丁文锋, 赵俊帅, 张洪港, 赵彪, 司文元, 宋强, 黄庆飞. 齿轮高效精密磨削加工及表面完整性控制技术探讨研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 350-373.
随着航空等高端装备工业的迅猛发展，对传动系统齿轮的高效率、高精度和高可靠性需求日渐增长。磨削加工技术作为齿轮精密成形的关键工序，对齿轮的表面上的质量和服役寿命具备极其重大影响。然而，齿轮齿面结构较为复杂且淬硬表面材料难加工，在齿轮磨削过程中极易产生磨削高温导致表面上的质量难控制、以及磨削力大导致砂轮磨损严重等问题。因此，国内外学者针对齿轮磨削加工技术进行了大量深入系统的研究工作，并将其应用于实际生产中。南京航空航天大学丁文锋教授团队在总结齿轮磨削技术探讨研究现状的基础上，归纳了国内外学者在齿轮高效精密加工、表面完整性形成与调控等方面的主要研究成果。最后，该团队对齿轮高效精密磨削加工技术的发展的新趋势进行了展望，旨在为高性能齿轮制造提供技术与方法指导 。他们的研究成果以题为《齿轮高效精密磨削加工及表面完整性控制技术探讨研究进展》发表在《机械工程学报》2024年第7期。
齿轮作为物理运动系统的基本单元，在航空航天、船舶、车辆等领域大范围的应用。随工业水平的进步以及航空航天事业的加快速度进行发展，对传动系统的要求日益提高，齿轮加工也朝着高质量、高精度、高可靠性方向发展。磨削加工作为齿轮等关键零部件精密加工的主要方法和核心工序，通过砂轮工作面众多微小磨粒的微切削作用去除材料，在难加工材料高效精密加工方面展示出切削加工无法媲美的优势，是确保齿轮加工精度和表面上的质量的重要工序。目前，针对齿轮高效精密磨削加工技术的研究大多分布在在以下几个方面：齿面磨削过程、砂轮性能评价、磨削表面完整性及生产质量和效率等方面。
基于Johnson-Cook塑性模型，预测磨削残余应力并研究加工参数对温度场的影响。
针对摆线齿轮和螺旋锥齿轮，开发热应力计算模型，分析不同齿轮类型的温度场分布。
通过研究磨削工艺参数与表面上的质量的关系，验证高速磨削对降低粗糙度和残余拉应力的有效性。
超硬材料（如CBN）砂轮相比传统砂轮具有更低的磨削温度、更高的加工稳定性与表面质量。
通过数学建模和试验分析，验证CBN砂轮在提高齿轮弯曲强度与接触疲劳寿命方面的优越性。
提出了基于CBN砂轮的齿轮成形磨削方法，并通过实验展示其在精密加工中的高效性。
详细分析磨削力的影响因素，包括切削参数、砂轮几何形状、工件材料及磨削液。
提出超声辅助磨削方法（UAFG），大大降低传统成形磨削的磨削力并改善表面上的质量。
开发齿轮磨削温度场的数值模拟与有限元分析方法，预测温度场分布并优化热损伤控制。
提出基于傅立叶热传导定律的综合热模型，研究渐开线齿轮接触热源的变化规律。
验证摆线齿轮成形磨削温度仿真模型的有效性，为优化工艺参数和提升表面质量提供依据。
磨削过程中的力热耦合作用会导致残余应力状态的形成，较大的残余拉应力可能会引起齿轮变形和疲劳强度降低。
通过实验和有限元分析，研究齿面残余应力的分布规律，并验证热机械耦合对残余应力的影响。
提出了齿轮磨削过程中的热流密度分布模型和残余应力-磨削参数数学模型，优化了齿根过渡圆弧半径以减小残余应力。
通过湿磨和干磨条件的对比研究，提出较为合理的磨削参数选择以获得低残余应力的齿轮表面。
良好的表面形貌能大大的提升齿轮抗疲劳性能、减少摩擦噪声与振动，并改善传动效率和平稳性。
提出基于非线性分析的齿面形貌校正方法，利用最小二乘法提高形貌校正的稳定性和可控性。
建立螺旋伞齿轮磨削表面形貌的预测模型，优化磨削参数和砂轮粒度以改善表面形貌。
通过多元线性回归分析磨削参数对表面粗糙度和砂轮寿命的影响，在优化参数下实现更高的加工效率和表面上的质量。
显微硬度越高，齿轮表面质量越好，摩擦和磨损减小，齿轮传动效率和常规使用的寿命得以提升。
通过显微硬度和表面形貌的对比研究，优化磨削参数以克服磨削烧伤并改善表面质量。
在齿轮精加工中降低表面粗糙度并提升齿型精度，是传统精加工工艺的有效替代方案。
引入超声辅助电化学珩磨，表面粗糙度平均降低91%，明显提升加工效率和质量。
将激光与机械加工结合，实现高效精密加工，同时改变材料组织架构，提高硬度、耐磨性和韧性。
通过优化激光参数和有限元模型研究激光熔覆温度场和裂纹分布，验证工艺可行性。
针对风电齿轮表面磨损难题，采取了激光熔覆技术增加碳化钨涂层，显微硬度达826.2 HV，提高涂层耐磨性。
结合超声振动与传统磨削加工，改善磨削环境，延长工具寿命，提高加工精度和表面光洁度。
改变磨粒与工件表面的相对运动轨迹，使材料去除形式从连续切削变为断续切削。
研究超声辅助磨料流加工，通过流体动力学和试验验证有效提升齿轮表面上的质量和材料去除率。
开发切向超声波振动辅助齿轮磨削系统，通过有限元仿真和试验验证振动系统的有效性。
在超高强度齿轮钢的加工中，超声辅助技术明显降低磨削力和温度，提高砂轮自锐性和磨削表面上的质量。
磨削加工作为齿轮齿面精密加工的核心工序，对齿轮的精度和表面质量具有决定性影响。现阶段，国内外研究大多分布在在磨削力、磨削温度、砂轮磨损、工艺参数优化等方面，特别是展成法磨削和成形法磨削各自的技术优势及其适合使用的范围。材料去除机理的研究通过试验和仿真建模优化磨削工艺，提高加工效率和质量。此外，超硬材料和高速磨削技术的应用不仅提升了加工效率，还大大降低热损伤。研究表明，磨削表面完整性对齿轮性能至关重要，提高残余压应力幅值、以及表面上的质量和显微硬度，可以明显提升齿轮的耐磨性、抗疲劳强度和服役寿命。
在未来一段时间，齿轮磨削加工的发展仍将着重于提质增效降成本，研究方向包括创新磨具设计、优化工艺参数以及引入智能化技术，以实现更高的加工精度与表面上的质量。针对航空航天新型难加工材料（如超高强度钢、复合材料等），亟需开发适应性的磨具与工艺，以增强加工能力。数字化和智能化技术的应用将为齿轮加工带来革命性变革，通过传感器和自动化控制管理系统完成磨削过程实时监控与磨削工艺智能调控，来提升加工效率并减少资源浪费。此外，多能场复合制造技术的全力发展也将为航空航天等领域高精度齿轮制造提供新思路，助力制造业的转型升级。
丁文锋， 1978年出生，南京航空航天大学机电学院教授、博导。主要研究方向包括：航空航天难加工材料及核心部件高质高效加工的基础理论、工艺方法、装备技术研究。
赵俊帅， 1992年出生，南京航空航天大学机电学院博士研究生。主要研究方向：超高强度齿轮超声振动辅助高效精密磨削加工技术研究。
赵彪， 1991年出生，南京航空航天大学机电学院副研究员、硕导。主要研究方向包括：航空航天高强韧难加工材料磨削机理与过程优化、高性能砂轮研发与制备、高效高品质磨削技术与理论研究。
南京航空航天大学高效精密加工技术研究所依托“机械制造及其自动化”国家重点学科，以及江苏省“精密与微细制造技术”重点实验室、教育部“高效精密加工与装备技术”工程研究中心、省部共建“航空航天先进制造技术”协同创新中心等研究基地。在难加工材料及其复杂结构的高性能制造技术领域开展应用基础及工程应用研究。
在研和完成包括国家重点研发计划课题、两机专项、民机专项、04专项、国家973课题、国防基础科研、国防预研、国家自然科学基金集成项目/重点项目、省部科技计划等多层次、多类型的科研项目100余项。研究内容涉及高性能钎焊金刚石与CBN超硬磨料工具研制与性能评价、难加工材料加工性评价与工艺优化、难加工材料及其复杂结构高效精密加工工艺、绿色强化冷却等。相关研究成果获得国家科学技术进步二等奖1项、国防及省部级科技奖10余项。发表学术论文400余篇，授权发明专利70余件。部分研究成果已在航空航天制造领域获得工程应用。
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