提高滲碳淬火齒輪磨齒效率的方法分析

古彬宏

(太原重工股份有限公司 技術中心,山西 太原 030024)

1 齒輪成型磨削存在的問題

重載齒輪箱齒輪承受的載荷很大，要求具有傳動平穩、低噪聲、壽命長等特點。所以，對齒輪齒部的加工精度提出了很高的要求。而要提高齒輪齒部的精度只能通過成形磨齒機的磨削來保證。成形磨齒機將砂輪按齒槽的形狀進行修整，無需展成磨削，避免了傳統磨齒機因展成運動、角度運動、齒形齒向多方向誤差累計較大造成磨削精度低的缺點。

目前太重股份有限公司加工的齒輪類零件采用滾齒+滲碳淬火+磨齒工藝，齒輪滲碳淬火后表面具有很高的硬度，達到HRC58以上。而成形磨齒機在磨削時磨削效率較低、磨削加工時間長，所以磨齒往往是滲碳淬火齒輪所有加工周期中最長的機加工工序，是制約生產成套性的瓶頸。為保證滲碳淬火齒輪的齒形、齒向偏差、周節累計偏差、徑向跳動等的高精度，減小滲碳淬火齒輪磨齒的磨削時間，有利于提高生產效率，降低產品制造的成本。

齒面磨削示意圖如圖1所示。隨著砂輪的高速旋轉，將齒表面材料進行去除、成形。提高磨齒效率主要與砂輪的合理選擇、磨削參數的正確設置有關。

圖1 齒面磨削示意圖

2 砂輪的選擇

砂輪的選擇主要考慮磨料、粒度、硬度、結合劑等。

2.1 磨料

砂輪磨料的選擇主要與被磨工件材料及熱處理方法、硬度有關。砂輪需具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性和一定的韌性，同時還應具備鋒利的尖角，便于切削金屬。目前，磨料按組成成分不同主要分為以下三類：

(1) 碳化物：主要有黑碳化硅、綠碳化硅、碳化硼、立方碳化硅等，適合磨削不銹鋼、鑄鐵、黃銅和非金屬材料等。

(2) 氧化物系：主要有棕剛玉、白剛玉、鋯剛玉、單晶鋼玉、微晶鋼玉等，適合磨削碳鋼、高速鋼、軸承鋼、工具鋼等。

(3) 超硬磨料：主要有天然金剛石、人造金剛石、立方氮化硼等，一般磨削硬度高、脆性大的材料。同時金剛石類磨料也可作為修整砂輪工具。

對于滲碳淬火的齒輪齒面磨削，建議采用剛玉、陶瓷類磨料。

2.2 粒度

粒度是指砂輪顆粒規格的大小尺寸，砂輪顆粒規格尺寸越小，粒度牌號則越小；反之，則粒度牌號越大。砂輪粒度的選擇與齒輪磨削時的加工時間、齒面粗糙度有直接關系。

2.2.1 粗粒度砂輪適用條件

在下列情況下選用較粗粒度的砂輪進行磨削：

(1) 韌性大、硬度較低的零件。

(2) 導熱性差、易燒傷的材料。

(3) 進給量較大時。

(4) 齒面粗糙度要求不高時，即在滿足粗糙度要求的前提下，盡可能選擇較粗粒度的砂輪。

(5) 齒面與磨削接觸面積大時，應選擇較大粒度的砂輪，以防止磨削時產生過大熱量造成磨削燒傷。

2.2.2 細粒度砂輪適用條件

在下列情況下選用較細粒度的砂輪進行磨削：

(1) 齒面磨削時，提高成形砂輪的保持性，保證較高的磨削齒部精度。

(2) 齒面粗糙度要求較高時。

(3) 磨削齒面模數較小的零件。

滲碳淬火的齒輪在磨削時應該選擇粒度46～80的砂輪，可以增加砂輪與齒面磨削時的接觸面積，降低齒面的粗糙度。同時砂輪應具有一定的容屑空間，保證排屑和散熱性能。

2.3 硬度

砂輪的硬度是指齒輪磨齒時，砂輪高速旋轉，在機床軸向力、徑向力的作用下，砂輪表面上磨粒破碎或從結合劑中脫落的難易程度。選擇硬度偏軟砂輪的一般原則是：

(1) 加工材料硬度較低的齒輪，為增加磨削接觸面積，可使用硬度偏軟的砂輪。

(2) 磨削熱傳導率低和材質對熱溫度敏感的齒面，選擇軟砂輪。

(3) 砂輪的線速度較高時，使用硬度偏軟的砂輪。

(4) 為了提高磨削效率，可選擇軟砂輪。

選擇硬度偏硬砂輪的一般原則是：

(1) 被磨削的齒表面為斷續狀態時，選擇硬度偏硬的砂輪。

(2) 為保持較好的磨削精度，選擇硬度偏硬的砂輪。

滲碳淬火齒輪磨齒時選擇硬度中等偏硬的砂輪進行磨削。

2.4 結合劑

結合劑是把磨料粘結在一起的磨具材料，砂輪的強度、抗沖擊性、耐熱性等主要取決于砂輪的結合劑種類和性質。砂輪結合劑的分類及用途見表1。

表1 砂輪結合劑的分類及用途

對于滲碳淬火的齒輪磨齒，應選擇陶瓷結合劑的砂輪進行磨削。

3 磨齒機參數優化

3.1 磨削參數優化

根據砂輪磨削特性，合理提高磨削參數。我廠磨削參數優化前、后的磨削效率對比如表2所示。

表2 磨削參數優化前、后的磨削效率對比

3.2 砂輪修整參數優化

對砂輪修整參數進行優化，增大單次修整量，便于去除氣孔內殘余的磨削碎屑，同時有利于保持砂礫的自銳性。因修整次數的減少，也極大地減少了磨削時間。某砂輪修整參數優化見表3。

表3 砂輪修整參數優化

3.3 砂輪直徑參數優化

為防止磨削燒傷，對砂輪直徑參數進行優化，即要求：

其中：Cb為磨削回火系數；ds為砂輪的外圓直徑；ap為進給深度；vs為砂輪旋轉線速度。

3.4 監控成形磨齒機功率

齒面磨齒時，成形磨齒機功率需在一定范圍內，為防止磨削燒傷，磨削時功率一般不超過機床額定功率的60%，即要求：

η·pc-0.035 8(ap·f·vs)0.7≥0.

其中：η為成形磨齒機主電機到主軸間的傳動效率，取0.95；pc為主電機額定功率的60%；f為砂輪進給速度。

優化磨削參數后對成形磨齒機功率進行監控，可避免因磨削參數設置過大造成磨削功率過高，從而引起齒面燒傷。主軸功率監測界面如圖2所示。

圖2 主軸功率監測界面

4 結語

通過對砂輪的合理選擇和磨齒機參數的優化，最終提高了齒輪磨齒效率。如某齒輪，原磨齒時間為10小時46分鐘，參數優化后磨齒時間為5小時54分鐘，加工效率提高了82%。

齒輪磨齒效率的提升，有力地保障了我廠按期完成生產任務，同時減少了大量的外協成本支出。