齒輪齒面熱后硬刮工藝驗證

王國強 宋 輝

齒輪是輪緣上有齒、能連續嚙合傳遞運動和動力，能互相嚙合的機械零件。齒輪在現代工業發展中占有重要地位，是不可或缺的零件。它的傳動比較準確，效率高，結構緊湊，工作可靠，壽命長。隨著現代工業技術的發展，齒輪精度要求提高很多，從原來8級精度調高到6級精度，甚至更高，要想達到如此高精度的齒輪，現在大多數齒輪行業都采用熱后磨齒工藝來保證，雖然磨齒零件精度得到保證，但是其壽命比原來減少不少。為此，我廠利用先進設備優勢驗證了熱后齒面硬刮工藝的可行性，以提高精加工齒輪的使用壽命。

1 齒輪零件齒面的工藝特性

齒輪傳動廣泛應用于機床、汽車、飛機、船舶及精密儀器行業中，因此，在機械制造中，齒輪生產占有極其重要的位置。齒輪傳動在我國的發展是從漸開線齒廓起步的。漸開線齒輪在技術上最成熟，應用最具備條件，因而使用也最普遍，并在機械傳動設計中占有主導地位。

隨著國外機械產品的引進與齒輪制造水平的提高，齒面經滲碳淬火、氮化、或感應淬火處理的所謂硬齒面漸開線齒輪開始為人們所重視。這種齒輪由于齒面硬度高，輪齒精度好，大大提高了承載能力和使用壽命，并且結構尺寸小，使得齒輪裝置的成本大為降低。

齒輪產品的質量和性能，除依賴于合理而先進的設計方法外，主要決定于齒輪制造水平的高低。近些年來，我國齒輪制造能力和水平已有長足的發展，齒輪精度等級普遍有所提高。對于不同類型的齒輪、齒廓形狀、齒面硬度、結構形式、精度等級與生產條件，可選擇不同的工藝方案。一般來說，齒輪制造工藝過程包括材料制備、齒坯加工、切齒、齒面熱處理和齒面精加工等五個階段。常用的輪齒加工方法有銑齒、滾齒、插齒、剃齒、絎齒和磨齒等，其相應的齒輪加工機床與切齒工具一般均能立足于國內。其中圓柱齒輪在機械產品中應用廣泛，規格品種繁多，長期以來采用漸開線齒廓。多數選用中碳合金鋼與滲碳合金鋼兩種，少數采用氮化鋼。按其性能規定相應的熱處理工藝，如調質、感應淬火、滲碳淬火與表面氮化等。在切齒工藝方面，對于汽車、拖拉機批量生產中，通常采用滾齒→剃齒→熱處理→絎齒的工藝流程；對于低速重載與高速齒輪，一般采用滾齒→滲碳淬火→磨齒的工藝流程。

一般滾齒加工的齒面精度可以達到8～9級，剃齒后達到7～8級，經過熱處理變形后控制在8級，對于稍高精度的齒輪采用熱前滾齒留磨量，熱后磨齒加工，修正熱處理變形量，保證6～7級精度。目前這種工藝方案已為多家制造企業采用。

2 一般齒面加工方法的齒形精度

以我廠生產的拖拉機動力傳動結構中太陽輪軸零件為例，進行具體描述和驗證。零件號：1204.39.103，如圖1所示，以下簡稱103，零件大端齒部參數如表1所示。

表1 零件大端齒部參數

2.1 滾齒

滾齒加工是用展成法原理來加工齒輪。用滾刀來加工對輪相當于斜齒圓柱齒輪副嚙合。滾齒機是齒輪加工機床應用最廣泛的一種機床，在滾齒機上可切削直齒、斜齒輪，還可以加工渦輪、鏈輪等，一般可分為立式和臥式兩種。該零件采用我廠Y3150E普通滾齒機加工，工藝參數：一刀加工，N=100r/min，S=1.41mm/r。加工后測量齒面精度，如圖2所示。

圖1 太陽輪軸零件外觀

圖2 滾齒加工后測量齒面精度

2.2 剃齒

剃齒加工是根據一對螺旋角不等的螺旋齒輪嚙合的原理，剃齒刀被切齒輪的軸線空間交叉一個角度，它們的嚙合為無側隙雙面嚙合的自由展成運動。剃齒機以齒輪狀的剃齒刀作為刀具來精加工已經加工出的齒輪齒面，按螺旋齒輪嚙合原理有刀具帶動工件自由旋轉對圓柱齒輪進行精加工，在齒面背剃下微絲狀的細屑，以修正齒形和提高表面光潔度。一般分為立式和臥式兩種。該零件采用我廠YW4240數控剃齒機加工，工藝參數：分三個行程，N=150r/min，S=80mm/min。加工后測量齒面精度，如圖3所示。

零件做一對一記號，熱處理后測量齒面精度，如圖4所示。

圖3 剃齒加工后測量齒面精度

圖4 熱處理后測量齒面精度

2.3 磨齒

磨齒是利用砂輪作為磨具加工圓柱齒輪或某些齒輪加工刀具齒面的齒輪加工機床。主要用于消除熱處理后的變形和提高齒輪精度。一般分為蝶形砂輪磨齒機、錐面砂輪磨齒機、蝸桿砂輪磨齒機和大平面砂輪磨齒機。該零件采用第一拖拉機股份有限公司齒輪廠YK7332成形磨齒機進行加工，工藝參數：4個行程，N=9000r/min，S=3.5m/min。加工后測量齒面精度，如圖5所示。

圖5 磨齒加工后測量齒面精度

從圖5可以看出，磨齒精度可以達到7級，且齒面粗糙度達到0.8，滾齒、剃齒零件在熱處理后齒向存在變形，經過磨齒修復可以提高精度2～3級。但是，磨齒后零件滲碳層厚度減小，并且部分零件齒面上有磨削裂紋，在整機運行過程中很容易出現打齒現象，使用壽命不高，給用戶造成很大的經濟損失。為了改變這種問題，我廠想了很多種辦法，最終決定驗證熱后齒面硬刮工藝的可行性。

3 齒面硬刮工藝驗證

為了改進磨齒齒輪零件壽命短的缺點，且不影響其精度等級，采用熱前留余量熱后用硬質合金刀硬刮工藝，經驗證熱前留余量0.15+0.05mm最佳，最省刀具，加工效率最高。因為熱后零件齒面硬度較高，齒面要求精度高，所以必須采用專用高效數控機床和硬質合金刀具。本文利用我廠進口設備利勃海爾滾齒機優勢進行驗證。加工機床型號：LC300，如圖6所示，特點可以自動對齒。刀具：藍幟3A級滾刀。切削參數：一刀加工，N=70m/min，S=1.2mm/r。加工零件齒面外觀如圖7所示，加工后測量齒面精度，如圖8所示。

圖6 利勃海爾滾齒機LC300

圖7 加工零件 齒面外觀

圖8 加工后測量 齒面精度

經過小批量試制加工后，齒面精度都能滿足工藝要求，且比較穩定。該批零件裝到整機后使用性能良好，沒有出現打齒現象，用戶反饋較好。

4 結語

該方法完成了對熱后齒面硬刮工藝的驗證，并且實現了批量加工，工藝產品的穩定性得到了保證，產品使用壽命有了明顯提高，得到了用戶的好評。隨著未來硬件資源的優化配置以及技術水平的提高，熱后硬刮加工效率大幅提高，成本相應下降，齒輪熱后硬刮技術在未來高科技發展領域中定會逐步推廣應用。

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