近日，北航機械工程及自動化學(xué)院方正隆教授團隊聯(lián)合德國科學(xué)與工程院院士Dirk Biermann教授團隊、日本工程院院士杉田直彥教授團隊，在齒輪高性能制造領(lǐng)域取得突破性進展。相關(guān)研究論文《Towards understanding the surface strengthening mechanism in negative rake angle cutting of additively manufactured stainless steel》于2025年5月發(fā)表在國際生產(chǎn)工程科學(xué)院年刊《CIRP Annals》，該期刊為制造工程領(lǐng)域的國際著名學(xué)術(shù)期刊。方正隆教授為論文唯一通訊作者，北航碩士研究生柏廷越為唯一第一作者，北京航空航天大學(xué)為第一完成單位。
隨著人形機器人、新能源汽車等行業(yè)對齒輪輕量化和功率密度的需求持續(xù)提升，金屬增減材協(xié)同制造成為高性能齒輪制造的研究前沿?zé)狳c，可實現(xiàn)復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的輕量化齒輪高效成形。然而，增材過程引入的組織非均勻性對后續(xù)精加工過程造成了質(zhì)量挑戰(zhàn)，尤其是針對典型齒輪車齒、滾齒法中普遍存在的負前角加工機制，存在齒面表面微觀結(jié)構(gòu)及亞表面加工完整性演化機制不明的問題。由此研究團隊針對激光粉末床熔融制成的17-4PH熱處理不銹鋼開展了極端負前角切削機理研究。聚焦近表面材料組織變形變性機理，闡明極端切削條件下打印齒輪表面及亞表面的晶粒精煉及相變機制，揭示了微觀晶相結(jié)構(gòu)變形與馬氏體相變在表面強化中的關(guān)鍵作用，深入剖析了不同打印織構(gòu)在負前角加工條件下的組織響應(yīng)特點。
研究結(jié)果表明，不同掃描策略形成的晶體紋理通過各向異性的影響顯著改變了切削力及表面創(chuàng)成機理，即使在熱處理后仍然明顯。此外，晶粒細化與馬氏體相的演化行為存在耦合激勵效應(yīng)，通過定量化晶粒及相組織分析明確了晶界及相變強化是齒面強化的主導(dǎo)機制。此外，研究還明確了負前角加工誘導(dǎo)的馬氏體相變特征，為理解其在增減協(xié)同制造中的演化行為貢獻提供了新視角。隨后通過打印及切削參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)了“晶界強化”與“相變強化”的協(xié)同調(diào)控，獲得了較完整的馬氏體晶粒結(jié)構(gòu)，為提升齒輪增減協(xié)同制造表面質(zhì)量、實現(xiàn)輕質(zhì)復(fù)雜齒輪的高效加工奠定了理論基礎(chǔ)。
北航機械學(xué)院復(fù)雜曲面先進加工課題組聚焦智能機器人、新能源汽車等重要行業(yè)，長期致力于核心零部件的高性能加工技術(shù)與裝備研發(fā)，在高性能加工領(lǐng)域積累了深厚的理論及技術(shù)基礎(chǔ)。未來，團隊將進一步聚焦增減材制造齒輪的摩擦學(xué)性能與服役性能，持續(xù)推進關(guān)鍵零部件加工技術(shù)的創(chuàng)新與突破。本成果得到了國家自然科學(xué)基金委、德國洪堡基金會等項目資助。
