硬齒面滾齒工藝在輪拖齒輪軸加工中的應用

張晨+路陽

摘 要：闡述了硬齒滾齒工藝在輪式拖拉機末端傳動系零件太陽輪軸加工中的應用。針對此零件的結構，利用高精度設備，設計、選用專用工裝、刀具，合理優化切削參數，使零件精度達到國標7級以上，為硬齒面滾齒工藝的推廣應用提供參考。

關鍵詞：硬齒面；齒輪軸；滾齒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.018

1 概述

硬齒面滾齒革新了硬齒面精加工工藝，采用硬質合金滾刀覆涂后滾削齒面，相對磨齒有較高的效率，目前在國內外都有應用。主要用于齒輪熱后精加工和熱后磨齒前半精加工，是修整熱處理變形，提高精度的有效方法。對精度高于6級且產量很大的零件，該工藝代替粗磨，切除輪齒的熱處理變形，預留很少和均勻的精磨齒余量，提高了磨齒質量，縮短了磨齒時間。為普通精度淬硬齒輪，在高端滾齒機上利用硬質合金滾刀精滾齒面及拖拉機變速箱齒輪及末端傳動系零件齒面加工創新提供工藝保障。

2 工件結構與技術要求

圖1 所示為拖拉機末端傳動系零件太陽輪軸，模數m=4mm，材料為20CrMnMo，滲碳淬火，硬化層深1.0～1.3，齒面硬度58HRC～62HRC。G處齒輪精度等級GB7級，齒形公差ff=0.014，齒向公差Fβ=0.016，粗糙度Ra0.8，要求與F處花鍵同軸度Φ0.04。

3 加工方案設計與驗證

（1）對設備的要求。由于熱后工件齒面硬度高，加工時刀具與工件有較大沖擊力和切削熱，要求機床有很好的剛性及充分的冷卻。零件熱后硬滾屬于精加工，要求機床有穩定的、較高的傳動精度。熱后滾齒要求滾刀齒與工件齒槽對準后高效切削，要求機床帶自動尋齒對齒功能。本零件采用進口六軸四聯動數控機床，并帶有自動尋齒對齒裝置，為硬滾工藝的實施提供了設備條件。

（2）定位、加緊方案的選擇與夾具設計。方案：工件熱前所有制齒加工基準統一為左端B4中心孔與右端內孔30°外倒角，為保證熱前熱后基準統一，仍選用與熱前相同的基準，保證了F、G齒的同軸度要求。加緊方案：采用拉桿脹套方式脹緊端頭內孔，利用機床自動拉緊機構實現快速加緊工件。

（3）硬滾刀具的設計[1]。目前，世界各國刀具廠家所設計的硬質合金滾刀，其結構主要有3種：整體式、機夾式、焊接式。整體式硬質合金滾刀刀齒和刀體用一整塊硬質合金加工而成，其優點是剛性強，機械加工省時，可做到較高精度，目前技術可做到模數m=5mm以下，但損耗昂貴的硬質合金較多，成本高；機夾式硬質合金刀片用螺釘壓至工具鋼刀體上，機夾式結構比較復雜，夾緊可靠性也較差，適合大模數齒輪加工，但是在加工大模數淬硬齒輪時，齒面的擠壓力較大，且交變作用顯著，因此對刀片的夾緊要求較高；焊接式硬質合金滾刀刀片焊接至工具鋼刀體上，其優點是結構簡單，聯接強度高，而且硬質合金刀片燒結容易，材料節省，應用較廣泛。但由于焊接應力引起的裂紋一直是產品質量不穩定的因素，因此需要較高的焊接技術；并且此種滾刀實際加工中無法達到理想的切削速度。

相比而言，整體式硬質合金滾刀其剛性強，精度高，覆涂后可達到較高的切削速度，更適合此零件的加工，所以選用進口整體式硬質合金滾刀。由于零件硬度高，而硬質合金材料的沖擊韌性較差，因此，在硬齒面滾齒時，極易產生崩刃，崩刃是硬質合金滾刀要解決的主要問題。從理論上分析，隨著硬質合金滾刀負前角的增大，滾刀側刀刃傾角增大，使滾刀刀齒平穩地切入金屬層，從而減小了沖擊，保護硬質合金刀齒不致崩刃，耐用度明顯提高。為此，設計滾刀時，采用大負前角的特殊形式，并覆涂TiN、TiALN和碳復合納米材料，使滾刀的耐用度大幅度提高。由于此零件熱后硬度58HRC～62HRC，結合刀具結構，采用廠家推薦的-20°前角。

（4）加工余量及切削參數的選擇[2]。a.切削余量。一般情況下，齒厚單面切削余量不超過0.2～0.25mm，否則將增大滾刀軸向切削分力和加快刀具磨損，降低硬滾精度。硬齒面滾齒零件在軟齒面滾齒時要用配套設計的滾刀（或配套磨前滾刀），根據熱處理變形公法線一般預留0.15～0.30mm的熱后滾削余量。熱后硬滾時應避免滾偏造成兩齒面余量不一致，導致刀具受力不均而崩齒；另外，齒底不應預留應熱后滾削余量，避免滾刀刀尖滾削齒底而造成滾刀耐用度降低。

b.切削速度。當切削速度較低時，由于滾刀與零件摩擦刮削，造成硬質合金滾刀磨損較快，且齒面光潔度較差；隨著切削速度的提高，硬質合金滾刀磨損逐漸減緩，光潔度也有所提高。實際加工表明，高效數控滾齒機利用涂層硬質合金滾刀可將切削速度提高至50～90m/min，齒面粗糙度可達Ra0.8。

c.走刀量。實際加工表明，軸向進給在齒面的痕跡在一定程度上轉化為齒形誤差，隨著走刀量的增加，誤差也相應增大。根據不同機床及不同零件精度，可取走刀量S=1.1mm/r～2.4 mm/r。

4 結論

經驗證，最終確定公法線熱后滾削余量為0.20mm，滾刀切削速度70m/min，走刀量1.4mm/r，加工精度可滿足GB6級，齒面粗糙度Ra0.8，單件加工時間4.5min，效率是普通數控磨齒機的2～3倍。注意事項：（1）要考慮設備剛性和精度；（2）合理選用滾刀結構；（3）正確選擇和規范切削參數，采用逆銑法加工。之外，還應選用與熱后滾刀匹配的熱前滾刀，并預留合適、均勻的切削余量，才能保證高質量、高效率。隨著數控技術的廣泛應用，齒輪加工也向高精度、高效率、高齒面硬度發展，新型高效硬滾刀具將會取得新的研究成果，必定會為硬齒面滾齒技術的推廣應用打開新的大門。

參考文獻：

[1]丁亞軍.硬齒面滾齒工藝及滾刀的設計與使用[J].機電工程，1999（04）：62-63.

[2]宋寧.采用硬質合金滾刀加工硬齒面齒輪[J].機械管理開發，2002（05）：16-17.

作者簡介：張晨（1989-），男，本科，助理工程師，主要從事機械設計與制造管理研究。