ANALYSIS OF RESIDUAL STRESS ON TOOTH SURFACE OF SPIRAL BEVEL GEAR WITH SINGLE ABRASIVE GRINDING

CHANG Jibao; ZHANG Fengshou; LI Li; QU Yuanhao

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.010

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ANALYSIS OF RESIDUAL STRESS ON TOOTH SURFACE OF SPIRAL BEVEL GEAR WITH SINGLE ABRASIVE GRINDING

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-01-21

- ANALYSIS OF RESIDUAL STRESS ON TOOTH SURFACE OF SPIRAL BEVEL GEAR WITH SINGLE ABRASIVE GRINDING
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 1, Pages: 79-87(2026)
- 作者机构：
  
  1.河南科技大学机电工程学院，洛阳 471003
  2.川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，西安 710021
- 作者简介：
  
  ZHANG Fengshou, E-mail: fengshouzhang@163.com
- 基金信息：
  
  National Key Project of China(J2019-VII-0017-0159)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.010
  CLC： V232.8
- Received：08 May 2024，
  
  Revised：2024-06-17，
  
  Published：15 January 2026
- 稿件说明：
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昌继宝，张丰收，李莉，等. 单磨粒磨削弧齿锥齿轮齿面残余应力分析［J］. 机械强度，2026，48（1）：79-87.

CHANG Jibao，ZHANG Fengshou，LI Li，et al. Analysis of residual stress on tooth surface of spiral bevel gear with single abrasive grinding［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：79-87.
昌继宝，张丰收，李莉，等. 单磨粒磨削弧齿锥齿轮齿面残余应力分析［J］. 机械强度，2026，48（1）：79-87. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.010.

CHANG Jibao，ZHANG Fengshou，LI Li，et al. Analysis of residual stress on tooth surface of spiral bevel gear with single abrasive grinding［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：79-87. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.010.

摘要

目的

为揭示磨削参数对弧齿锥齿轮齿面残余应力的影响规律，解决现有研究中工艺参数与残余应力关联机制研究不足的问题，进而优化磨削工艺以提升齿轮承载能力与使用寿命。

方法

首先，基于Abaqus软件建立了单磨粒磨削弧齿锥齿轮有限元模型（采用Johnson-Cook本构与失效准则）。其次，通过单因素仿真方法分析了磨削速度、磨削深度及磨粒前角对残余应力的影响。再次，结合响应曲面法构建了残余应力预测模型，经方差分析验证了模型的可靠性。最后，基于可靠代理模型进行了多目标参数优化，并开展了对照试验验证。

结果

结果表明，齿面残余应力沿层深成“压应力-最大压应力（次表层）-拉应力-趋近零”分布；参数影响程度为磨粒前角>磨削深度>磨削速度；最优参数（速度25 m/s、深度0.01 mm、前角-48°）下，最大残余压应力达638.6 MPa，最小残余拉应力为24.9 MPa，可为齿轮磨削工艺优化提供依据。

Abstract

Objective

To reveal the influence law of grinding parameters on the residual stress of spiral bevel gear tooth surfaces

solve the problem of insufficient research on the correlation mechanism between process parameters and residual stress in existing studies

and further optimize the grinding process to improve the load-carrying capacity and service life of gears.

Methods

Firstly

a finite element model of single abrasive grain grinding for spiral bevel gears was established based on Abaqus software

with the Johnson-Cook constitutive model and failure criterion adopted. Secondly

the influences of grinding speed

grinding depth and abrasive rake angle on residual stress were analyzed through single-factor simulation. Then

a residual stress prediction model was constructed by combining the response surface methodology

and the reliability of the model was verified by analysis of variance. Finally

multi-objective parameter optimization was conducted based on the reliable model

and comparative tests were carried out for verification.

Results

The results showed that the residual stress of the tooth surface distributed along the layer depth as “compressive stress-maximum compressive stress (subsurface)-tensile stress-approaching zero”. The influence degree of each parameter on residual stress was ranked as abrasive rake angle>grinding depth>grinding speed. Under the optimal parameters (grinding speed 25 m/s

grinding depth 0.01 mm

abrasive rake angle -48°)

the maximum residual compressive stress of the tooth surface reached 638.6 MPa

and the minimum residual tensile stress was 24.9 MPa. This result can provide a basis for the optimization of gear grinding processes.

关键词

Keywords

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