齿轮表面微织构技术应用研究进展

朱佳柏，杨晓红，杨 澈，叶 霞

（1.江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001；2.江苏理工学院 材料工程学院，江苏 常州 213001）

齿轮一般在机器中起到传递运动、力和扭矩的作用。某些大型器械上的齿轮不仅精度要求高、造价昂贵，而且往往是该器械的核心部件，这一类齿轮一旦损坏，不仅会造成巨大的经济损失，还会给操作人员带来严重的安全隐患。随着我国工业的不断发展，对齿轮的性能要求越来越高，尤其是在高质量的高速重载齿轮方面。目前，更高精度的齿轮传动技术已成为制约我国顶尖机械国产化的瓶颈之一[1]。在齿轮传动过程中，齿轮摩擦界面的环境十分复杂，强大的应力、较高的温度以及乏油润滑等情况都易引发齿轮的失效。如果这些情况不被及时控制，齿轮的摩擦磨损会进一步加剧，产生更大的振动与噪音，进而危害机械的正常运转[2-5]。

如何改善齿轮工作界面的性能已成为近年来的研究热点，目前的方法有：（1）齿轮表面改性技术。如表面淬火[6]、喷丸强化[7]、渗碳渗氮[8]等。（2）表面涂覆技术。例如，通过激光熔覆法在齿轮表面涂覆一层纳米TiC梯度功能涂层，可以提高齿轮的耐磨性等[9]。（3）使用更好的润滑剂[10]。例如，在润滑剂中添加纳米TiO2和SiO2粒子能够在齿面形成一定厚度的表面吸附膜，提高了齿轮的耐磨性。（4）优化齿轮的加工工艺。比如，选取更好的齿轮材料[11]、使用更佳的加工方法[12]、采用更适合的齿轮修形方案[13]等。（5）表面织构化技术。人们把仿生学应用到摩擦学中，针对复杂工况下齿面摩擦磨损等问题，参考大自然中的减摩减阻现象，提出了在齿轮表面添加微结构的思路。该技术目前多应用于齿轮[14]、刀具[15]、活塞环-缸套[16]、密封装置[17]、滑动轴承[18]等领域，有效改善了工作表面的摩擦性能。

相比表面改性技术的较大加工应力残留、表面涂覆技术的较差耐磨性、改善齿轮整体材料的过高成本，表面织构化技术因具有更好的耐磨性、更优的润滑性能以及能够改善齿轮振幅与固有频率的优点，逐渐成为研究的热点。近年来，国内外学者对齿面织构化技术进行了深入研究，研究方向包括表面微结构的制备方法，表面微结构的形貌参数对织构化齿轮的润滑性能、摩擦学性能、动力学性能等方面的影响。

1 齿面微结构的制备方法

1.1 常规加工工艺生成齿面微结构

首先，在齿轮的生产流程中，各道加工工艺不可避免地会在齿面留下痕迹，不同工艺下残留的表面纹理对齿轮的性能影响不同。例如，在齿轮成型阶段，磨齿和剃齿两种加工工艺对齿轮的润滑性能影响就各不相同[19]：当控制齿面粗糙度增大时，由磨齿产生的具有横向纹理的齿轮，其油膜厚度增大，而剃齿产生的具有纵向纹理的齿轮，其油膜厚度却呈减小趋势，并且剃齿齿轮的表面更易产生较大的应力。因此，磨齿齿轮相对具有更好的性能。在表面光整阶段，磨削、铣削和电化学光整加工三种工艺所产生的不同形貌的微结构，对齿面法向接触刚度和阻尼亦有较大影响[20]。研究结果表明：齿面法向接触刚度和阻尼会随着微结构分形维数的增大而增大，随着特征尺度的增大而减小；而与磨削和铣削加工相比，电化学光整加工后的齿面微观形貌分形维数更大，特征尺度更小，从而使齿面法向接触阻尼更大，降低了齿轮工作时的振动幅度，提高了齿轮的传动稳定性。

1.2 激光刻蚀法制备齿面微结构

激光刻蚀法是通过将能量聚集在齿面需要加工的局部区域，使该区域的材料熔化、气化，以达到所需效果的一种方法。激光刻蚀辅以夹持装置、电机驱动装置和数控系统，最终完成在齿轮表面的微结构制备，如图1所示。激光刻蚀加工属于常规齿轮加工工艺之后的二次加工，其刻蚀出的微结构尺寸一般大于常规加工工艺留下的微结构尺寸。随着短波长和短脉宽激光的发展，激光刻蚀加工技术已经成为制备表面微结构的重要手段之一。

图1 激光制备齿面微结构

激光刻蚀法制备齿面微结构时，首先需要设置科学的激光参数。明兴祖等人[21-22]先后研究了飞秒脉冲激光、纳秒脉冲激光加工20CrMnTi齿轮过程中的烧蚀特性。研究结果表明：当齿面温度达到材料气化温度时，材料去除率明显提高，齿面粗糙度降低；随着温度的继续升高，烧蚀坑深度逐渐增大，但烧蚀率会下降，这是因为温度的升高无法改变材料表面的物理性能；飞秒脉冲激光的最佳能量密度为7.64 J/cm2，加工时几乎不会产生热影响区，得到的织构更加精细，但是其烧蚀作用只发生在材料表面，对材料内部的影响并不明显；纳秒脉冲激光的最佳能量密度为0.067 J/cm2，它的烧蚀深度能够达到几十微米，能加工出的尺寸范围更广，但会产生许多毛刺。

通常，需要激光刻蚀的区域是轮齿易发生断裂的齿根处和易发生齿面点蚀的齿轮节圆附近。吕尤[23]使用CT-200Ⅱ数控激光刻花机在齿轮表面进行加工。他设置脉冲激光器定点打标，并以数控机床控制齿轮的旋转和移动，成功在轮齿节线附近区域刻蚀出网格状微结构；后续性能检测表明，制备出的织构化齿轮具有更长的使用寿命。张永胜[24]使用JG20-1激光表面毛化处理机，以电机控制齿轮的转动，以指令控制激光束在指定区域内扫描刻蚀出微沟槽结构。经激光共聚焦显微镜观测，所加工出的微结构符合预设要求。邵飞先[25]则使用了激光智能仿生再制造系统在齿轮材料表面制备出了凸包型微结构。此系统的激光器由一个具有六个自由度的机械手控制，搭配控制系统能够在工件上加工出三维立体的微结构，并且具有极高的重复精度。Petare等人[26]在激光毛化刻蚀法的基础上，辅以磨粒流光整加工，在原本的沟槽状织构上磨出了一层与之垂直的纹理，形成网状纹理，同时也磨去了激光毛化处理时产生的毛刺，改善了齿面的微观形貌，如图2所示。后续性能检验发现，此方法较单一的激光刻蚀法，提升了齿面的抗接触疲劳性能和抗磨损性能。激光毛化处理与磨料流光整加工两者相辅相成，大大提高了齿轮的工作性能和使用寿命，降低了其工作时的噪声和振动。

图2 激光毛化辅以磨料流光整加工

1.3 掩膜电解法制备齿面微结构

电化学法是处于常温状态下的无机械切削力的加工手段，加工出的表面不会产生变形与毛刺，且适用于大批量加工，经济且快速。张腾飞[27]采用掩膜电解加工技术进行齿面微沟槽的加工。他选择负性光刻胶对齿面进行涂覆，覆盖上一层设计好形状的掩膜板后置于紫外光下曝光，使一部分光刻胶发生交联反应；曝光完成后，将齿轮浸于显影剂中，发生交联反应的部分被除去，即获得所需的光刻胶图案；电解时，以齿轮为阳极黄铜为阴极，NaCl、NaNO3等盐溶液为电解液进行电解，最后经除胶处理得到齿面带有微沟槽的齿轮工件，如图3所示；后续分析了不同加工参数对齿面微结构形貌的影响，证实了掩膜电解加工技术的可靠性。

综上，经对比发现：常规加工工艺留下的微结构的尺度较小，对齿轮性能改善的能力较弱；激光刻蚀法能够较为精准地加工出一定尺寸的微结构，但会留下残余热应力，并有较大毛刺需要后续处理；掩膜电解法能够一次性大批量地完成加工，更加经济快捷，但前期准备较为麻烦，且无法精确控制微结构的深度。

2 织构化技术对齿轮性能的影响

2.1 微结构对齿面润滑性能的改善

图3 模板电解制备齿面微结构

齿面润滑后，赫兹接触面间易生成油膜，而高低起伏的微结构则起到了干涉齿面润滑油流动形态的作用。微小的凹坑不仅能够储存余量的润滑油以确保齿面间的接触为固-液接触，改善齿轮的润滑效果，还能在高负载状态下产生额外的液压来承担一部分载荷，提高了齿轮的寿命。徐彩红等人[28]研究发现：在粗糙度较小的情况下（小于0.1μm），微织构的存在反而会使齿条传动机构的压力、膜厚和温升出现波动，对润滑不利；而随着齿面粗糙度的适当增加，润滑性能不降反升。李荣荣等人[29]分析了粗糙度逐渐增大时横、纵纹理对齿面润滑性能的影响，结果表明：适当提高齿面粗糙度时（大于0.5μm），横向纹理对油膜厚度起增大作用，而纵向纹理对油膜厚度起减小作用。高创宽等人[19]在此基础上研究了适当提高表面粗糙度时，横纵纹理对齿面应力变化的影响，发现两者均比光滑表面有更大的接触应力，但横向纹理齿轮的表面接触应力更接近光滑齿轮。黄尚仁等人[30]研究了乏油条件下表面纹理参数和表面粗糙度对齿面油膜寿命的影响，同样得出了表面粗糙度的适度增加可以延长油膜寿命的结论。所以，可以用其他方法在齿面加工出较大尺寸规整的微结构来达到这一效果。何国旗等人[31]以激光打标法在齿面加工出具有一定尺寸的微凹坑结构，并分析了齿面油膜厚度的变化情况；研究结果表明，凹坑型微结构在一定范围内能有效增加工作时齿面的油膜厚度。徐劲力等人[32]进一步研究了空化效应下齿面微结构参数对双曲面齿轮油膜承载力的影响，结果表明：若不考虑齿轮工作时存在的空化效应，最佳的表面形貌是截面为方形或梯形的结构；若考虑空化效应，则方坑型微结构具有最大的油膜承载力，同时其齿面摩擦力也最小，能够有效改善齿面的润滑。肖洋轶等人[33]将织构化技术和表面涂敷技术相结合，研究了表面微织构涂层的形貌参数对系统弹流响应的影响；研究结果表明，涂层基体的弹性模量差会影响齿面的应力集中，但存在一个最优的织构深度、宽度和密度，使得镀膜齿轮的润滑性能达到最佳。

2.2 微结构对齿轮摩擦磨损性能的改善

在齿面构筑了微结构后，齿轮得到了更好的润滑，摩擦学性能随之提升。汤丽萍等人[34]对比了激光凹坑织构（半径68μm、深度1.5μm）、Magg交叉纹理（宽度32μm、深度0.35μm）、普通磨削纹理（宽度64μm、深度0.7μm）的摩擦磨损性能，结果为激光凹坑织构最优。这也证实了适当提高齿面粗糙度能够提升齿轮的摩擦性能。Greco等人[35]单独研究了激光凹坑织构（直径85μm、深度7.4μm）对齿面抗磨损性能的影响，结果表明：纹理化试件的刮伤临界载荷比无纹理试件增加了183%，但在高载荷下齿轮的磨损率略有增加，而齿尖、齿根处所受载荷低于齿轮节线处，且出现的失效形式多为擦伤，故适用此微结构。该研究为了尽快得到齿轮刮伤的临界载荷，所加载荷较大（200~1 000 N）。与之相比，Choi等人[36]则在较低载荷下（2~10 N）测试了齿面凹坑微结构密度对其摩擦学性能的影响，测试结果表明：随着微结构密度的增大，表面摩擦系数先减小后增大，最佳密度为12.5%；随着载荷的增大，表面摩擦系数逐渐减小。而在齿轮常见载荷下（50~500 N），邵飞先[25]研究了乏油条件下凸包型、微圆坑型、微方坑型耦合仿生微结构的摩擦学性能，研究结果表明：具有一定深度的圆坑型微结构具有更好的减磨减阻效果，在载荷为50~100 N时，其摩擦系数随着载荷的增加会不断减小；随着载荷的继续增大，表面形貌就会被破坏，摩擦系数随着载荷的增加而增加。上述研究表明，在不同载荷下，表面具有一定尺寸微结构的齿轮有更好的摩擦学性能。但由于他们试验时摩擦面间的接触方式与齿面间实际接触方式不同，故试验方案仍需改进。

根据赫兹接触理论，可以得出齿轮啮合时是面接触而非线接触[37]，由此我们可以通过赫兹接触公式计算出齿轮啮合面间的赫兹接触压力P，以此来对比不同接触情况下啮合点处所受压力的情况，见式（1）：

式中：F为所受载荷，b为接触区域长度，ρ1、ρ2分别为两齿轮啮合点处的曲率半径，μ1、μ2、E1、E2分别为两齿轮的泊松比和弹性模量。

为了与实际情况相贴合，姜莉莉等人[38]选择了环-块线接触式摩擦磨损试验机来模拟齿轮啮合时的接触方式。实验结果为：面密度20%、深径比0.075的凹坑结构综合性能最优，且最佳形貌在高速轻载时可发挥出最佳的减摩耐磨性能；过大的面密度与深径比反而会降低齿轮的减摩减阻性能。为了方便比较，使用公式（1）将其所受力的大小转换为赫兹接触压力，制得图4、图5。此方法较好地模拟了齿轮啮合时的接触方式，但缺陷是实验中的摩擦形式为单一的滑动摩擦，忽略了齿轮啮合时滚动摩擦的存在。Li等人[39]弥补了这一问题。他们采用了双盘对滚摩擦实验，通过控制两圆盘的转速，来达到控制摩擦面间滚滑比（SR）的效果。以面密度9%、深径比0.04的微结构为例，试验结果如图6、图7所示：在SR为5%时，齿面摩擦系数会随着载荷的增加而降低，随着表面卷吸速度的增加而增加；但在SR为25%时，齿面摩擦系数在高载荷下表现为随着表面卷吸速度的增加反而降低。由此看来，在研究微结构齿面摩擦学性能的变化规律时，齿面间的滚滑比不可忽视。

朱佩元等人[40]同样选择了圆柱滚子对滚实验研究了凹槽形微结构的减摩耐磨性能，得到的最佳形貌为深10~40μm、宽140~170μm。呼咏等人[41]则发现，激光制备仿生沟槽微结构时，在凹槽边缘留下的较大残余压应力能够中和一部分有害应力，也起到了提高齿轮耐磨性能的作用。

2.3 微结构对齿轮动力学性能的影响

图4 赫兹接触压力对滑动摩擦系数的影响

图5 卷吸速度对滑动摩擦系数的影响

图6 不同滚滑比下赫兹接触压力对摩擦系数的影响

构筑微结构属于减材制造，由于改变了齿轮的外观，所以微结构对齿轮动力学性能的影响也不可忽视。崔有正等人[42]对织构化齿轮进行了模态分析，结果显示：在齿轮节圆附近引入仿生球形凹坑表面形态后，其各阶最大振幅均有减小，在节圆处的振幅减小幅度最大；且织构化齿轮的前10阶固有频率更小，范围更集中，不易与其他部件产生共振，如图8、图9所示。Gupta等人[43]测试了齿轮工作时的振动情况，考虑到齿轮啮合时表面同时存在滚动摩擦与滑动摩擦，且各个部位的摩擦形式不同，故在齿面的不同部位加工出不同大小的微坑以对应其不同的滚滑比，并对比了不同载荷和不同节距线速度下齿轮副的振动特性等。实验结果表明，齿面间赫兹接触压力为0.4 GPa时，齿面振幅在4 m/s和8 m/s的节线速度下分别降低了40%和51%，效果令人满意。这是由于微结构的存在改善了润滑情况，减小了齿面间的摩擦系数，增加了阻尼，从而使齿轮振幅减小，提高了齿轮的传动平稳性。

图7 不同滚滑比下卷吸速度对摩擦系数的影响

图8 普通齿轮与仿生齿轮的前10阶最大振幅

图9 普通齿轮与仿生齿轮前10阶固有频率变化曲线

何国旗等人[44]从啮合力和传动精度两个方面研究了微结构对面齿轮传动性能的影响。他们选取了圆形、三角形、正方形三种凹坑形貌面齿轮与常规面齿轮进行了对比，研究结果表明，微结构的存在会使齿面接触面积减小，故而啮合力均大于光滑齿轮，进而使得织构化面齿轮的传动误差也更大一些。三种形貌中，圆形凹坑形貌的面齿轮传动平稳性最接近光滑齿轮，在后续研究中确定了对面齿轮传动误差影响最小的圆形凹坑直径为300μm[45]，优化了微结构面齿轮的传动精度。

除此之外，微结构在齿轮根部也能发挥出令人满意的抗弯曲疲劳作用。韩志武等人[46]使用激光在齿根处刻蚀出网状微结构，并进行了双齿脉动载荷的弯曲疲劳试验。研究结果表明，微结构可以有效阻止齿根处疲劳裂纹的蔓延，大大改善了齿轮的抗弯曲疲劳性能。

3 齿面微结构的性能改善机理分析

3.1 改善润滑情况

在齿轮工作中，添加润滑剂能够将齿轮啮合时原本的固-固接触转化为固-液接触，从而降低磨损率。但若加量过多，齿面则有可能被润滑剂里的化学物质腐蚀。润滑剂会随着时间的推移逐渐耗尽，若得不到补充，齿轮会进入乏油润滑状态，极易引起齿轮失效。而在齿轮表面构建微结构，则可以有效地改善这一问题：（1）在乏油状态下，这些微结构可以起到储存少量润滑油的作用，不断地补充润滑油，帮助齿面上形成油膜，防止啮合处出现固-固接触现象。（2）在富油条件下，微结构中储存的润滑油会产生附加的流体动压力，引起动压润滑效应，每一个微坑中储存的润滑油都相当于一个微小的流体动压润滑轴承，承载了一部分外部压力，如图10所示。（3）齿面微结构会破坏流体的边界层，使边界层内的粘性流动部分与边界层分离，相当于减小了润滑油与齿面间的摩擦力；且在高温高压下，齿面微结构中易发生空化效应，破坏流体流动的稳定性，从而降低了固液间的摩擦力。

图10 微结构齿面润滑油的流动状态

3.2 减轻磨粒磨损

齿面上加工出的微结构凹槽能够收纳一部分生产过程中掉落到齿面上的废屑，减小出现划痕的概率。剩余未能收纳进微结构凹槽中的废屑，也会被高低错落的微结构磨圆棱角，在一定程度上减轻了磨损。

3.3 阻断裂纹扩展

齿轮内表层处会因为应力的积累而产生裂纹，进而发生齿面点蚀；齿根处会因受到较大的弯曲应力而萌生裂纹，最终导致轮齿折断。这部分累积应力的深度大都低于微结构的深度，在初始裂纹产生后，由于微结构的阻挡，裂纹大都无法继续扩展，少部分继续扩展的裂纹也无法产生大范围的破坏。同时，齿面微结构的制造过程也会在基体上残留大量的残余应力，如激光加工微结构时残余的热应力，磨削时产生的残余压应力等，这些残余应力都能中和大部分工作时累积的应力，从根源上减少了裂纹的产生，提高了齿轮的疲劳寿命。

3.4 加速温度耗散

高低错落的齿面微结构扩大了齿面的整体面积，加快散热速度；减小了齿轮啮合时的接触面积，提高了齿轮与空气之间传递热量的效率，故而延缓了齿面温升速度，更利于形成油膜，减小了出现齿面胶合的概率。

3.5 改变固有频率

在齿面构筑微结构一般属于减材制造，客观上改变了齿轮的形貌，故其前10阶固有频率和最大振幅也会随之变化。经计算，微结构齿轮前10阶固有频率的范围更小，最大振幅也更小。

4 总结与展望

国内外有关学者的研究表明：在齿轮表面构筑微结构可以改善齿面润滑情况，减轻磨粒磨损，阻断齿轮内部裂纹扩展，减缓齿面温升速度，改变齿轮固有频率；齿面微结构的密度与深径比对齿轮性能有较大影响；齿面间接触压力、卷吸速度和滚滑比的变化也会引起齿轮性能的变化；光栅型、网格型微结构多加工在齿根处，可以更好地改善轮齿的抗弯曲疲劳性能。综上所述，齿轮织构化技术具有巨大的潜力，但同时也有更多相关问题值得继续探索。

（1）从微结构形貌选择方面。目前，面密度、深径比、深宽比已被证实对微结构性能有较大影响，但对微沟槽的倾斜程度、排列方式，微坑内壁的曲率半径、底部的参数均未有实际探索。且受限于加工手段，加工出的微结构多为微圆坑形和微沟槽形，对于方坑、菱形坑等其他几何形状仅局限于模拟仿真阶段，缺乏对其实物的性能研究。

（2）从微结构位置选择方面。目前，微结构的形貌基本为连续相同的结构构成，但由于齿轮啮合时，啮合处的赫兹接触压力、卷吸速度和滚滑比都是随着啮合位置的变化而变化的，所以齿面不同位置处的最佳微结构形貌并不相同，后续研究需要重点考虑此变化。

（3）从微结构齿轮的性能检测方面。微结构改善齿轮表面诸多性能的同时，也破坏了齿轮表面的精度，且接触应力不可避免地变大，所以抗冲击性、减噪能力等其他性能也有检测的必要。同时，随着齿面间温度与载荷的增加，润滑油的性质也会产生变化，高温高压可能使润滑油部分气化，引起空化效应。目前缺少对微结构齿轮极端工况下的更多工作性能测试。

（4）从微结构齿轮的生产方法方面。在齿轮表面添加微结构只是齿面减摩的一种方法，多种方法的复合使用是一种新的方向，如激光毛化辅以磨料流光加工法、微结构-涂层复合法等，后续值得探究各种减摩方法之间的相互影响。现有的齿轮表面微结构加工工艺大多仅实验室可用，不适用于工业化流水线生产，需要继续优化。