CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于扇形同心环模型的蜗杆磨修整滚轮CVD匹配分析

雷来贵 陈恩厚 赵延军 王威 吴佳璐 古龙辉 吴武山 李远

雷来贵, 陈恩厚, 赵延军, 王威, 吴佳璐, 古龙辉, 吴武山, 李远. 基于扇形同心环模型的蜗杆磨修整滚轮CVD匹配分析[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2024, 44(5): 621-631. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0230
引用本文: 雷来贵, 陈恩厚, 赵延军, 王威, 吴佳璐, 古龙辉, 吴武山, 李远. 基于扇形同心环模型的蜗杆磨修整滚轮CVD匹配分析[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2024, 44(5): 621-631. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0230
LEI Laigui, CHEN Enhou, ZHAO Yanjun, WANG Wei, WU Jialu, GU Longhui, WU Wushan, LI Yuan. CVD matching analysis of worm grinding and dressing roller based on sector concentric-ring model[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2024, 44(5): 621-631. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0230
Citation: LEI Laigui, CHEN Enhou, ZHAO Yanjun, WANG Wei, WU Jialu, GU Longhui, WU Wushan, LI Yuan. CVD matching analysis of worm grinding and dressing roller based on sector concentric-ring model[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2024, 44(5): 621-631. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0230

基于扇形同心环模型的蜗杆磨修整滚轮CVD匹配分析

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0230
详细信息
    作者简介:

    雷来贵,男,1983年生,高级工程师。主要研究方向:超硬材料制品复杂型面超精密修整、高温高压合成装备。E-mail:110000283@qq.com

  • 中图分类号: TG58; TG74; TQ164; TH161

CVD matching analysis of worm grinding and dressing roller based on sector concentric-ring model

  • 摘要: 齿轮作为重大装备的核心基础部件,其齿面精度最终靠磨齿工序保证。电镀蜗杆磨修整滚轮作为磨齿工序用蜗杆砂轮修整不可或缺的精密加工工具,间接决定了齿轮的加工质量以及制造成本。但电镀蜗杆磨修整滚轮的齿形呈三角形结构,其齿顶磨粒附着难度大、修整状况恶劣,且齿顶相比齿侧提前失效,造成滚轮提前报废。CVD齿顶增强技术作为当前修整滚轮制造的关键技术,可有效解决上述问题。借助扇形同心环模型,搭建电镀蜗杆磨修整滚轮的磨粒分布理论模型,采用赋值法对模型进行理论分析。结果表明:当CVD材料一定时,CVD的匹配数量主要决定于滚轮模数,并与滚轮模数呈一定的线型负相关关系;且与滚轮尖角圆弧有关,与滚轮压力角关系不大。通过白刚玉砂轮修整实验,发现理论模型与实际测试结果仅存在5%细微差距,可为滚轮返修保留修整余量,进而延长工具使用寿命,降低齿轮制造成本。

     

  • 图  1  2017—2020年中国齿轮产品进出口情况[2]

    Figure  1.  Gear product import and export in China from 2017 to 2020[2]

    图  2  蜗杆砂轮修整示意图

    Figure  2.  Worm grinding wheel dressing diagram

    图  3  滚轮齿形上的磨料分布

    Figure  3.  Abrasive distribution on roller tooth profile

    图  4  CVD镶嵌滚轮

    Figure  4.  CVD inlaid roller

    图  5  单齿侧磨粒分布模型

    Figure  5.  Single-tooth side abrasive particle distribution mode

    图  6  金刚石等效模型

    Figure  6.  Diamond equivalent model

    图  7  CVD几何模型

    Figure  7.  CVD geometric model

    图  8  不同REM相对K的需求

    Figure  8.  Requirement of K under different R and EM相对

    图  9  圆弧半径RKmin的影响

    Figure  9.  Influence of radius R on Kmin

    图  10  不同模数下的Kmin

    Figure  10.  Kmin at different modules

    图  11  滚轮图纸

    Figure  11.  Roller drawing

    图  12  滚轮齿顶CVD对比照片

    Figure  12.  Comparison photos of CVD on roller tooth tip

    图  13  不同颗粒CVD时的齿轮齿廓检测结果

    Figure  13.  Detection results of gear tooth profile under different particle CVD conditions

    表  1  国内不同厂家CVD品级及性能

    Table  1.   CVD grades and performances from different domestic manufacturers

    厂家 品级 维氏硬度
    Hv / (kg·mm−2)
    热导率
    λ / [W·(m·K)−1]
    断裂强度
    KIC / MPa
    磨耗比
    RA
    A 标准料 8000 >1000 450 10 × 104~20 × 104
    中质料 9000 10002000 550 20 × 104~35 × 104
    高质料 10000 >2000 600 35 × 104~55 × 104
    B 标准料 8000 550~850 450~600 >15 × 104
    C 标准料 8000 >800 500~1000 10 × 104~20 × 104
    高质料 >8000 800~2000 500~1000 30 × 104~35 × 104
    D 标准料 8000 >1000 350 20 × 104
    高品料 10000 >1500 550 40 × 104
    E 标准料 800010000 18002200 350~550 20 × 104~35 × 104
    下载: 导出CSV

    表  2  ηm系数推荐[12]

    Table  2.   Recommended ηm coefficients[12]

    模数 mn / mm修正系数 ηm
    0.801.50
    1.001.42
    1.251.35
    1.501.15
    2.001.00
    下载: 导出CSV

    表  3  齿轮参数

    Table  3.   Gear parameters

    项目 数值
    模数mn / mm 1.50
    齿数 Z / 个 34
    压力角 αn / (°) 20
    螺旋角 β / (°) 33
    法向变位系数 xn 0.306
    齿顶高系数 han* 1.0
    顶系系数 Cn* 0.25
    下载: 导出CSV

    表  4  滚轮参数

    Table  4.   Roller parameters

    项目 规格或取值
    直径 D / mm 120
    齿形半角 α / (°) 20.0
    分割圆直径 d1 / mm 107.03
    CVD高度 × 厚度 × 尖角圆弧 1.5 mm × 1.0 mm × 0.8 mm
    ηm 1.15
    磨料 天然金刚石
    粒度代号 40/45
    下载: 导出CSV

    表  5  C统计值

    Table  5.   C Statistical average values 单位:μm

    统计值 均值
    329 350 310 350 340 333 331 332 325
    295 285 329 342 350 329 350 309
    305 310 299 333 349 322 345 295
    325 332 302 319 325 326 339 340
    303 303 324 325 323 333 332 356
    308 295 340 327 327 340 295 345
    319 309 310 329 319 343 310 333
    320 335 309 305 322 333 328 319
    319 330 343 309 329 329 324 329
    318 326 329 342 336 335 333 345
    下载: 导出CSV

    表  6  EM相对测量数据

    Table  6.   EM相对 measurement data

    磨耗比 测量值 平均值 EM相对
    ED 29.2 28.2 28.3 29.700 0.962
    29.2 30.1 30.1
    28.3 29.5 29.2
    29.2 30.3 30.2
    32.2 31.2 31.1
    26.5 30.6 32.2
    30.3 29.5 30.3
    29.2 30.2 29.2
    29.6 29.6 28.2
    29.8 29.2 30.3
    ECVD 30.2 31.3 31.1 30.877
    31.2 32.2 30.2
    31.3 30.3 32.5
    30.2 29.6 30.3
    30.3 31.4 29.5
    29.2 30.3 31.4
    29.3 29.2 33.6
    31.2 32.3 30.5
    30.3 33.6 31.3
    31.5 30.5 30.5
    下载: 导出CSV

    表  7  λ计算值

    Table  7.   λ calculated value

    参数计算值
    λ122.7562
    λ20.0059
    λ30.4078
    λ40.5762
    λ51.5390
    λ60.5264
    λ713689.0000
    下载: 导出CSV

    表  8  蜗杆砂轮修整参数

    Table  8.   Dressing parameters of worm wheel

    粗修滚轮转速
    n1 / (r·min−1)
    −3 200总余量 Δ1 / mm0.45
    砂轮转速
    n2 / (r·min-1)
    80单次吃刀量 Δ2 / mm0.03
    精修 滚轮转速
    n3 / (r·min−1)
    −3 200 总余量 Δ3 / mm 0.02
    砂轮转速
    n4 / (r·min−1)
    50 单次吃刀量 Δ4 / mm 0.01
    下载: 导出CSV

    表  9  不同CVD数量滚轮的使用寿命

    Table  9.   Roller life with different CVD numbers

    CVD数量 K / 粒 修整次数 N 修整滚轮失效形式
    36 73 901 齿轮齿顶烧伤
    40 89 092 齿轮齿廓精度超差
    42 89 658 齿轮齿廓精度超差
    48 90 102 齿轮齿廓精度超差
    下载: 导出CSV

    表  10  不同失效滚轮对应的末件齿轮齿廓检测数据

    Table  10.   Tooth profile detection data of final gears corresponding to different failure rollers

    CVD数量 K / 粒 检测项目 最大允许误差 误差均值 误差实测值
    36 齿廓倾斜误差 fHα / μm 6.5 2.1 2.6 1.8 2.0 1.8 1.5 1.9 2.6 2.2
    齿廓总偏差 Fα / μm 7.5 3.2 3.3 2.9 2.2 2.8 6.0 3.5 2.5 2.2
    齿廓形状偏差 ffα / μm 8.0 2.6 1.8 2.1 1.9 1.8 3.2 3.2 3.2 3.2
    40 齿廓倾斜误差 fHα / μm 6.5 3.1 2.6 1.0 1.3 2.5 5.2 4.8 3.9 3.2
    齿廓总偏差 Fα / μm 7.5 11.4 12.3 11.3 12.2 10.1 8.0 9.5 15.2 12.2
    齿廓形状偏差 ffα / μm 8.0 7.7 8.2 7.5 6.8 7.2 5.2 6.9 9.2 10.3
    42 齿廓倾斜误差 fHα / μm 6.5 3.2 2.2 1.9 2.0 2.5 4.2 4.9 3.9 3.8
    齿廓总偏差 Fα / μm 7.5 11.1 10.3 11.5 11.3 10.1 9.0 9.2 14.2 13.2
    齿廓形状偏差 ffα / μm 8.0 8.0 9.2 7.8 6.9 7.2 6.2 6.9 8.5 11.3
    48 齿廓倾斜误差 fHα / μm 6.5 3.1 3.2 2.2 2.0 2.6 3.2 3.9 3.9 3.8
    齿廓总偏差 Fα / μm 7.5 11.8 11.3 11.5 12.3 10.8 10.2 9.9 15.2 12.8
    齿廓形状偏差 ffα / μm 8.0 9.2 8.8 7.9 7.5 8.4 8.8 7.8 11.5 12.8
    下载: 导出CSV
  • [1] 中国机械通用零部件工业协会齿轮与电驱动分会秘书处. 影响我国齿轮行业升级的几个因素 [J]. 机械传动,2021(1):175-176.

    CGMA Secretariat. Several factors affecting the upgrading of China's gear industry [J]. Journal of Mechanical Transmission,2021(1):175-176.
    [2] 前瞻产业研究院. 风口·洞察: 行业洞察: 2021年中国齿轮行业进出口现状、区域市场格局及发展前景分析-贸易顺差进一步扩大 [R/OL]. (2021-06-16) [2023-11-06]. https://bg.qianzhan.com/report/detail/300/210616-a2e3b55d.html.

    Prospective Industry Research Institute. Tuyere · Insight: Industry insight: Analysis of import and export status quo, regional market pattern and development prospects of China's gear industry in 2021 - Trade surplus further expanded [R/OL]. (2021-06-16) [2023-11-06]. https://bg.qianzhan.com/report/detail/300/210616-a2e3b55d.html.
    [3] 汪军, 颜世铛, 郝建旭, 等. 石油钻采装备齿轮箱技术发展现状及分析 [J]. 机械设计,2022,39(S1):89-92. doi: 10.13841/j.cnki.jxsj.2022.s1.012

    WANG Jun, YAN Shidang, HAO Jianxu, et al. Development status and analysis of gearbox for petroleum drilling and production equipment [J]. Journal of Machine Design,2022,39(S1):89-92. doi: 10.13841/j.cnki.jxsj.2022.s1.012
    [4] YANG Y C, WU Y R, TSAI T M. An analytical method to control and predict grinding textures on modified gear tooth flanks in CNC generating gear grinding [J]. Mechanism and Machine Theory,2022,177:102023. doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2022.105023
    [5] 钱永辉, 毛芳芳, 张朝国. 浅谈齿轮制造业的问题以及发展趋势 [J]. 内燃机与配件,2021(10):190-191. doi: 10.3969/j.issn.1674-957X.2021.10.091

    QIAN Yonghui, MAO Fangfang, ZHANG Chaoguo. A brief discussion on the problems and development trends of gear manufacturing industry [J]. Internal Combustion & Engine Parts,2021(10):190-191. doi: 10.3969/j.issn.1674-957X.2021.10.091
    [6] 李英杰, 邢君珂, 王洪鹏. 中国超精密齿轮技术的“进化” [J]. 科技导报,2021,39(18):122-128.

    LI Yingjie, XING Junke, WANG Hongpeng. The progress of ultra-precision gear technology in China [J]. Science & Technology Review,2021,39(18):122-128.
    [7] 张志宏, 汪军, 李优华. 大功率车载压裂泵齿轮箱高功率密度设计方法研究 [J]. 机械设计,2021,38(S1):138-142. doi: 10.13841/j.cnki.jxsj.2021.s1.031

    ZHANG Zhihong, WANG Jun, LI Youhua. Research on high power density design method of gear box of high power fractuiing pump on vehicle. [J]. Journal of Machine Design,2021,38(S1):138-142. doi: 10.13841/j.cnki.jxsj.2021.s1.031
    [8] 王利亭, 赵秀栩, 李娇. 蜗杆砂轮磨齿加工参数优化 [J]. 中国机械工程,2021(9):2136-2141. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.015

    WANG Liting, ZHAO Xiuxu, LI Jiao. Optimization of gear grinding parameters with worm grinding wheel [J]. China Mechanical Engineering,2021(9):2136-2141. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.17.015
    [9] 王士虎, 兰辉, 王焱铂, 等. CVD金刚石在齿轮磨齿机中的应用研究 [J]. 超硬材料工程,2021,33(1):17-21. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2021.01.004

    WANG Shihu, LAN Hui, WANG Yanbo, et al. Aplication exploration of CVD diamond in gear grinder [J]. Superhard Material Engineering,2021,33(1):17-21. doi: 10.3969/j.issn.1673-1433.2021.01.004
    [10] 高攀, 吴超, 严垒, 等. CVD金刚石磨损性能的研究 [J]. 金刚石与磨料磨具工程,2014,34(1):15-17. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2014.1.0004

    GAO Pan, WU Chao, YAN Lei, et al. Research on the wear properties of CVD diamond [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2014,34(1):15-17. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2014.1.0004
    [11] 王建宇, 黄国钦. 金刚石磨粒工具增材制造技术现状及展望 [J]. 金刚石与磨料磨具工程,2022, 42(3): 307-313. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0007

    WANG Jianyu, HUANG Guoqin. Review on manufacturing diamond abrasive tools by additive manufacturing technology [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2022, 42(3): 307-313. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0007
    [12] 雷来贵. 一种复合磨料超硬材料砂轮磨粒匹配模型: CN116992586A [P]. 2023-11-03.

    LEI Laigui. A particle matching model for composite abrasive superhard material grinding wheel: CN116992586A [P]. 2023-11-03.
    [13] 刘旭, 陈庆春, 曲振志, 等. 扇蜗同心环组合式相控阵列的超声场优化 [J]. 齐鲁工业大学学报,2017,31(6):48-51. doi: 10.16442/j.cnki.qlgydxxb.2017.06.010

    LIU Xu, CHEN Qingchun, QU Zhenzhi, et al. UItrasonic field optimization of concentric-ring and sector-vortex phased array [J]. Journal of Qilu University of Technology,2017,31(6):48-51. doi: 10.16442/j.cnki.qlgydxxb.2017.06.010
    [14] 张桐齐, 岳晓斌, 雷大江, 等. 磨粒半径对金刚石研磨加工影响机制的仿真研究 [J]. 金刚石与磨料磨具工程,2021,41(1):89-93. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0015

    ZHANG Tongqi, YUE Xiaobin, LEI Dajiang, et al. Simulation study on influence mechanism of abrasive radius on diamond grinding [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2021,41(1):89-93. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0015
    [15] 刘广照. 磨粒群有序化排布金刚石砂带磨削性能研究 [D]. 镇江: 江苏科技大学, 2020.

    LIU Guangzhao. Research on the grinding performance of diamond sand belt with ordered grain group arrangement [D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2020.
    [16] ZHANG B, DU Y, LIU H, et al. Experimental study on high-speed milling of SiCf/SiC composites with PCD and CVD diamond tools [J]. Materials,2021,14(13):3470. doi: 10.3390/ma14133470
    [17] 张旺玺. 化学气相沉积法合成金刚石的研究进展 [J]. 陶瓷学报,2021,42(4):537-546. doi: 10.13957/j.cnki.tcxb.2021.04.002

    ZHANG Wangxi. Research progress in synthesis of diamond prepared with chemical vapour deposition(CVD) [J]. Journal of Ceramics,2021,42(4):537-546. doi: 10.13957/j.cnki.tcxb.2021.04.002
    [18] 叶伟昌, 梁萍. 金刚石刀具的种类与选用 [J]. 新技术新工艺,2004,(1):21-24. doi: 10.3969/j.issn.1003-5311.2004.01.009

    YE Weichang, LIANG Ping. The kinds of diamond cutting tools and their selecting method [J]. New Technology & New Process,2004,(1):21-24. doi: 10.3969/j.issn.1003-5311.2004.01.009
  • 加载中
图(13) / 表(10)
计量
  • 文章访问数:  12
  • HTML全文浏览量:  7
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-06
  • 修回日期:  2024-02-05
  • 录用日期:  2024-02-29
  • 刊出日期:  2024-10-01

目录

    /

    返回文章
    返回