彭树杰：一种特殊齿形零件的精密成形技术研究

柔性齿轮运动特性及其振动抑制性能的实验研究目录一、内容概述 (2)1. 研究背景 (3)2. 研究意义 (4)3. 国内外研究现状综述 (5)二、柔性齿轮的理论基础与设计方法 (5)1. 柔性齿轮的定义与特点 (7)2. 柔性齿轮的基本结构与材料选择 (7)3. 柔性齿轮的设计方法与流程 (9)三、柔性齿轮运动特性的实验研究 (10)1. 实验设备与方案设计 (11)2. 实验原理与方法 (12)3. 实验结果与分析 (14)四、柔性齿轮振动抑制性能的实验研究 (14)1. 抑振算法的选择与实现 (16)2. 抑振装置的设计与搭建 (17)3. 实验方案与步骤 (18)4. 实验结果与分析 (19)五、柔性齿轮振动抑制性能的影响因素分析 (20)1. 齿轮结构参数对振动抑制性能的影响 (22)2. 振动频率对振动抑制性能的影响 (23)3. 刚度匹配对振动抑制性能的影响 (24)六、柔性齿轮振动抑制性能的优化设计 (25)1. 优化目标与方法 (27)2. 优化设计过程与结果 (28)3. 优化后柔性齿轮的性能测试与分析 (28)七、结论与展望 (30)1. 研究成果总结 (31)2. 存在问题与不足 (32)3. 后续研究方向与展望 (33)一、内容概述随着科学技术的不断发展，柔性齿轮作为一种具有广泛应用前景的传动装置，其运动特性及振动抑制性能的研究显得尤为重要。

本文通过实验方法，系统地研究了柔性齿轮的运动特性和振动抑制性能。

在柔性齿轮运动特性的研究中，我们重点关注了柔性齿轮的模态特性、频率响应和传动误差等方面。

通过实验获取了柔性齿轮在不同工况下的模态参数，分析了其固有频率和振型特点。

我们还对柔性齿轮的频率响应进行了测量，了解了其在不同激励下的动态性能表现。

我们还对柔性齿轮的传动误差进行了评估，找出了影响传动精度的主要因素。

在振动抑制性能的研究中，我们主要探讨了柔性齿轮的阻尼特性、减振结构和控制策略等方面的内容。

重庆大学科技成果——复杂修形齿轮精密数控加工关键技术与装备（2018年国家科技进步二等奖）成果简介：复杂修形齿轮是克服高速重载工况下力热耦合形变影响的高端齿轮，直接决定装备传动系统的振动、噪声、寿命等服役性能及其核心竞争力，广泛应用于航母、潜艇、汽车等。

针对复杂修形齿面精密制造面临全齿面修形加工存在原理误差、传统试错修调法提升加工精度困难、齿面淬硬层均匀性及纹理难以调控等问题，在国家科技重大专项、863计划等支持下，开展复杂修形齿轮精密数控加工关键技术与装备研究，成果获2018年国家科技进步二等奖。

主要取得突破和创新如下：1、提出复杂修形齿轮加工的点矢量族包络计算新理论，不用建立和求解啮合方程，以数字法替代解析法，突破啮合原理解析法无法求解奇异点、计算复杂的瓶颈；发明齿面扭曲消减方法，解决刀具廓形精确设计及原理误差消减难题，齿面扭曲减少70%以上，达国际领先。

2、发明复杂修形齿轮加工工艺系统误差调控技术，开辟齿轮修形精度提升新途径。

提出制齿机床热态精度提升技术，发明热致误差补偿方法，保证机床精度稳定；提出基于等效虚拟轴的齿面误差补偿方法，解决修形精度提升难题，提高传动精度1-2级，获中国专利优秀奖。

3、研制大规格精密数控滚齿机、精密多功能数控磨齿机、高速干切滚齿机等具有齿面扭曲消减及加工误差补偿的高端制齿机床，填补国内空白；开发集齿轮修形设计、工艺规划于一体的制齿软件，打破了国外高端机床垄断。

滚齿精度达5-6级，磨齿达3级，干切滚齿提高效率2-3倍，与同类国际先进水平相当，打破高端制齿机床垄断，迫使国外同类机床降价30%以上，并出口英、法、日等。

4、发明复杂修形齿轮滚磨一体化工艺技术，确保修形精度及表面一致性。

研制复杂修形齿轮刀具，实现齿轮刀具的数字化设计制造；研发滚磨余量协同分配、齿面柔性修形、磨削纹理优化等工艺，实现磨后齿面淬硬层均匀分布、齿面纹理可控、修形工艺快速固化，提高齿面疲劳寿命。

满足了军方供货要求，支撑我国主要舰艇齿轮加工，汽车变速箱的批量国产化提供了保障。

第51卷第5期2015年3月机械工程学报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.51 No.5Mar. 2015DOI：10.3901/JME.2015.05.178复杂曲面零件超精密加工方法的研究进展*李敏1袁巨龙1, 2吴喆1吕冰海2孙磊2赵萍2(1. 湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心长沙410082；2. 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室杭州310014)摘要：超精密加工技术是降低工件表面粗糙度、去除损伤层，获得高形状精度、表面精度和表面完整性的终加工手段。

复杂曲面零件的广泛应用和精度要求的不断提高，取决于复杂曲面零件的超精密加工技术。

概述了复杂曲面零件的超精密成形加工、超精密抛光等加工方法，分析各种典型加工方法和材料去除机理，从加工精度、工具与曲面吻合度、加工效率与成本、环境友好性等方面对几种复杂曲面超精密加工方法进行比较。

对复杂曲面零件超精密加工技术的发展趋势进行预测。

关键词：复杂曲面；超精密成形加工；超精密抛光；高效加工；环境友好性中图分类号：TG580Progress in Ultra-precision Machining Methods of Complex Curved PartsLI Min1YUAN Julong1, 2WU Zhe1LÜ Binghai2SUN Lei2ZHAO Ping2(1. National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding, Hunan University, Changsha 410082;2. Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology of Ministry of Education,Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014)Abstract：Ultra-precision machining, as the finishing process, is widely used in the production of components of the highest quality in terms of form accuracy, surface accuracy and integrity. Development and implementation of complex surface depend on ultra-precision machining methods of complex curved parts. Ultra-precision cutting, grinding, polishing, non-traditional machining and compound machining method are reviewed and compared in terms of finishing accuracy, inosculation between tool and curved surface, efficiency and cost, and environmental friendliness. The probable further trend of ultra-precision machining technology of complex curved surface is forecasted. It is pointed out that complex curved surface machining with high efficiency, high precision, low cost, and sustainability are the trend in ultra-precision machining in the future.Key words：complex curved parts；ultra-precision forming；ultra-precision polishing；high machining efficiency；environmental conscious machining0 前言超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，并且国防战略发展的需要和超精密产品高利润市场的吸引，促进了超精密加工新技术的迅速发展。

新型高阶非圆锥齿轮的设计及其节面修形方法研究吕 刚1,2范守文1 李光辉2,3 童水光2,3 肖人源21.电子科技大学,成都,6117312.浙江大学自贡创新中心,自贡,6430003.浙江大学,杭州,310058摘要:将帕斯卡曲线和阿基米德螺线应用到非圆锥齿轮的设计中,推导了该新型非圆锥齿轮节面的数学模型㊂针对非圆锥齿轮设计过程中可能存在的节面尖点问题,将产形刀具的部分节面作为非圆锥齿轮节面尖点处的节面,依据产形刀具节面与高阶非圆锥齿轮节面之间的运动关系,建立了新型非圆锥齿轮的节面修形模型,开发了非圆锥齿轮的齿廓产形算法㊂并采用该方法对实例中的高阶阿基米德螺线锥齿轮和二次曲线锥齿轮的节面尖点进行了修正㊂关键词:非圆锥齿轮;帕斯卡曲线;节曲线;尖点;节面修形中图分类号:T H 122 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.22.002R e s e a r c ho nD e s i g na n dP i t c hS u r f a c e S h a p i n g o fN e wT y p eH i gh ‐o r d e rN o n ‐c i r c u l a rG e a r L üG a n g 1,2 F a nS h o u w e n 1 L iG u a n g h u i 2,3 T o n g S h u i g u a n g 2,3 X i a oR e n yu a n 21.U n i v e r s i t y o fE l e c t r o n i cS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o fC h i n a ,C h e n gd u ,6117312.Z i g o n g I n n o v a t i o nCe n t e r of Z h e j i a ng U n i v e r s i t y ,Z i g o n g,S i c h u a n ,6430003.Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,H a n gz h o u ,310058A b s t r a c t :A r c h i m e d e s s p i r a l a n dP a s c a l c u r v ew e r e f i r s t l y u s e d t o d e s i gnN B G s ,t h e p i t c h s u r f a c e m a t h e m a t i c a lm o d e l o fN B G sw a sd e d u c e d .A i m i n g a t c u s pp r o b l e m so f p i t c hs u r f a c eo fh i gh ‐o r d e r N B G p a i r s ,a s e c t i o n p i t c hs u r f a c ec u r v eo f g e n e r a t i o nc u t t e rw a sc o n s i d e r e da s p i t c hs u r f a c e l i e d i nh i g h ‐o r d e rN B G s c u s p .A c c o r d i n g t om o t i o nr e l a t i o n s h i p be t w e e n p i t c hs u rf a c eo f c u t t e r a n d t h a t o f t h e h igh ‐o r d e rN B G s ,pi t c h s u r f a c e s h a p i n g m o d e l o f t h e h i g h ‐o r d e rN B G sw a s e s t a b l i s h e d a n d g e n e r -a t i o na l g o r i t h mo fN B G s t e e t h p r o f i l ew a sd e v e l o p e d .H i g h ‐o r d e rA r c h i m e d e ss p i r a lb e v e l g e a ra n d q u a d r a t ic c u r v e b e v e l g e a rw e r e s e l e c t ed a s c a se s t o v e r if y d e s ig n p r a c t i c a b i l i t y a n d p i t ch c u r v e s h a pi n g m e t h o do f h i gh ‐o r d e rN B G.K e y wo r d s :n o n ‐c i r c u l a r b e v e l g e a r (N B G );P a s c a l c u r v e ;p i t c h c u r v e ;c u s p ;p i t c h s u r f a c e s h a p i n g 收稿日期:20140827基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175067)0 引言由于非圆直齿轮具有优异的传动性能㊁可变的传动比㊁较大扭矩和高可靠性等诸多优点,因此被广泛应用于油泵㊁冲压机床㊁包装和打印机床等机械产品的设计中[1‐2]㊂然而非圆直齿轮仅能用于传递具有平行轴的变速运动,为了能够传递具有交错轴的变速运动,一些学者对高阶椭圆锥齿轮进行了研究㊂G i o r gi o 等[3]分析了刀具沿主从轮节面滚动的运动轨迹,并建立了刀具㊁主动轮和从动轮三者之间的精确数学模型㊂林超等[4‐5]提出了高阶变性椭圆锥齿轮和高阶偏心椭圆锥齿轮的设计方法㊂此外,文献[6‐10]分别对高阶椭圆锥齿轮齿廓的产形㊁加工㊁传动模型和干涉检测等进行了研究㊂由于高阶非圆锥齿轮的设计和制造过程较为复杂,在很大程度上影响了其在机械产品中的应用,故目前仅有其在航空工业方面的相关研究报道[11]㊂非圆齿轮的节曲线有多种类型,如:余弦曲线㊁帕斯卡曲线㊁多段圆弧和阿基米德螺线等,并且它们已成功应用于非圆直齿轮的设计中[12‐14]㊂然而,目前对于高阶非圆锥齿轮的研究还仅限于高阶椭圆锥齿轮㊂本文采用一种新的设计方法来设计高阶非圆锥齿轮的节面,并将其应用到其他类型的高阶非圆锥齿轮的设计过程中,如帕斯卡曲线和阿基米德螺线锥齿轮的设计过程中㊂类似于高阶非圆直齿轮节曲线设计,该设计方法也可能引起高阶非圆锥齿轮的节面出现间断点或尖点,为了满足工程需求和齿轮副传动的稳定性,需要对该非圆锥齿轮的节面进行修形,但该修形过程不应对所设计齿轮副的传动比造成较大影响,针对该问题,本文提出了一种节面修形方法㊂依据刀具节面与非圆锥齿轮节面之间的运动关系,用部分刀具节面曲线替换了高阶非圆锥齿轮节面凸尖点和凹尖点处的部分节面,并建立了修形后节面的精确数学模型㊂通过对高阶阿基米德螺线锥齿轮与二次曲线锥齿轮设计实例的分析,验证㊃9892㊃新型高阶非圆锥齿轮的设计及其节面修形方法研究吕 刚 范守文 李光辉等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.了该非圆锥齿轮节面设计和修正方法的实用性和有效性㊂1 新型高阶非圆锥齿轮的节面设计应用球面椭圆的几何原理可推导出高阶椭圆锥齿轮的节面方程[3],但该几何模型非常复杂且需要复杂的计算公式㊂本文以非圆直齿轮的节面作为锥底建立锥面,通过求解该锥面与球面的相交曲线来实现高阶非圆锥齿轮的节面设计㊂图1所示为3阶阿基米德锥齿轮的几何模型,点O 为阿基米德螺线直齿轮的中心且为阿基米德螺线直齿轮平面与球面的切点,εa 为阿基米德螺线,εj 为节锥面SO a S t 与球面的相交曲线,并且它将作为3阶阿基米德螺线锥齿轮节面大端的节曲线,该节曲线包裹在球面上㊂假定点P 为阿基米德螺线εa 上任意一点,点P i 为曲线εj 上的任意一点,坐标系S a (x a ,ya ,z a )为球面坐标系㊂依据图2所示的几何关系可知l O a P i 与l O O a 长度相等,并且O P ︵i 为球面上一段弧,由于l O P 为阿基米德螺线直齿轮的极半径且l O O a 与球面半径R 相等,因此可得关系式:t a n μ1=l O P l O Oa=l O PR (1)图1 3阶阿基米德锥齿轮的几何模型图2 点O a ㊁O ㊁O i ㊁P ㊁P i 之间的几何关系依据阿基米德螺线方程,极半径l O P 可表示为l O P=h (1+k a θ1) 0≤θ1≤π/N 1(2)式中,h ㊁k a 为可调系数,并用于调节阿基米德螺线的形状;θ1为极径的回转角;N 1为阿基米德螺线的阶数㊂式(2)仅表示了阿基米德螺线的半个周期,另外半周期的节曲线可通过节曲线的对称性获得㊂将式(2)代入式(1)可得μ1=a r c t a n h (1+k a θ1)R (3)球面上任意一点P i 在坐标系S a 中可表示为x s =R s i n μ1c o s θ1y s =R s i n μ1s i n θ1z s =R c o s μ}1(4)μ1=μ1(θ1)式中,x s ㊁ys ㊁z s 为节曲线上的点在坐标系S a 中的坐标㊂可通过主从轮之间的传动关系求解出从动轮的节面方程㊂如图3所示,S a (x a ,ya ,z a )和Sb (x b ,yb ,z b )分别为主从动齿轮的回转坐标系,O a I 为瞬时回转轴,μ1为回转轴z a 与瞬时回转轴O a I 之间的夹角,μ为回转轴z a 与z b 之间的夹角㊂假定f 12(θ)为主从动齿轮间的传动比函数,则f 12(θ)可表示为f12(θ)=s i n μ2s i n μ1=s i n (μ-μ1)s i n μ1=s i n μc o s μ1-c o s μs i n μ1s i n μ1(5)图3 3阶阿基米德螺线锥齿轮副主从轮之间之间的啮合关系依据文献[9]的方法并联立式(4)与式(5),可得到从动轮的节曲线方程:θ2=∫θ11f12(θ1)d θ1=∫θ1h (1+k a θ1)R s i n μ-h (1+k a θ1)c o s μd θ1μ2=μ-μ1=μ-a r c t a n R s i n 2μ-A s i n μc o s μR s i n 2μ-A (s i n μc o s μ-1üþýïïïï)(6)A =h (1+k a θ1)同理:如果高阶非圆锥齿轮的节面为二次曲线并且该二次曲线方程[14]可表示为C =a 1θ21+b 1θ1+c 1(7)式中,a 1㊁b 2㊁c 1均为系数㊂㊃0992㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.依据式(1)~式(4)的设计方法,可得μc =a r c t a n a 1θ21+b 1θ1+c 1R(8)x c =R s i n μc c o s θ1y c =R s i n μc s i n θ1z c =R c o s μ}c (9)μc =μc (θ1)式中,x c ㊁y c ㊁z c 为节曲线自身回转坐标系中节面上点的坐标㊂可采用类似的方法来设计其他类型节曲线的高阶非圆锥齿轮的节面,图4~图6所示分别为二次曲线㊁帕斯卡曲线和阿基米德螺线锥齿轮大端节面的图形㊂如果高阶非圆齿轮的节面由多种类型的曲线组合而成,那么这种设计可能会引起节面出现不连续点或尖点,这些尖点会对齿轮齿廓的加工产生负面影响,因此修正节面产生的尖点非常必要㊂图4 3阶二次曲线锥齿轮节面大端的节曲线图5 4阶帕斯卡曲线锥齿轮节面大端的节曲线图6 3阶阿基米德螺线锥齿轮节面大端的节曲线2 高阶非圆锥齿轮节面的修形模型高阶非圆锥齿轮的节面尖点分为凹尖点和凸尖点两种类型㊂依据图7中几何关系可知︵a b 为刀具节面大端的一段节曲线且点a 和点b 为高阶非圆锥齿轮的节面与刀具节面的切点,点c 为高阶非圆锥齿轮的凹尖点,大圆弧εg 过节面大端的中心点O q ㊁刀具节面大端的中心点O d 及凹尖点c ㊂S a (x a ,y a ,z a )与S c (x c ,y c ,z c )分别为高阶非圆锥齿轮的节面与刀具节面的回转坐标系㊂弧εg 经过点O q 和轴x a ,O a I 为高阶非圆锥齿轮与锥齿轮刀具之间的瞬时回转轴㊂ε3为c 与轴z a 之间的弧,ε1为a 与轴z a 之间的弧,ε2为a 与轴z c 之间的弧㊂角α1㊁α2㊁α3分别为圆弧ε1㊁εt 和εg 之间所夹的二面角㊂γ3为轴z a 与z c 之间的夹角,γ1为轴z a 与瞬时回转轴O a I 之间的夹角,轴z c 与瞬时回转轴O a I 之间的夹角为γ2㊂β1为弧ε1与εt 之间的夹角,β3为轴ε2与O d ︵c 之间的夹角㊂此外,︵a b 用于替换尖点c 处该非圆锥齿轮的节面㊂图7 阿基米德螺线锥齿轮与产形刀具之间的几何关系为了计算切点a 和b 在坐标系S a 中的坐标值,切平面εt 的法向量可表示为n a =(x a ,ya ,z a )(10)x a =∂y a ∂R ∂z a∂R ∂y a ∂θ∂z a ∂θy a =∂x a ∂R ∂z a∂R ∂x a ∂θ∂z a ∂θz a =∂x a ∂R ∂y a∂R ∂x a ∂θ∂y a ∂θ其中,(x a ,y a ,z a )对应于式(4)中的(x s ,y s ,z s )或式(9)中的(x c ,yc ,z c ),θ对应于式(4)与式(9)中的θ1㊂整理式(10)可得表达式x a =-R (μ's i n θ+s i n μc o s μc o s θ)y a =R (μ'c o s θ-s i n μc o s μs i n θ)z a =R s i n 2üþýïïïμ(11)其中,μ对应于式(4)中的μ1或式(9)中的μc ㊂由于大圆弧εt 的法向量n t 为(0,1,0),法向量n a 与n t 之间的夹角为π-α1,即c o s (π-α1)=n t ㊃n an t n a(12)联立式(11)与式(12),角α1可表示为α1=π-a r c c o s (-μ'c o s θ+s i n μc o s μs i n θμ'2+s i n 2μ)(13)㊃1992㊃新型高阶非圆锥齿轮的设计及其节面修形方法研究吕 刚 范守文 李光辉等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.在球面三角形O q e a 中,依据球面三角定理可得∠a O e =a r c s i n s i n μs i n θs i n α1(14)α3=2a r c t a n c o s∠a O e -μ2c o s ∠a O e +α12t a nθ+μ2(15)考虑到点a 为高阶非圆锥齿轮节面与刀具节面之间的切点,弧O d ︵a 垂直于切平面εt ㊂因此二面角∠e a O d =π/2,∠O q a O d =3π/2-α3㊂由于弧O d O__q 过点O d ㊁O q 与尖点c ,且二面角∠c O q e =π/N 1,β1=π/N 1-α2㊂假设角α2与节曲线的回转角θ相等㊂在弧O q O __d ㊁O q ︵a 与O d ︵a 构成的球面三角形O q a O d 中,依据球面三角余弦定理,二面角β3可表示为β3=a r c s i n s i n γ1s i n β1s i n γ2(16)β1=π/N 1-α2 α2=θ轴z a 与z c 之间的夹角γ3为γ3=ar c s i n s i n ∠O q a O d s i n γ2s i n β1(17)∠O q a O d =3π/2-α3其中,γ1为参数θ的函数,由式(3)或式(8)计算得到,γ2为刀具节面大端的节锥角,α3依据式(15)计算得到㊂综上所述,弧︵a c 上任意点在坐标系中S c 的坐标值可表示为x t =R s i n γ2c o s θtyt =R s i n γ2s i n θt z t =R c o s γ}2(18)θs ≤θt ≤θs +β3式中,θs 为刀具从起始位置回转到切点a 所转过的角度;θt 为刀具的回转角㊂通过坐标变换可将弧︵a c 的坐标值表示在坐标系S a (x a ,y a ,z a )中,坐标变换公式为(x s t ,y s t ,z s t )=M s t (x t ,yt ,z t )(19)其中,M s t 为旋转矩阵,其表达式为M s t =c o s πN 1s i n πN 10-si n πN 1c o s πN 10éëêêêêêùûúúúúú001c o s γ30-s i n γ3010s i n γ30c o s γéëêêêùûúúú3(20)图8所示为凸尖点修形过程中刀具与齿轮节面的几何关系,其推导过程与凹尖点类似(篇幅所限,从略)㊂由以上分析可知,通过对节面尖点的修形得到的高阶非圆锥齿轮的节面为多段空间曲线的组合,即:刀具节面与非圆锥齿轮的节面组合㊂此外,非圆锥齿轮的齿廓可通过刀具节面绕非圆锥齿轮节面回转运动来产生㊂图8 高阶非圆锥齿轮的凸尖点与刀具节面之间的几何关系3 高阶非圆锥齿轮齿廓的产形算法由于采用以上方法设计的非圆锥齿轮节面由多段空间曲线组合而成,因此位于凸尖点与凹尖点之间的齿廓仍采用非圆锥齿轮与锥齿轮刀具的啮合算法来产形,而尖点处被刀具曲线替换的节面采用锥齿轮副的啮合算法来进行产形㊂此外,如果该节面为凹尖点处被替换的节面,则采用内啮合锥齿轮齿廓产形算法,反之,则采用外啮合的锥齿轮齿廓产形算法㊂本文开发了该非圆锥齿轮齿廓的产形算法用于仿真齿廓的包络过程,其算法流程如图9所示㊂其执行步骤如下:图9 高阶非圆锥齿轮齿廓产形算法流程图(1)依据非圆锥齿轮的传动比函数确定齿轮的设计参数,如:弧长㊁模数㊁齿数和大端半径等㊂(2)选择加工的锥齿轮刀具,确定刀具的齿㊃2992㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.廓类型(本文的齿廓类型为球面渐开线),依据刀具的设计参数建立一个虚拟的刀具模型㊂(3)计算刀具节面与高阶非圆锥齿轮节面的切点坐标,确定出高阶非圆锥齿轮节面未被替换部分所对应的回转角㊂(4)依据节面类型来调用相应的产形算法,如果该节面为被替换的节面,则调用锥齿轮产形算法进行产形㊂否则,调用非圆锥齿轮产形算法进行产形㊂(5)输出齿廓的仿真模型,停止㊂4 算例4.1 实例1以3阶阿基米德螺线锥齿轮的设计为例来说明节面尖点的修正过程㊂当节曲线的回转角度θ∈[0,π/3]时,锥齿轮刀具与非圆锥齿轮节面凸尖点处的切点坐标为(71.66,3.59,69.66)mm ,与非圆锥齿轮节面凹尖点处的切点坐标为(44.47,72.41,52.72)mm ㊂3阶阿基米德螺线锥齿轮大端节面如图10所示,图11为修形后的大端节面的图像,对比图10与图11的仿真结果可知,修正前的节面弧长大于修正后的节面弧长,通过计算可知修正前的弧长为516.15mm ,修正后的弧长为513.07mm ㊂由于节面在修正前后齿轮的模数为定值,因此可确定修正前的齿轮齿数为164,修正后的齿数为163(表1)㊂此外,运用所开发的齿廓产形算法可生成该非圆锥齿轮齿廓的仿真图(图12)㊂图10 3阶阿基米德螺线锥齿轮修形前的大端节曲线图11 3阶阿基米德螺线锥齿轮修形后的大端节曲线表1 3阶阿基米德螺线锥齿轮的设计参数参数名修形前修形后可调系数h 100100可调系数k a 0.600.60球面半径R (mm )100100凸尖点处切点坐标(mm )(71.66,3.59,69.66)(71.66,3.59,69.66)凹尖点处切点坐标(mm )(44.47,72.41,52.72)(44.47,72.41,52.72)模数m (mm )1.001.00齿数Z 164163弧长(mm )516.15513.07(a)齿廓的仿真图(b)齿廓的局部放大图图12 3阶阿基米德螺线锥齿轮的齿廓图像4.2 实例2如图13所示,非圆锥齿轮的节曲线也可采用二次曲线来设计㊂同理当θ∈[0,π/3]时,锥齿轮刀具与非圆锥齿轮节面位于凸尖点与凹尖点处的切点坐标分别为(71.66,3.59,69.66)mm ,(44.47,72.41,52.72)mm ㊂对比图13~图15的仿真结果可知,该非圆锥齿轮修形后的弧长与齿数要小于修形前的弧长与齿数,该节面修形方法图13 3阶二次曲线锥齿轮修形前的大端节曲线对尖点处齿轮副的传动性能有较小影响,但不会对该非圆锥齿轮的整个传动性能产生较大影响㊂其弧长与齿数的计算结果如表2所示,其齿廓的仿真图见图16㊂㊃3992㊃新型高阶非圆锥齿轮的设计及其节面修形方法研究吕 刚 范守文 李光辉等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图14 3阶二次曲线锥齿轮修形前后大端节曲线的对比图图15 3阶二次曲线锥齿轮修形后的大端节曲线表2 3阶二次曲线锥齿轮的设计参数参数名修形前修形后二次项系数a 1100100一次项系数b 11010常数项c 16060球面半径R (mm )100100凸尖点处切点坐标(mm )(51.91,3.12,85.41)(51.91,3.12,85.41)凹尖点处切点坐标(mm )(47.52,66.46,57.66)(47.52,66.46,57.66)模数m (mm )0.80.8齿数Z 213197弧长(mm )535.59495.65(a)齿廓的仿真图(b)齿廓的局部放大图图16 3阶2次曲线锥齿轮的齿廓仿真图像4.3 实例3该实例选取帕斯卡曲线作为高阶非圆锥齿轮的节面曲线,节面上任意点的锥角可依据式(3)或式(8)的形式表示为μp =a r c t a n p c o s (k e θ1)+l R(28)式中各个参数的设计值见表3㊂球面半径的设计值R 仍为100mm ,锥齿轮的阶数为4,计算得到的弧长为452.29mm ,齿轮模数m =1.25mm ,由此可计算出该锥齿轮的齿数为115㊂由图17的节面大端曲线仿真结果可知,该节曲线连续且不存在尖点㊂调用所开发的非圆齿轮齿廓产形算法可得到该非圆齿轮的齿廓图像(图18)㊂表3 4阶帕斯卡曲线锥齿轮的设计参数参数名参数值可调系数p 10锥齿轮阶数k e4系数l 100球面半径R (mm )100模数m (mm )1.25齿数Z 115弧长(mm )452.29图17 4阶帕斯卡曲线锥齿轮节面大端的节曲线图18 4阶帕斯卡曲线锥齿轮齿廓图像5 结论(1)提出了一种设计高阶非圆锥齿轮副节面的新方法,并将该方法应用于高阶阿基米德螺线锥齿轮与高阶二次曲线锥齿轮的设计过程中,从而建立了两种新型非圆锥齿轮的模型㊂(2)通过对高阶非圆锥齿轮节面尖点的修形,有效地改善了节面尖点处的传动性能㊂修形后所形成的节面有利于刀具的加工㊂(3)基于该齿廓产形算法可有效地模拟出齿㊃4992㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.廓的生成过程,并且该算法为高阶非圆锥齿轮的设计提供了一种有力的验证工具㊂参考文献:[1] 刘大伟,任廷志.由补偿法构建封闭非圆齿轮节曲线[J].机械工程学报,2011,47(17):147‐152.L i uD a w e i,R e n T i n g z h i.C r e a t i n g P i t c h C u r v eo fC l o s e d N o n c i r c u l a rG e a rb y C o m p e n s a t i o n M e t h o d[J].J o u r n a lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2011,43(17):147‐152.[2] G i o r g i o F,J o r g e A.T h eS y n t h e s i so fE l l i p t i c a lG e a r sG e n e r a t e d b y S h a p e r‐c u t t e r s[J].A S M EJ o u r n a l o fM e c h a n i c a lD e s i g n,2003,125(4):793‐801.[3] G i o r g i oF,J o r g eA.S y n t h e s i s o f t h eP i t c hC o n e s o fN‐l o b e dE l l i p t i c a l B e v e l G e a r s[J].A S M EJ o u r n a l o fM e c h a n i c a l D e s i g n,2011,133(3):031002.1‐031002.8.[4] 林超,侯玉杰,龚海,等.高阶变性椭圆锥齿轮传动模式设计与分析[J].机械工程学报,2011,47(13): 131‐139.L i nC h a o,H o uY u j i e,G o n g H a i,e t a l.D e s i g n a n dA n a l y s i so fT r a n s m i s s i o n M o d e f o rH i g h‐o r d e rD e-f o r m e dE l l i p t i c B e v e l G e a r s[J].J o u r n a l o fM e c h a n i-c a l E n g i n e e r i n g,2011,47(13):131‐139.[5] 林超,龚海,侯玉杰,等.偏心高阶椭圆锥齿轮副设计与传动特性分析[J].农业机械学报,2011,42(11):214‐221.L i n C h a o,G o n g H a i,H o u Y u j i e,e ta l.D e s i g nM e t h o do f E c c e n t r i c‐h i g h O r d e r E l l i p t i c a l B e v e lG e a rP a i r a n dA n a l y s i s o f I t sT r a n s m i s s i o nC h a r a c-t e r i s t i c s[J].J o u r n a lo f A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y, 2011,42(11):214‐221.[6] 林超,龚海,侯玉杰,等.高阶椭圆锥齿轮齿形设计与加工[J].中国机械工程,2012,23(3):253‐258.L i nC h a o,G o n g H a i,H o uY u j i e,e t a l.T o o t hP r o-f i l eD e s ig n a n dM a n u f a c t u r e o fH i g h‐o r d e rE l l i p t i c a lB e v e l G e a r[J].C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2012,23(3):253‐258.[7] 林超,侯玉杰,冉小虎,等.高阶椭圆锥齿轮的传动模型与干涉检查的运动仿真[J].重庆大学学报, 2010,33(10):1‐6.L i nC h a o,H o uY u j i e,R a nX i a o h u,e t a l.T r a n s m i s-s i o n M o d e l o fH i g h e r‐o r d e rE l l i p t i c a lB e v e lG e a r i n ga n d M o t i o n S i m u l a t i o nf o rI n t e r f e r e n c e C h e c k i n g[J].J o u r n a l o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y,2010,33(10):1‐6.[8] X i a J i q i a n g,L i uY u a n y u a n,G e n g C h u n m i n g,e t a l.N o n c i r c u l a r B e v e l G e a rT r a n s m i s s i o nW i t h I n t e r s e c-t i n g A x e s[J].A S M E J o u r n a lo f M e c h a n i c a lD e-s i g n,2003,2008,130(5):054502.1‐054502.7.[9] S h iK a n,X i a J i q i a n g,W a n g C h u n j i e,e t a l.D e s i g no f N o n c i r c u l a r B e v e l G e a r s w i t h C o n c a v e P i t c hC u r v e[J].P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o fM e c h a n-i c a lE n g i n e e r sP a r tC‐J o u r n a lo f M e c h a n i c a lE n g i-n e e r i n g S c i e n c e,2012,227(3):542‐553. 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２０２２年第５１卷第４期第７６页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２２，５１（４）：７６ ８３文章编号：１００１ ３４８２（２０２２）０４ ００７６ ０８犘犇犆钻头异形切削齿研究进展王光明１，李　达２，倪骁骅３（１．江苏油田矿业开发有限公司，江苏扬州２２５０１２；２．盐城市金巨石油机械制造有限公司，江苏盐城２２４０５２；３．盐城工学院汽车工程学院，江苏盐城２２４００７）①摘要：为满足不同硬度、强研磨性及非均质地层岩石的需要，提高钻井效率，国外一些公司在ＰＤＣ钻头常规圆柱状切削齿的基础上持续创新，研发了一系列创新型几何设计的新型ＰＤＣ钻头异形切削齿。

介绍了脊形切削齿、楔（Ｖ）形切削齿、凿形切削齿和其他异形齿的结构和性能。

个性化异形切削齿是未来发展的主要方向，深入开展常规圆柱状切削齿和各种异形切削齿混合式个性化ＰＤＣ钻头的研发，对钻头的切削结构进行优化，合理布置各种切削齿，充分发挥各自的优势，以解决深部地层可钻性差导致的机械钻速慢、钻井效率低的难题。

关键词：ＰＤＣ钻头；异形切削齿；研究进展中图分类号：ＴＥ９２１．１ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０２２．０４．０１１犗狏犲狉狊犲犪狊犚犲狊犲犪狉犮犺犘狉狅犵狉犲狊狊狅犳犛狆犲犮犻犪犾 犛犺犪狆犲犱犆狌狋狋犲狉狊犳狅狉犘犇犆犅犻狋ＷＡＮＧＧｕａｎｇｍｉｎｇ１，ＬＩＤａ２，ＮＩＸｉａｏｈｕａ３（１．犑犻犪狀犵狊狌犗犻犾犳犻犲犾犱犕犻狀犻狀犵犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犆狅．，犔狋犱．，犢犪狀犵狕犺狅狌２２５０１２，犆犺犻狀犪；２．犢犪狀犮犺犲狀犵犑犻狀犼狌犘犲狋狉狅犾犲狌犿犕犪犮犺犻狀犲狉狔犕犪狀狌犳犪犮狋狌狉犻狀犵犆狅．，犔狋犱．，犢犪狀犮犺犲狀２２４０５２，犆犺犻狀犪；３．犛犮犺狅狅犾狅犳犃狌狋狅犿狅狋犻狏犲犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犢犪狀犮犺犲狀犵犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犢犪狀犮犺犲狀２２４００７，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｒｏｃｋｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈａｒｄｎｅｓｓ，ｓｔｒｏｎｇａｂｒａｓｉｖｅｎｅｓｓ，ａｎｄｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｏｍｅｆｏｒｅｉｇｎｃｏｍｐａｎｉｅｓｈａｖｅｉｎｎｏｖａ ｔｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｃｕｔｔｅｒｓｏｆＰＤＣｂｉｔｓ，ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｓｅｒｉｅｓｏｆｉｎｎｏｖａ ｔｉｖｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｄｅｓｉｇｎｏｆｎｅｗＰＤＣｂｉｔｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｓ．Ｔｈｅｒｉｄｇｅｄｃｕｔｔｅｒｓ，ｔｈｅｓｃｒｉｂｅ（Ｖ）ｃｕｔｔｅｒｓ，ｔｈｅｃｈｉｓｅｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｃｕｔｔｅｒｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｉｚｅｄｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｉｓｔｈｅｍａｉｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｓｌｏｗｄｒｉｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｌｏｗｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃａｕｓｅｄｂｙｐｏｏｒｄｒｉｌｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｅｐｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｉｚｅｄＰＤＣｂｉｔｓｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｃｕｔｔｅｒｓａｎｄｖａｒｉｏｕｓｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂｉｔｓｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＰＤＣｂｉｔ；ｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒ；ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ 切削齿是ＰＤＣ钻头的基本切削单元，其性能极大影响着ＰＤＣ钻头的机械钻速和使用寿命。

基于硅模具的Z r 基非晶合金微零件吸铸制备朱志靖 易传云 史铁林 文 驰 廖广兰华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,武汉,430074摘要:基于硅模具提出了一种吸铸成形Z r 基非晶合金微零件的方法㊂采用真空氩弧熔化吸铸炉进行了非晶合金微零件吸铸成形实验,用红外热像仪测量了合金熔液温度,发现合金熔液在1116℃下能够完全复制宽3μm ㊁深3μm 的硅方形微槽结构且具有较好的表面形貌㊂随后分别采用带有多型腔和双层型腔的硅模具进行了吸铸成形实验,成功制备了模数为50μm 的非晶合金微齿轮零件,微零件的硬度及弹性模量分别为6.49G P a 和94.9G P a ㊂实验结果表明,基于硅模具吸铸成形Z r 基非晶合金是一种制备高精度㊁高表面质量㊁高性能微零件的有效方法㊂关键词:非晶合金;吸铸;硅模具;微零件中图分类号:T G 249.5;T H 142.2 D O I :10.3969/j .i s s n .1004‐132X.2015.20.018S u c t i o nC a s t i n g o fZ r ‐b a s e dB u l k M e t a l l i cG l a s sM i c r o ‐pa r t sw i t hS i l i c o nD i e Z h uZ h i j i n g Y i C h u a n y u n S h iT i e l i n W e nC h i L i a oG u a n gl a n D i g i t a lM a n u f a c t u r i n g E q u i p m e n t a n dT e c h n o l o g y K e y N a t i o n a l L a b o r a t o r y ,H u a z h o n g U n i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,W u h a n ,430074A b s t r a c t :U s i n g t h es i l i c o nd i e ,as u c t i o nc a s t i n gp r o c e s sf o r f a b r i c a t i n g Zr ‐b a s e db u l k m e t a l l i c g l a s s (B MG )m i c r o ‐p a r tw a s d e v e l o p e d .T h e s u c t i o n c a s t i n g e x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e d o u tw i t h a v a c u -u ma r cm e l t i n g f u r n a c e ,a n d t h e t e m p e r a t u r e s o f t h em o l t e n a l l o y w e r em e a s u r e d b y a n i n f r a r e d c a m e r -a .I t i s f o u n dt h a tu n d e r 1116℃t h em o l t e na l l o y c a nc o m p l e t e l y d u p l i c a t e t h es q u a r es i l i c o n m i c r o ‐g r o o v e s o f 3μm i nw i d t ha n d 3μmd e p t hw i t ha g o o ds u r f a c e .T h e ns i l i c o nd i e sw i t h m u l t i ‐c a v i t y an d d o u b l e ‐l a y e r c a v i t y w e r e u s e d i n s u c t i o n c a s t i n g e x p e r i m e n t s ,a n dB MG m i c r o ‐g e a r s o f 50μmi nm o d u -l u sw e r e f a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y .T h e h a r d n e s s a n d e l a s t i cm o d u l u s o f t h em i c r o ‐p a r t s a r e 6.49G P a a n d 94.9G P a .T h e r e s u l t s s h o wt h a t s u c t i o n c a s t i n g o f Z r ‐b a s e dB MGw i t h s i l i c o n d i e i s a p r o m i s i n g m e t h -o d f o r f a b r i c a t i n g m i c r o ‐p a r t sw i t hh i g h p r e c i s i o n ,g o o d s u r f a c e a n d e x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t y.K e y wo r d s :b u l km e t a l l i c g l a s s ;s u c t i o n c a s t i n g ;s i l i c o nd i e ;m i c r o ‐p a r t 收稿日期:20150126基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175210,51175211)0 引言微零件制备方法及工艺研究一直是学者们关注的焦点㊂目前开发出的微结构及零件制备工艺有超精密机械加工[1]㊁飞秒激光[2]㊁L I G A 技术[3]㊁微细电火花加工[4]㊁硅工艺[5‐6]㊁微塑性成形技术[7]及微细精密铸造技术[8]等㊂超精密机械加工和微细电火花加工的微加工能力有限,其可加工最小尺寸为10μm ,加工精度为1μm ;飞秒激光的加工效率较低,无法满足微零件的大批量制备;L I G A 技术的设备非常昂贵,加工金属微零件的成本较高;硅工艺加工的硅微零件在使用过程中可靠性较差,无法满足微机械系统的需求;微塑性成形技术及精密铸造技术都是净成形加工技术,其加工效率较高,可大批量制备具有较好机械性能的金属微零件,是理想的微零件制备工艺㊂对于常规的晶态合金,晶粒大小限制了其净成形的最小结构尺寸和表面精度,非晶态合金的发现则从理论上解决了晶粒的限制问题,它可成形纳米尺度的微结构[9]㊂非晶合金净成形工艺分为微塑性成形技术和精密铸造技术[10]㊂微塑性成形技术是将非晶态的合金加热形成亚稳态的过冷流体,并用较小的压力压入微模具中成形微零件;精密铸造技术是将成分均匀的合金锭熔化为合金熔液,然后将合金熔液压入或是吸入型腔,并通过快速冷却使其凝固为非晶态结构㊂微塑性成形技术需要先采用带有快速冷却的铸造方法制备非晶态的合金坯料,再进行微零件塑性成形,相比之下精密铸造技术则可将非晶态合金的形成及微零件的成形在一步内同时完成,具有更高的效率[11]㊂微净成形工艺中,微模具的制备是一个难题㊂采用硅工艺制备带有微型腔的硅模具已经广泛应用于非晶合金微塑性成形技术中,并取得了很好的研究成果[12],但其在非晶合金精密铸造技术中尚未得到应用,有关非晶合金熔液对微结构的复制能力的研究也未见报道㊂㊃1082㊃基于硅模具的Z r 基非晶合金微零件吸铸制备朱志靖 易传云 史铁林等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.本文以Z r 55C u 30A l 10N i 5非晶合金为对象,研究了Z r 基非晶合金熔液在吸铸过程中对硅模具的微复制能力,采用带有多型腔和双层型腔的硅模具吸铸成形了非晶合金微零件,开发了一种基于硅模具的非晶合金微零件吸铸成形方法,并对成形的非晶合金微零件进行了机械性能检测㊂1 实验本实验使用WK ‐Ⅱ型真空氩弧熔化吸铸炉进行㊂实验过程如图1所示,首先将硅模具粘在铜质的垫块上,再将铜垫块放入铜模具型腔距吸铸入口约3mm 处完成硅模具的安装㊂垫块与铜模具之间通过过盈配合固定,两边留有抽气孔㊂随后成分均匀的合金锭在氩弧电流作用下熔化为合金熔液,随着真空阀的开启,合金熔液被吸入铜模具型腔内同时填充硅模具微型腔㊂合金锭质量为10g ,氩气气压为0.1M P a ,氩弧电流强度为360~400A ,不同电流强度下合金熔液温度可由红外热像仪测得㊂快速水冷完成后将铜模具从吸铸炉中取出并打开,得到图1所示未脱模的非晶合金铸件㊂图1 硅模具安装及非晶合金吸铸工艺示意图吸铸完成后微零件的脱模过程如图2所示㊂先通过机械切割和研磨工艺去除硅模具上方多余的非晶合金,使模具暴露,再使用质量分数为40%的K O H 溶液将硅模具腐蚀掉得到微零件㊂腐蚀硅模具过程中,需将K O H 熔液加热至80℃以加快反应速度㊂脱模的微零件在无水乙醇超声清洗过后,用扫描电子显微镜(s c a n n i n g el e c t r o n m i c r o s c o p e ,S E M )对其表面形貌进行观察㊂图2 非晶合金微零件脱模流程图非晶合金理论上具有极强的微铸造复制能力㊂设计并用I C P 工艺制备了硅方形微槽作为目标模具(图3a ),其中槽宽为3μm ,深宽比为1∶1㊂将此目标模具按图1所示放入铜模具型腔中以考察不同温度下非晶合金熔液对微结构的吸铸复制能力㊂得到的非晶合金微结构在S E M 下进行观察㊂图3b ㊁图3c 分别为采用相同工艺制备的双层硅模具及多型腔硅模具S E M 图㊂其中双层硅模具的第一层是模数为50μm ㊁齿数为60的微齿轮,第二层是直径1mm 的轴,每层厚度为150μm ;多型腔模具是4个模数为50μm ㊁齿数为20㊁带有直径0.5mm 中心孔的微齿轮,齿轮厚度为200μm ㊂(a)硅微槽示意图(b )双层硅模具S E M图(c )多型腔硅模具S E M 图图3 硅模具设计吸铸成形微零件的机械性能采用纳米压痕方法测定㊂试验设备为美国海思创(H y s i t r o n )公司的T i 750U b i 纳米力学测试系统,采用玻氏压头进行试验,加载速度为0.5m N /s,加载至8m N 保压5s ,随后以0.5m N /s 的速度卸载㊂微零件的硬度和弹性模量基于O l i v e r 等[13]提出的方法计算得到㊂2 结果与讨论2.1 红外热成像测量结果真空氩弧熔化吸铸炉采用氩弧电流加热熔化合金锭,电流强度在360~400A 之间,不同电流强度下合金熔液的温度采用红外热像仪透过红外视窗进行非接触测量㊂图4a 为合金熔液的红外热像图,其中点划线区域为合金熔液,其温度由区域内的平均温度确定㊂电流强度分别为360A ㊁380A ㊁400A ㊁420A 时,合金熔液温度分别约为㊃2082㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.1055℃㊁1116℃㊁1167℃和1202℃㊂如图4b 所示,电流值在360~400A 之间时,熔液温度与其基本成线性关系㊂(a)氩弧加热下合金熔液红外热成像(b)不同电流下合金熔液温度图4 红外热成像测量合金熔液温度结果2.2 非晶合金吸铸微结构能力非晶合金没有晶粒及晶界的限制,理论上具有优异的微纳成形能力㊂图5所示为不同温度下非晶合金吸铸工艺复制硅方形微槽结构的S E M 照片㊂在1055~1167℃之间,非晶合金都可以对尺度为3μm 的方形微槽结构进行大面积复制㊂仔细观察发现:在1055℃温度下非晶合金微结构的高度较低,其并没有完全复制微槽结构;随着温度的升高,非晶合金则完全复制了方形微槽结构(1116℃);但当温度增加至1167℃时,非晶合金虽然完全复制了方形微槽结构,但其微结构的表面形貌有些不平整㊂图5d 为1116℃温度下非晶合金吸铸复制硅方形微槽结构脱模前的剖面图㊂可以看出,非晶合金充满了硅模具上的方形微槽且看不到任何间隙㊂在高温下,非晶合金熔液与硅之间会发生浸润效应,这有利于非晶合金填充硅模具上的微结构[14]㊂但是,浸润效应的发生与否受温度的影响很大,当温度低于临界温度时,浸润现象并不会发生,这使得合金熔液很难填充微结构;当温度升高时,浸润效应使得微结构的填充变得容易,但随着温度的进一步升高,温度浸润层也会加厚㊂故在1055℃温度下,非晶合金无法完全复制微结构;而在1167℃温度下,浸润层较厚,使得非晶合金微结构表面变得较粗糙㊂因此,在1116℃温度下非晶合金具有较好的吸铸复制硅 (a )t =1055℃(b )t =1116℃(c )t =1167℃(d )t =1116℃时的剖面图图5 不同温度下非晶合金吸铸微成形结果及剖面图模具微结构能力㊂2.3 非晶合金吸铸微零件2.3.1 一模多件吸铸图6所示为非晶合金熔液在1116℃吸铸温度㊁0.1M P a 吸铸压力工艺参数下吸铸多型腔硅模具的结果,其中图6a 为去除多余非晶合金后合金熔液填充硅模具的情况,图6b 为脱模后的非晶合金微齿轮零件㊂可以看到非晶合金完全充满了硅模具上四个微齿轮型腔㊂硅模具在每个微齿轮齿顶周围有一圈微裂痕,这些微裂痕的形成是因为铸造应力在齿轮型腔模具的齿顶位置产生集中㊂尽管硅模具在吸铸过程中形成了微裂痕,但微齿轮各个齿形完整,并且很好地复制了硅模具型腔的表面形貌㊂如图6b 中白色箭头所指微齿轮侧表面上的曲线,为复制图3c 中硅模具上白色箭头所示曲线所得㊂基于多型腔硅模具的非晶合金吸铸工艺可一次制备多个高精度的微零件,提高了非晶合金微零件制备效率㊂(a)非晶合金一模多件填充情况(b)一模多件吸铸成形微零件图6 一模多件吸铸成形2.3.2 双层零件吸铸图7a 为磨去多余材料后非晶合金填充双层㊃3082㊃基于硅模具的Z r 基非晶合金微零件吸铸制备朱志靖 易传云 史铁林等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.硅模具的情况㊂硅模具型腔的各个轮齿部位填充完整,没有明显的间隙及气泡㊂围绕微齿轮齿顶周围的硅模具部分由于铸造应力也生成了环形的裂纹㊂但从齿形位置放大图可见,非晶合金和硅之间的接触面十分紧密,没有发现间隙,这保证了非晶合金微齿轮轮齿部位具有较好的尺寸及形状精度㊂图7b 所示为将硅模具腐蚀掉脱模后的双层非晶合金微零件表面形貌S E M 照片㊂可见双层非晶合金微零件轮廓清晰,齿形完整,没有明显的铸造缺陷,形状尺寸也没有明显的偏差㊂图7c 所示为双层微齿轮零件齿轮轴的侧表面,图7d 所示为其对应的模具位置㊂对比可见非晶合金微连轴齿轮较好地复制了模具表面1μm 左右尺度的形貌㊂图7e 和图7f 所示分别为微齿轮齿形部位及对应的模具位置㊂此处的模具表面形貌特征尺度小于1μm ,非晶合金对其无法复制㊂由此可知,非晶合金吸铸工艺能够复制硅模具表面1μm 以上的微尺度形貌,但对1μm 以下的亚微米和纳米尺度形貌的复制效果不好㊂(a)非晶合金填充双层硅模具情况(b)非晶合金双层零件整体形貌(c)非晶合金微齿轮轴侧表面(d)硅模具轴孔侧表面(e)非晶合金微齿轮齿形(f)硅模具齿形位置图7 双层微齿轮形貌及与硅模具对比2.4 零件性能检测表1所示为对非晶合金微零件随机取8个点进行纳米压痕测试得到的硬度及弹性模量结果㊂非晶合金微零件硬度平均值为6.49G P a ,约是Z n A l 4微铸件的5.7倍[15]㊂一般来说,较高的硬度表明零件具有更好的耐磨性,因此吸铸成形的非晶合金微零件适合用作微系统中的齿轮㊁轴承等移动摩擦部件㊂非晶合金微零件的弹性模量平均值为94.9G P a ,较小的弹性模量表明其适合作微弹簧等弹性部件㊂硬度及弹性模量测量结果的标准差较小,即各测试点的机械性能较接近,也从侧面反映了吸铸成形的微零件成分较均匀㊁一致性较好㊂表1 非晶合金微零件G P a点1点2点3点4点5硬度6.526.516.536.606.49弹性模量96.596.597.296.995.6点6点7点8平均值标准差硬度6.596.196.466.490.12弹性模量95.289.791.494.92.6 综上所述,基于硅模具的非晶合金吸铸成形工艺具有极强的微成形能力㊂它可大面积复制硅模具上宽为3μm ㊁深宽比为1∶1的方形微槽结构;可使用具有多个微型腔的硅模具一次吸铸成形多个模数为50μm ㊁齿数为20的微齿轮零件;可使用带有双层微型腔的硅模具吸铸成形高精度㊁高表面质量㊁优良机械性能的三维微连轴齿轮零件㊂参考文献:[1] K u s s u lE ,B a i d y kT ,R u i z ‐H u e r t aL ,e t a l .D e v e l o p -m e n to f M i c r o m a c h i n eT o o lP r o t o t y p e sf o r M i c r o -f a c t o r i e s [J ].J o u r n a l o fM i c r o m e c h a n i c sa n d M i c r o -e ng i n e e r i n g,2002,12(6):795‐812.[2] 杨建军.飞秒激光超精细 冷”加工技术及应用(Ⅰ)[J ].激光与光电子学进展,2004,41(3):42‐57.Y a n g J i a n j u n .F e m t o s e c o n d L a s e r C o l d ”M i c r o ‐m a c h i n i n g a n dI t sA d v a n c e dA p pl i c a t i o n s [J ].L a s e r &O p t o e l e c t r o n i c sP r o g r e s s ,2004,41(3):42‐57.[3] B e c k e rE W ,E h r f e l d W ,H a g m a n nP ,e t a l .F a b r i -c a t i o no f M i c r o s t r u c t u r e sw i t h H i g h A s p e c tR a t i o s a n dG r e a t S t r u c t u r a lH e i g h t s b y S y n c h r o t r o nR ad i a -t i o n L i t h o g r a p h y ,G a l v a n o f o r m i n g ,a n d P l a s t i c M o u l d i n g (L I G AP r o ce s s )[J ].M i c r o e l e c t r o n i cE n -g i n e e r i n g,1986,4(1):35‐56.[4] E h r f e l d W ,L e h r H ,M i c h e lF ,e ta l .M i c r o e l e c t r oD i s c h a r g e M a c h i n i n g a saT e c h n o l o g y i n M i c r o m a -c h i n i n g [C ]//M i c r o m a c h i n i n g a nd M i c r o f a b r i c a t i o n 96.I n te r n a t i o n a lS o c i e t yf o rO p t i c sa n dP h o t o n i c s .A u s t i n ,1996:332‐337.[5] R a m e s h a m R.F a b r i c a t i o no fD i a m o n d M i c r o s t r u c -t u r e s f o rM i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l S ys t e m s (M E M S )b y aS u r f a c eM i c r o m a c h i n i n g P r o c e s s [J ].T h i nS o l -i dF i l m s ,1999,340(1):1‐6.[6] B i s w a s K ,K a lS .E t c h C h a r a c t e r i s t i c so fK OH ,㊃4082㊃中国机械工程第26卷第20期2015年10月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.TMA Ha n dD u a lD o p e dTMA Hf o rB u l k M i c r o m a-c h i n i n g o f S i l i c o n[J].M i c r o e l e c t r o n i c s J o u r n a l,2006,37(6):519‐525.[7] H e c k e l eM,S c h o m b u r g W.R e v i e wo n M i c r oM o l d-i n g o fT h e r m o p l a s t i cP o l y m e r s[J].J o u r n a lo f M i-c r o m e c h a n i c s a nd M i c r oe n g i n e e r i n g,2004,14(3):1‐14.[8] B a u m e i s t e rG,R u p r e c h tR,H a u s s e l t J.M i c r o c a s t-i n g o fP a r t sM a d e o fM e t a lA l l o y s[J].M i c r o s y s t e mT e c h n o l o g i e s,2004,10(3):261‐264.[9] S h a r m aP,K a u s h i kN,K i m u r aH,e t a l.N a n o‐f a b r i-c a t i o n w i t h M e t a l l i cG l a s s a nE x o t i c M a t e r i a l f o rN a n o‐e l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m s[J].N a n o t e c h n o l o-g y,2007,18(3):035302.[10] S c h r o e r sJ,P a t o n N.A m r o p h o u s M e t a l a l l o y s[J].A d v a n c e d M a t e r i a l s&P r o c e s s e s,2006:61.[11] S c h r o e r sJ.P r o c e s s i n g o fB u l k M e t a l l i cG l a s s[J].A d v a n c e d M a t e r i a l s,2010,22(14):1566‐1597.[12] 王栋,廖广兰,潘杰,等.基于硅模具的Z r基非晶合金微成形工艺研究[J].中国机械工程,2010,21(2):222‐225.W a n g D o n g,L i a oG u a n g l a n,P a n J i e,e t a l.S t u d y o nM i c r o‐f o r m i n g P r o c e s so fZ r‐b a s e dB u l k M e t a l l i cG l a s sw i t hS i l i c o n M o l d[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n-g i n e e r i n g,2010,21(2):222‐225.[13] O l i v e r W C,P h a r rG M.A nI m p r o v e dT e c h n i q u ef o rD e t e r m i n i ng H a r d n e s s a n dE l a s t i cM o d u l u sU-s i n g L o a da n d D i s p l a c e m e n tS e n s i n g I n d e n t a t i o nE x p e r i m e n t s[J].J o u r n a lo f M a t e r i a l s R e s e a r c h,1992,7(6):1564‐1583.[14] D i n g S,K o n g J,S c h r o e r s J.W e t t i n g o f B u l k M e t a l-l i cG l a s sF o r m i n g L i q u i d s o n M e t a l s a n dC e r a m i c s[J].J o u r n a lo f A p p l i e d P h y s i c s,2011,110(4):043508.[15] 任明星,李邦盛,杨闯,等.纳米压痕法测定微铸件硬度及弹性模量[J].中国有色金属学报,2008,18(2):231‐236.R e n M i n g x i n g,L iB a n g s h e n g,Y a n g C h u a n g,e t a l.H a r d n e s s a n dE l a s t i cM o d u l u s o fM i c r o c a s t i n g s b yN a n o i n d e n t a t i o n[J].T h eC h i n e s eJ o u r n a l o fN o n-f e r r o u sM e t a l s,2008,18(2):231‐236.(编辑 陈 勇)作者简介:朱志靖,男,1986年生㊂华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室博士研究生㊂研究方向为Z r基非晶合金微成形工艺㊂易传云,男,1959年生㊂华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室教授㊁博士研究生导师㊂史铁林,男, 1964年生㊂华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室教授㊁博士研究生导师㊂文 驰,男,1990年生㊂华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室硕士研究生㊂廖广兰,男, 1974年生㊂华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室教授㊁博士研究生导师㊂(上接第2800页)Z h a oT i e s h i,F e n g H a i b i n g,L i uY a n h u i,e t a l.5‐D O FD u a l‐d r i v eP a r a l l e l M e c h a n i s m a n dI t s K i n e m a t i c s[J].J o u r n a lo fY a n s h a n U n i v e r s i t y,2010,34(6):501‐507.[15] L iN i n g n i n,Z h a oT i e s h i,B i a n H u i.T y p eS y n t h e s i so fD u a l‐d r i v e n4‐D O FP a r a l l e lM e c h a n i s m[J].M a-c h i n eD e s i g na n dR e s e a r c h,2008,24(1):51‐53.[16] 范彩霞,刘宏昭.双驱动五自由度并联机构型综合[C]//第9届中国机构与机器科学应用国际会议(C C AMM S2011)暨中国轻工机械协会科技研讨会论文集.上海:中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会,2011.[17] 范彩霞,刘宏昭.基于李群理论的双驱动2T3R五自由度并联机构型综合[J].中国机械工程,2012,17:2053‐2057.F a nC a i x i a,L i uH o n g z h a o.T y p e S y n t h e s i s o fD u a l‐d r i ve n2T3R5‐D O FP a r a l l e lM e c h a n i s m B a s e do nL i eG r o u p T h e o r y[J],C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r-i n g,2012,17:2053‐2057.[18] H u a n g Z h e n,L i u J i n g f a n g,Z e n g a x i n g.T h eG e n e r-a l M e t h o d o f A n a l y s i s o f M e c h a n i s m s M ob i l i t yB a s e do nC o n s t r a i n tS c r e w T h e o r y[J].S c i e n c e i nC h i n a:ES e r i e s,2009,39(1):84‐93.[19] Z h a n g H u i,W a n g Q i m i n g,Y eP e i q i n g,e ta l.F o r-w a r dK i n e m a t i c so fG e n e r a l S t e w a r tP l a t f o r ma n dt h e A p p l i c a t i o n[J].J o u r n a lo f M e c h a n i c a lE n g i-n e e r i n g,2002,38(S u p p):108‐112.[20] Z h a oT i e s h i,G e n g M i n g c h a o,L i u X i a o,e t a l.K i n e-m a t i c s a n dD y n a m i c sH e s s i a nM a t r i x e s o fM a n i p u-l a t o r sB a s e do nL i eB r a c k e t[E B/O L].[2013‐03‐06].h t t p://w w w.p a p e r.e d u.c n/r e l e a s e p a p e r/c o n t e n t/201303‐167.[21] 耿明超,赵铁石,赵飞等.非惯性系下弹性欠驱动机器人动力学建模及应用[J].中国机械工程,2014,15:2080‐2085.G e n g M i n g c h a o,Z h a o T i e s h i,Z h a oF e i,e ta l.D y-n a m i c sM o d e l o fE l a s t i cU n d e r a c u t a t e dR o b o t i naN o n‐i n e r t i a lF r a m ea n dI t sA p p l i c a t i o n s[J].C h i n aM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2014,15:2080‐2085. 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表面技术第52卷第7期硬质合金激光改性协同仿生微织构对硼掺杂金刚石涂层性能的影响苏泽彬，向道辉，李艳琴，彭培成，张志强，高国富，赵波，张智鹏（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000）摘要：目的研制应用于超精密加工领域的高性能金刚石涂层，探究硬质合金基体表面激光微织构对硼掺杂金刚石（BDD）涂层沉积质量的影响，分析不同类型的仿生微织构对基–膜结合强度、工具切削性能的改善效果及原因。

方法在硬质合金表面使用激光脉冲制备不同类型的仿生微织构，并通过热丝化学气相沉积（HFCVD）法在刀具表面沉积BDD涂层。

采用数显洛氏硬度计（HRS-150）、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、白光干涉表面轮廓仪、拉曼光谱（Raman）对样品进行表征。

通过压痕试验及铣削试验研究涂层的附着强度和刀具的切削性能。

结果激光微织构边缘发生表面硬化。

激光微织构区域沉积BDD涂层后，基体表面缺陷显著降低，织构内部金刚石晶粒更密集，沉积质量提升，三角织构（TT）边缘的金刚石颗粒堆积坡度最缓，不同类型的织构化BDD涂层的粗糙度、金刚石纯度、切削性能及附着强度均不同，涂层附着力与表面硬度呈正相关。

硼掺杂三角织构（BDTTD）涂层刀具具有最佳的切削性能。

结论织构边缘和内部具有更高的金刚石二次成核率和沉积质量。

织构的存在可以提升BDD涂层的附着强度和刀具性能，并且织构边缘的涂层附着力最强，这些得益于激光烧蚀及仿生微织构对硬质合金表面的硬化及对BDD涂层内在缺陷的修复。

关键词：HFCVD；硼掺杂金刚石；仿生微织构；激光；切削性能；涂层附着力中图分类号：TG178 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)07-0384-13DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.07.035Effects of Laser Surface Modification of Cemented Carbide and Bionic Microtexture on Properties of Boron-doped Diamond CoatingsSU Ze-bin, XIANG Dao-hui, LI Yan-qin, PENG Pei-cheng, ZHANG Zhi-qiang,GAO Guo-fu, ZHAO Bo, ZHANG Zhi-peng(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000, China)收稿日期：2022–07–05；修订日期：2022–08–23Received：2022-07-05；Revised：2022-08-23基金项目：河南省科技攻关项目（222102220005）；国家自然科学基金（51975188）Fund：Department of Science and Technology of Henan Province (222102220005); The National Natural Science Foundation of China (51975188)作者简介：苏泽彬（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为精密超精密装备及表面技术。