、抛光过程易于实现自动化生产，适用范围广泛。

6、使用中性电解液，对环境不产生污染，是一种绿色制造方法。

另外，本发明所述两个脉冲峰值的脉冲电流分别为脉冲电流I₁和脉冲电流I₂；脉冲电流I₁的电流值为150A～200 A，脉冲电流I₂的电流值为250 A～600 A，可使得齿轮齿面在抛光时分别处于钝化状态和超钝化状态，钝化状态时与机械作用配合，实现电化学机械复合抛光，超钝化状态时，实现脉冲电化学溶解和抛光，这两个过程的合理匹配，使得抛光效率远高于单纯的电化学机械抛光、脉冲电化学抛光和脉冲电化学机械抛光，并且对机械作用的依赖程度低。

为了分别实现金属齿轮齿面的电化学机械复合抛光和脉冲电化学抛光，脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂作用时间比为1：1。

在所述中性电解液总质量中，15%～35%为NaNO₃，10%～20%为NaCL，5%～10%为NaCLO₃，1%～2%为NaSO₄，其余为水。

以往的中性电解液由NaNO₃和NaCL组成，本发明加入NaCLO₃和NaSO₄，使得电解液的非线性更加明显，钝化阈值和超钝化阈值降低，更有利于提高抛光效率。

更进一步地，为了一次可以加工多个齿，并且能够良好地保持齿形精度，所述阴极导电体可以为设有所述齿轮齿形的仿形体。

为了配合齿轮的特殊齿形，提高抛光效率，本发明所述抛光工具为砂轮或抛光磨轮。

更进一步地，所述抛光工具可以为珩磨轮。

附图说明

图1为电化学机械抛光使用的直流电流波形图。

图2 为阳极表面极化曲线图。

图3 为单峰脉冲电流波形图。

图4 为双峰脉冲电流波形图。

图5为本发明的一种加工状态示意图。

图6为本发明的别一种加工状态局部示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步说明。

一、配制电解液：以NaNO₃、NaCL、NaCLO₃、NaSO₄和水配制不同的中性电解液，并使各占比为：15%～35%为NaNO₃，10%～20%为NaCL，5%～10%为NaCLO₃，1%～2%为NaSO₄。

                                        单位：kg

 NaNO₃NaCLNaCLO₃NaSO₄水配方一1210.25.8配方二1.51.510.25.8配方三210.70.16.2配方四310.50.15.4

二、加工例1：

如图5所示，将待加工的金属合金齿轮3接脉冲电源5的正极，脉冲电源5的负极接阴极导电体1，阴极导电体1沿齿轮3齿向做往复运动，在齿轮3与阴极导电体1之间通以上述中性电解液2的任一配方，砂轮4以20~40N压力浮动地压在齿轮3的齿面并自转，进行轻微地抛磨，砂轮4在转动同时也沿齿轮3的齿向做往复运动；每加工一定时间，阴极导电体1和砂轮4在伺服系统带动下向后退出，齿轮3在伺服系统带动下转过一个齿，阴极导电体1和砂轮4向前进给，继续进行光整加工。

对于原始表面粗糙度为Ra0.82μm，模数8，齿数40，齿宽80mm的直齿圆柱齿轮，材质为20Cr2Ni4A，使用如下工艺参数的双峰脉冲电流电化学复合磨削光整加工技术进行抛光：脉冲频率6000Hz，脉冲电流I₁值为150 A，脉冲电流I₂值为250 A，脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂作用时间比值为1:1，经过15分钟左右，可将齿轮齿面抛光至Ra0.025 μm。

二、加工例2：

如图6所示，将齿轮3与上例一样接脉冲电源5的正极，阴极导电体1朝向齿轮3的一侧设有仿形，仿形阴极导电体1与上例一样接脉冲电源5的负极，仿形阴极导电体1沿齿轮3的齿向做往复运动，齿轮3与仿形阴极导电体1之间通以上述中性电解液2的任一配方，珩磨轮4以一定压力浮动地压在齿轮3齿面，进行轻微地珩齿加工。每加工一定时间，仿形阴极导电体1在伺服系统带动下向后退出，齿轮3在伺服系统带动下转过加工过的齿，仿形阴极导电体1再向前进给，继续进行光整加工。

对于原始表面粗糙度为Ra0.86μm，模数6，齿数19，齿宽180mm的直齿圆柱齿轮，材质为18Cr2Ni4WA，使用如下工艺参数的双峰脉冲电流电化学复合磨削光整加工技术进行抛光：脉冲频率70000Hz，脉冲电流I₁值为200 A，脉冲电流I₂值为600 A，脉冲电流I₁作用时间与脉冲电流I₂作用时间比值为1:1，经过10分钟左右，可将齿轮齿面抛光至Ra0.025 μm。