高精度硬齒面齒輪的加工工藝現(xiàn)狀分析
2017-7-10 來源： 西門子機械傳動（天津）有限公司 作者：李國明
引言
齒輪傳動，作為一種高效的動力傳輸方式，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。隨著加工工藝的日趨更新，軟齒面齒輪已經(jīng)被逐漸的淘汰，取而代之的是滲碳淬火硬齒面齒輪。它在更小的體積內(nèi)，實現(xiàn)了更大的扭矩傳遞，并且在齒部的彎曲強度和接觸強度上，得到很大的提高。硬齒面齒輪傳動因其較高的承載能力和更長的使用壽命被各行業(yè)所認(rèn)可。
硬齒面齒輪是指硬度在 HRC40 以上的齒輪，通常都需要熱處理進行淬火或者滲碳淬火，在熱處理之后，由于熱處理會使工件產(chǎn)生變形，其熱前加工的精度會普遍降低 1-2 級，所以熱后需要進行精加工。這樣較高精度的硬齒面齒輪較普遍的加工方式為先進行滾齒，然后進行滲碳淬火，最后再進行齒面磨削，這樣的工藝可以使整個齒面得到相同的組織以及滲碳層深度，齒面最終硬度可以達到HRC58-HRC62，并且獲得很高的齒面幾何精度及表面光潔度。這也是現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的主導(dǎo)工藝，其核心工序為滾齒和磨齒。
1 、熱前滾齒
由于成本原因，較小模數(shù)工件用整體滾刀加工，材質(zhì)一般為帶涂層的高速鋼或者粉末冶金，頭數(shù)為 1-3，在刀具使用竄刀完畢后，需要進行修磨，并返回專業(yè)的廠家重新進行涂層，整體硬質(zhì)合金的滾刀因為性價比較低，使用較少；較大模數(shù)的齒輪由于滾刀體太大，成本太高，一般都設(shè)計為鑲刀片滾刀，這樣的滾刀需要定期檢查每一個刀片的磨損程度，并將已磨損或崩刃的刀片換掉；對于特大模數(shù)齒輪（一般為 M>22），一般都用齒輪銑刀加工。
滾齒作為粗加工工序，國內(nèi)的生產(chǎn)廠家如南京第二機床廠，秦川機床廠的滾齒機都可以達到 7-8 級的加工精度。歐洲知名的滾齒機生產(chǎn)廠家如 Pfauter、Liebherr 等，其機床的滾齒精度可以達到 6-7級，并且在加工穩(wěn)定性及壽命方面有較大優(yōu)勢。隨著機械行業(yè)自動化程度的提高，自動上下料傳送帶以及多工位上下料系統(tǒng)也被應(yīng)用于滾齒工序，配合高精度的自動漲緊夾具。使機床更換工件的時間將至最低，實現(xiàn)了加工-去毛刺-倒角同時進行。更大的增加了機床的使用效率。
2 、熱后磨齒
磨齒是獲得齒面高精度的最有效和最可靠的方法，將滾齒余量及其變形量磨掉。為了使齒輪在負(fù)載狀態(tài)下受力及嚙合更加合理，齒輪會在標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形和齒向上做一定的修正。CNC 磨齒機通過預(yù)設(shè)的參數(shù)，將齒部形狀磨削為要求的幾何精度。并且通過選擇匹配的砂輪及修整參數(shù)，磨削達到最終的粗糙度要求，行業(yè)內(nèi)普遍的要求為 Ra0.8，也有一些特殊應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電齒輪箱等，需要達到Ra0.6 甚至更高。其加工方法分為展成磨和成型磨。
（1）展成磨
為展成法加工，與滾齒原理相似。瑞士 Reishauer 公司最先發(fā)明并將其應(yīng)用，磨削過程中，由于砂輪與被磨削的齒部連續(xù)嚙合，從而展成齒部的漸開線形狀，并且在磨削過程中無中斷，所以其加工效率很高。實際加工中，由于砂輪尺寸原因，展成磨適用于加工較小模數(shù)齒輪（一般為 M<=12）。
磨削過程中，可使用氧化鋁材質(zhì)的砂輪，需要根據(jù)設(shè)定好的磨損壽命長度及串刀方式加工，較為優(yōu)化的串刀方式為，粗磨過程中對角線竄刀，即在磨削過程中竄刀，以砂輪的不斷更新來達到最高的材料去除效率；在精磨過程中為步進竄刀，用砂輪的同一位置磨削以達到齒面質(zhì)量的穩(wěn)定性。對單一品種齒輪的大批量生產(chǎn)，也可以使用高精度 CBN 蝸桿砂輪，可以更大的提高磨削效率，但是成本相應(yīng)較高。
展成磨對機床的精度及穩(wěn)定性有較高的要求，目前知名的機床公司有瑞士的 Reishauer，德國的 Liebherr，加工齒輪精度可以達到4-5 級甚至更高，國內(nèi)較為領(lǐng)先的廠家為秦川機床廠，加工精度可以達到 5-6 級。并且這些機床都具備了配套自動上下料系統(tǒng)的能力，并廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)和小型減速機制造行業(yè)，使硬齒面齒輪的精加工效率得到很大提升。
（2）成型磨
砂輪被金剛輪修整成與齒形相同的形狀，逐個齒進行磨削。這種生產(chǎn)方式較為柔性，在更換齒輪型號時，只需要將砂輪修整為與其對應(yīng)的形狀即可。整個修整與加工過程由預(yù)設(shè)的 CNC 軸進行控制。這項加工技術(shù)在國際上比較領(lǐng)先的公司有 Gleason、Hoefler 等，其生產(chǎn)的成型磨機床加工精度可以達到 3 級，而且由于整個齒面的形狀是由成型的砂輪一次連續(xù)磨削而成，所以整個齒面粗糙度可以達到 Ra0.4-Ra0.8。
在實際生產(chǎn)過程中，太高的表面質(zhì)量要求，以及高的磨削進給量，都會產(chǎn)生更高的燒傷風(fēng)險。不同的企業(yè)也都采取更為精細化的磨削參數(shù)進行加工，來保持成本優(yōu)勢。隨著科技的進步，一些新的工藝也正在出現(xiàn)來滿足市場需求，比如在成型模后進行超精磨，這樣工件的表面光潔度可以達到 Ra0.2；或者用雙磨頭加工，其中一個磨頭用于粗磨，另一個磨頭安裝特殊的砂輪用于精磨，來達到效率和質(zhì)量的雙贏。
3 、技術(shù)方向
對于高精度硬齒面齒輪的加工，主要技術(shù)方向為：（1）滾刀材質(zhì)和涂層技術(shù)，可提高滾齒的效率和機床利用率。（2）砂輪技術(shù)，隨著微控制技術(shù)的進步，砂輪的磨料排列方式及形狀將更為可控，更為優(yōu)化的砂輪將實現(xiàn)更高的磨削效率與更高的工件質(zhì)量。（3）加工智能化，機床在自動抓取工件的基礎(chǔ)上，對工件進行辨認(rèn)和識別，對有質(zhì)量問題的工件進行預(yù)先判定。（4）綠色加工，機床的能源利用效率將會更高；油氣分離技術(shù)將降低機床對空氣的污染；新的干切技術(shù)，也會大量降低油品的使用量，使加工過程更為環(huán)保。
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