发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种有效合理的齿轮非光滑表面的加工方法，并通过相应软件的分析，设计出一种基于蜣螂头部表面凹坑形貌的新型齿轮，从仿生学的角度，在齿轮的设计和制造中引入非光滑表面来实现减摩，为齿轮副摩擦特性的“主动调控”提供了一条可能得途径。

仿生学是研究生物系统的结构、形状、原理、行为及其相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生是未来新材料设计和制造的潜在的最有效途径，利用自然界中某些生物或物体的表面非光滑形态具有的耐磨、减阻、抗粘附、润滑等特性，根据功能需要来设计结构参数并在加工过程中控制其形成，提出了仿生非光滑表面的齿轮模型。

非光滑形态是通过对生物体材料的结构和静态学、动力学性能研究提出来的仿生新思想。对蜕螂表面形貌的研究发现，其头部甲壳上均匀分布着类似四边形的凹坑，其体表凹坑深度15~20um，凹坑长度100～200m，凹坑宽度70~100um，凹坑的长宽比近似为2:1，这种体表形貌具有减阻、耐磨、抗挤压、抗裂纹等功能。根据蜕螂体表凹坑形貌的特性，可以将其耐磨、减阻、抗裂纹的特性应用于齿轮副传动以提高齿轮的使用寿命和力学性能。

一般材料的磨损一般分为三个阶段，即跑合阶段、稳定磨损阶段、急剧磨损阶段。通过对仿生非光滑表面的耐磨机理研究，具有凹坑单元的仿生非光滑表面在摩擦时对摩擦副具有“平整”作用，这种仿生非光滑表面上均匀分布的凹坑如同一把把“刀具”，加速去除摩擦副表面的微小凸起物，使得摩擦面之间的磨合速度加快，缩短了跑合阶段所需的时间。具有凹坑单元的仿生非光滑表面具有“储屑”作用，非光滑表面均匀分布的凹坑单元可以储存摩擦时摩擦副表面产生的磨屑，在很大程度上避免了磨屑对摩擦面的破坏，一定程度上避免磨粒磨损的产生。具有凹坑单元的仿生非光滑表面对摩擦副表面的流体动力润滑有积极的影响，具有凹坑单元的仿生非光滑表面如同“带储油供油功能的毛刷”，在摩擦过程中，摩擦表面之间将会形成一层均匀的油膜而且油膜的厚度相比于常规齿轮形成的油膜厚一些，同时仿生非光滑表面引起的“空穴”效应能够使摩擦面之间的润滑油膜稳定存在。在工作情况下，具有凹坑单元的仿生非光滑表面的局部应力小于普通摩擦面表面的应力，有效地改善了摩擦面的应力分布，降低了齿轮工作时出现滑动犁伤的概率。因此，具有凹坑单元均匀分布的仿生非光滑表面的齿轮相比于同种基体材料的常规齿轮有显著的抗磨损性能，提高使用寿命，并且在高速重载的极端工况下可以有效的实现齿面自润滑，降低齿面的摩擦和磨损。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

首先，本发明应用了先进制造技术中的仿生学理论，考虑到蜣螂经过几亿年的进化，其表面形貌必定属于较为优秀的生物结构，故选择蜣螂的外壳作为参考对象，并将蜣螂外壳的表面形貌应用于齿轮的齿面形貌上，当常规齿轮和所述的新型齿轮承受相同的交变载荷时，由于齿面上加工有所述纹路，故不仅能使得齿轮形变量减小，而且扩大了轮齿的表面积，提高了散热性，从而较好地消除轮齿升温后带来的不良影响。

其次，所述纹路也能用于润滑油、润滑脂等润滑剂的存储，保证更好的形成物理、化学吸附膜，减少齿轮啮合过程中齿面的摩擦，从而降低了齿轮发生点蚀和胶合的概率，并且能起到降低齿轮振动、冲击和噪声的作用。

最后，由于所述纹路采用高速铣削的加工方法进行制备，其齿面硬度等性能得到提高，材料组织更细化、均匀，从而不仅使得齿面的抗疲劳强度等力学性能得到提高。同时，采用球头铣刀进行齿轮表面铣削加工时，由于刀具球头部位具有独特的螺旋刃线结构，形成的表面形貌由规则的与工艺参数、切削轨迹、刀具倾角等加工条件密切相关的小凹坑形表面微单元排列组成，这与网状凹坑形仿生非光滑表面的形态结构非常相似，从而保证了齿轮表面的质量一致性。