汽車齒輪珩齒加工缺陷的工藝改進新方法

馮春亮

（青島膠東臨空經濟示范區管委會，膠州 266300）

在汽車、機械與航天等多個領域中，許多用于生產制造的機械設備均包含齒輪軸這一部件。在一些小規模生產企業中，因為所用的機械設備較為分散，生產力較低，在齒輪珩齒加工中常常存在工藝缺陷，所以需要根據設計要求對加工工藝進行改進創新，以此來提高珩齒加工質量，避免出現預檢不合格、珩磨輪打齒等情況，促進提升整體加工水平，取得理想的工藝應用成效。

1 汽車珩齒加工技術原理

在汽車制造業中，強力珩齒的應用較為廣泛，以德國大眾的MQ 與DQ 系列變速器為例，其高速檔位多采用珩齒與磨齒相互嚙合的方式傳動。變速器是動力汽車中的主要部件之一，其傳動性能對整車運動效果具有直接影響，若變速器傳動性能良好，且變速器整體具有噪聲效應低、可承載沖擊力強、傳動速度快等特點，則需要使用精度較高的齒輪。現階段，多采用強力珩齒、蝸桿砂輪磨齒工藝來提高傳動性能。但因為個別齒輪結構復雜，且蝸桿砂輪在經濟性方面存在劣勢，所以強力珩齒工藝的應用頻率較高。其加工技術原理主要為交錯軸齒輪內嚙合，加工時，珩磨輪安裝在外側，設置在機床珩磨頭的位置，被加工對象安裝在內側，設置在主軸上，珩磨輪中心與工件中心預留一定角度，即軸交角，如圖1 所示。由圖1可知，軸交角為β1與β2之和，其中β1與β2分別為工件和珩磨輪的螺旋角。零件齒輪與砂輪不但具有徑向切削力，且刀具砂輪還可順著軸向方向循環直線運動，使軸向與徑向切削互相配合，從而構成錯綜復雜的交錯網紋面，使齒輪嚙合更加穩定，并延長該部件的使用壽命[1]。

圖1 強力珩齒技術原理圖

2 汽車齒輪珩齒加工缺陷成因與處理方式

2.1 預檢不合格

預檢對待加工工件精度的要求較高，但是在工件加工期間難免有一些雜質附著在表面，有時還會粘在檢測輪上，此時可利用高壓風槍進行清理；若檢測輪磨損嚴重，同樣會影響預檢結果，此時可通過更換檢測輪的方式解決。另外，由于前幾道工序的偏差累積，而導致部分待加工工件自身質量較差，也會導致預檢不合格，針對這種情況，可根據跨棒距尺寸、預檢跳動值等判斷這一工件能否使用，若徑向跳動值超過設定標準，或者臨近下限，則應報廢；反之則可在對其進行加工改進后，繼續投入使用。針對待加工件齒厚較薄的情況，此類工件很容易產生廢品，基本沒有加工意義，可直接報廢處理。若工件齒厚較厚，加工時珩磨齒頂位置可能與齒根處相互干擾，從而使珩輪打齒風險提升，因此也需要報廢處理。

2.2 珩磨輪打齒

珩磨輪材質較為脆弱，在加工期間很容易出現打齒情況，且以整圈打齒為主，主要原因如下。一方面，滾刀設計不夠合理，滾齒在珩齒之前開展，此時若滾齒加工的產品與珩齒加工不匹配，如凸角設計偏小等，珩齒工件的漸開線根部便會產生較大的臺階，從而導致珩磨輪打齒。對此，應在滾刀圖紙設計階段進行優化，如適當放大滾刀凸角等。另一方面，砂輪參數設置不準確，在珩磨輪修正期間，若修正后齒長過長，在加工中齒頂勢必會與產品根部發生接觸，從而引發打齒。對此，可調整齒面參數，適當減少修正工具中“齒長修正”的數值即可。

3 汽車珩齒加工工藝與缺陷改進的實例分析

3.1 工藝特點

以MQ200 與MQ250 兩種類型的變速器齒輪為例，二者的加工形式基本相同，以滾齒倒棱、珩齒加工為主，但在具體加工工藝上有所區別。例如：MQ200使用滾齒倒棱一體技術，通過粗滾—倒棱—精滾的方式，有效剔除了倒棱在齒面上的高點，從而提高加工效率；MQ250 采用熱處理前焊接工藝，將齒輪、齒座與齒環相結合，構成整個換擋齒輪。MQ250 所采用的工藝優勢在于成本較低，缺陷在于結合齒環沒有后續加工，在熱處理后容易出現變形。珩齒工藝的特點在于增加一項“硬車加工”環節，即在熱處理完畢后，對配合面進行車削加工，從而使精度滿足要求，這種方式的優勢在于齒環不會在熱處理作用下發生變形，可使齒座與齒環充分配合，不足在于使用該工序會使投入成本增加[2]。

3.2 缺陷問題

在汽車齒輪精加工領域，珩齒加工屬于關鍵環節之一，它對珩前零件凈尺寸具有嚴格要求。因此，在正式加工之前，需要采用預檢系統對零件齒輪、預檢輪進行雙向滾動測試，依靠中心距離預測偏心徑跳、高點等是否位于合理范圍。在大批量生產期間，與磨齒相比，珩齒加工缺陷的發生率更高，如預檢不合格、砂輪打齒等等，具體成因如下。

3.2.1 預檢不合格

導致該問題的原因主要是齒面存在高點，經過熱處理后發生變形，從而使徑跳增加，加工余量過多或者不足。主要表現為MQ200 與MQ250 的不合格率分別為0.2%與30%。

3.2.2 砂輪打刀

導致該問題的原因主要是在加工期間切削力度過大、設備精度較低、刀具存在質量問題等。主要表現為砂輪異常受損[3]。

3.2.3 齒面黑皮

導致該問題的原因主要是加工余量較少、設備精度較低、熱處理后變形不夠均勻。該問題導致的缺陷比例近似為0.1%。

3.2.4 尺寸不符合標準

導致該問題的原因主要是設備精度較低、刀具存在質量缺陷、熱處理后變形不夠均勻。該問題導致的缺陷比例近似0.1%。

3.3 改進方法

根據上文可知，MQ250 變速器的主要不足在于預檢不合格，缺陷不合格率在30%左右，主要成因在于齒面存在毛刺高點，從而導致在擠壓倒棱中難免在端面、齒面等處形成高點，如圖2 所示。對于端面上的高點，可采用毛刺刀將其剔除，但齒面上的高點仍然很難去除。一般在生產大批量產品時，針對預檢不合格情況，需要采取返修方式處理；針對較為嚴重的高點，可由技術人員手動去除；對于不嚴重的高點，可適當增加預檢范圍，使不合格的零件也能夠達到預檢標準，但此舉很可能出現珩齒砂輪打刀情況。對此，本文提出兩種改進方案，有效消除了該工藝存在的弊端[4]。

圖2 擠壓倒棱示意圖

3.3.1 方案一

針對預檢不合格的情況，可優化標準工藝，在滾齒與倒棱的基礎上，利用剃齒機去掉齒面上的高點，再經過熱處理后珩齒。此舉并不能徹底實現剃齒加工的目標，只是在表面用剃齒設備緩慢地將齒面兩側的倒棱毛刺去除。滾齒倒棱后將零件送檢，根據檢測報告可知，齒輪兩側面均帶有毛刺高點，且毛刺較為顯著，高度在0.02 mm 左右；剃齒設備輔助去除高點后進行送檢，根據檢測報告可知，齒面兩側的毛刺高點被徹底消除。前者未能順利通過預檢，在預檢設備中發出報警，并在檢測界面彈出“齒面高點”的提示；而后者順利通過預檢，這意味著剃齒設備的應用可充分發揮輔助作用，充分剔除毛刺高點。在使用這種操作工藝后，MQ250 變速器的缺陷比例下降到了1%，預檢問題得到了妥善解決[5]。

3.3.2 方案二

此方案是優化珩前毛坯質量與加工余量，由此降低加工缺陷比例，具體措施如下：在熱處理之前實施剃齒工藝粗加工齒面，再利用滾齒倒棱、熱處理、珩齒加工。雖然剃齒與珩齒均屬于精加工，實際操作時選擇其中一種即可，但在珩齒之前實施剃齒可使粗加工效率更高，從而有效避免產生珩齒缺陷，具體操作如下。一方面，優化珩齒余量。先利用剃齒工藝粗加工齒面，再對零件進行兩次精加工，并重新劃分加工余量，使珩齒余量與常規值相比單側降低0.02～0.04 mm，剃齒余量與常規值相比單側降低0.02～0.05 mm。根據大量生產實踐可知，針對砂輪打刀問題可通過減少加工余量的方式解決，珩齒打刀不但會造成設備故障，還會降低生產設備的運行效率，進而減少生產量，若未能及時處理，還會增加刀具與維修方面的成本投入。通過減少珩齒余量的方式，可使生產節拍提高3 s，從而使生產效率與產量得到極大提升。另一方面，優化齒輪參數。針對齒形角、鼓形量、齒向角偏差等，可通過熱處理變形進行校正，這種方式對珩前毛坯質量也將產生一定影響，若變形過度，便會影響加工期間的切削力與預檢結果，從而使零件齒面形狀發生改變；若齒形角的偏差過度，還可能使零件黑皮，從而導致裝配后變速器會產生嚙合噪聲，但由于滾齒預修行能力較弱，只能使齒向角朝著偏差相同的方向調整[6]。

3.3.3 兩種方案對比

針對上述兩種應用方案，通過質量、效率與成本等方面的對比，可為汽車企業的生產工作提供參考依據。對于方案一來說，可妥善解決齒面倒棱高點、珩齒砂輪異常磨損、零件測量缺陷以及珩齒黑皮等問題，并降低打刀頻率，且珩齒效率不會受到過多影響，采用舊剃齒設備便可實現，刀具成本為每臺0.2 元；對于方案二來說，珩齒余量可降低0.02～0.04 mm，在修正余量與熱變形后，每年可使打刀砂輪數量降低0～5 片，并且避免了珩齒黑皮情況，生產節拍可提高3 s，每年處理打刀故障停臺的時間可縮短為1 200 min，成本每臺只增加2.1 元，若剃齒刀磨床中的零件能夠共用，則成本可進一步降低。從整體來看，方案二在質量、效率與成本方面更具優勢，值得投入到實際生產之中。

4 結語

綜上所述，珩齒是汽車齒輪精加工方面的關鍵工序之一。為提高加工質量與效率，本文提出兩種改進方式，一種是在熱處理前利用剃齒設備輔助去除高點，另一種是用剃齒設備粗加工珩前毛坯齒面，兩種方式均可解決預檢不合格及砂輪打刀等問題。根據應用結果可知，方案二在成本、質量與效率方面更具優勢，企業可根據實際情況酌情調整，使生產效率達到最大化。