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刮削滾齒精加工工藝特性與試運(yùn)用研究

發(fā)布時間:2022.08.23    點(diǎn)擊數(shù): 74769

       硬齒面齒輪主要運(yùn)用于車輛、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域的動力輸出變速裝置中。硬齒面刮削技術(shù)是使用硬質(zhì)合金滾刀來對硬齒面齒輪進(jìn)行精加工和齒輪磨前半精加工的工藝技術(shù),齒面硬度可達(dá)到45~64HRC,而加工精度可達(dá)5~7級,齒輪表面粗糙度為Ra(0.6~1.25)μm,可部分替代磨齒和剃齒進(jìn)行修形,以消除淬火(熱處理)造成的變形。其加工效率比錐面砂輪磨齒機(jī)高5~6倍,而生產(chǎn)費(fèi)用遠(yuǎn)低于磨齒,同時加工后齒面晶粒細(xì)化組織優(yōu)于磨齒和剃齒。通過研究與試運(yùn)用,該技術(shù)對企業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)有著積極的意義。

       硬齒面齒輪主要應(yīng)用于車輛、船舶、工程機(jī)械、航空等領(lǐng)域的動力輸出變速裝置中。對于淬火后的硬齒面齒輪的精加工,一般都采用磨齒、珩齒和剃齒進(jìn)行修形工藝方法,以消除淬火(熱處理)造成的變形,這是高精度硬齒面齒輪制造必不可少的關(guān)鍵工序,這不僅能提升齒輪的綜合精度和嚙合狀態(tài),還能提高齒輪的實(shí)際使用壽命,但是這種方法效率較低。 

01硬齒面齒輪精加工主要方法
 
       現(xiàn)滲氮或滲碳淬火后的硬齒面齒輪一般工藝流程為:鍛造→正火→粗車→開齒→滲碳淬火→修磨基準(zhǔn)→磨齒和剃齒修形。這種方式效率較低,雖磨齒精度較高(可達(dá)到3級),但設(shè)備的價格較高,一般企業(yè)很少使用。同時磨齒存在散熱較差的問題,易造成齒面局部“燒傷”而形成缺陷;而剃齒效率較低,提高切削速度雖會提升剃齒精度和加工效率,但刀具易磨損降低壽命(刀具制造成本較高),甚至還會引起機(jī)床頂尖的燒損等。
 
       滾齒加工是連續(xù)展成運(yùn)動切削的制齒方法,所以其生產(chǎn)效率(是各種機(jī)械加工制齒效率最高和最廣的制齒設(shè)備)、漸開線齒形精度較高且穩(wěn)定。由于滾齒機(jī)床的設(shè)計(jì)剛度較高,一般用于去除齒形大余量加工(開齒),未精加工減少加工余量,適合提高進(jìn)刀量達(dá)到提高效率的目的(鋼件粗滾2~3.5mm/r、 精滾0.8~1.2mm/r)。一般滾齒機(jī)床的滾齒加工精度為標(biāo)準(zhǔn)GB/T10095.1—2008和 GB/T10095.2— 2008的7~8級,高速鋼滾刀滾齒切削速度為100~ 200m/min,被加工齒面硬度為 300~400 HBW。隨著國內(nèi)精密、高精密滾齒機(jī)床的運(yùn)用,高效率、高精度滾齒的運(yùn)用工藝研究逐步替代部分磨齒和剃齒工序,如重慶機(jī)床廠的YMA3150、YMA3150、 YGA31125等精密、高精密滾齒機(jī)床的推廣應(yīng)用。
 
02刮削滾齒加工特性
 
       刮削滾齒加工是一種針對小中模數(shù)的硬齒面精加工的滾切方法,其前角采用零度或較小的負(fù)前角,其切削原理是通過微量的擠壓切削對變形后的齒形進(jìn)行修整達(dá)到提高精度的目的,同時通過微量切削后的刀具刃部擠壓,可達(dá)到細(xì)化齒表面晶粒、提高齒面強(qiáng)度、使齒表產(chǎn)生壓應(yīng)力降低裂紋產(chǎn)生和提高齒面耐磨性等作用。其加工效率比錐面砂輪磨齒機(jī)高 5~6倍,具備磨齒和剃齒不可替代的明顯優(yōu)勢。
 
       刮削滾齒技術(shù)主要適用于半精加工或精加工的齒輪,其加工速度較低,被加工齒輪齒面的硬度可達(dá)45~64HRC。而采用高速鋼滾齒,切削速度較低且特易磨損,磨損后換刀困難(重新對刀困難),極易造成齒坯報(bào)廢,所以刮削滾齒的刀具高硬度、高耐磨性 是重要特性指標(biāo)。
 
        從設(shè)備而言,一般普通滾齒機(jī)床的加工精度為 7~8級,而精密、高精密滾齒機(jī)床的滾齒精度可達(dá)5~6級,所以通過刮削滾齒所選設(shè)備一般為精密、高精密滾齒機(jī)床。對應(yīng)刮削滾刀的精度選取一般為 A 級、AA 級和 AAA 級。A 級為一般精加工(7級)或高精度齒輪的半精加工,AA 級為高精度齒輪的精 加工 (5~6 級),齒面粗糙度為Ra(0.63~1.25) μm。刀具的精度越高產(chǎn)品齒形精度高,而設(shè)備精度高則產(chǎn)品的周節(jié)誤差、齒向誤差、基節(jié)偏差會很低。
 
03刮削滾齒的工藝優(yōu)化研究
 
 
       刮削滾齒的適用范圍和加工刀具的特性: 齒輪材料分為滲氮齒輪合金鋼(如18CrNiWA)、 滲碳齒輪合金鋼(如20Cr2Ni4)、常用調(diào)質(zhì)和淬火齒 輪鋼(如40Cr)、鑄鐵等。由于鑄鐵和其他材料較難形成齒面硬化,一般只對前3種材質(zhì)齒輪淬硬后采用刮削滾齒。
 
       刮削滾齒的刀具除了具備硬度和耐磨性要求較高外,刀齒形狀也有特殊要求。刮削滾齒的頂刃具有很大的負(fù)前角,對切削過程很不利,為防止頂刃產(chǎn)生顯著的磨損和刃崩而盡量取“小”。
 
       淬火后應(yīng)只刮削齒面有效段的漸開線而不加工齒根底,所以對熱處理前的刮前滾齒,應(yīng)按不同齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)帶預(yù)挖根的專用刮前滾刀。同時為減輕淬火后齒輪齒根應(yīng)力集中問題,刮前滾刀的齒頂可設(shè)計(jì)成圓頭形,使得切出的齒槽略深于齒輪標(biāo)準(zhǔn)齒高,且槽底兩側(cè)有適量的圓滑過渡的沉割。
 
       刮前滾齒的留余量原則上應(yīng)根據(jù)齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、材料和熱處理變形的大小來確定,但不能一概而論,因?yàn)槊總€企業(yè)的設(shè)備能力、控制變形手段等同,制定余量時應(yīng)以經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)余量作參考,經(jīng)過驗(yàn)證后再確定固化工藝參數(shù)。
 
      刮削滾齒加工刀具材料優(yōu)化: 現(xiàn)刮削滾齒刀具一般采用整體高速鋼對其前角進(jìn)行修磨成零度或較小的負(fù)前角,但其材質(zhì)耐磨性較低,較難長時間使用,主要適用于調(diào)質(zhì)或較低硬度(32~40HRC)齒輪的滾刮。通過對同一材質(zhì)相同齒面硬度(45HRC)小批量的鋼件齒輪進(jìn)行試用,分別采用整體硬質(zhì)合金滾刀、整體硬質(zhì)合金涂層滾刀、鑲片齒輪滾刀、整體高速鋼滾刀等4種 AA 精度滾刀進(jìn)行刮削滾齒加工比較,其對比項(xiàng)和數(shù)據(jù)見表1。
  
 
       通過對比,整體硬質(zhì)合金滾刀的性價比最高(齒面硬度為45~64HRC),使用硬質(zhì)合金半精滾或刮削精滾淬火后的硬齒面齒輪,可減少磨齒余量甚至部分代替磨齒,如大批量生產(chǎn),采用整體硬質(zhì)合金滾刀的總費(fèi)用遠(yuǎn)低于磨齒。如中批量或小批量生產(chǎn),可采用鑲嵌式刮削滾刀更經(jīng)濟(jì)。
 
        刮削滾齒加工刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):刮削滾齒刀具與普通滾齒刀具的區(qū)別(見圖1) 如下:普通滾齒刀具為正前角,而刮削滾齒刀具前角采用零度或較小的負(fù)前角,并有磨鈍“寬帶刃”Δ。經(jīng)過對比驗(yàn)證,半精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.2~0.3mm,精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.1~0.2mm。硬質(zhì)合金滾刀一般采用刃磨機(jī)(鏟齒車床)使用金剛砂輪進(jìn)行刃磨。
 
 
 
 
 
滾刀刃磨后,刮削滾刀的頂刃一般具有很大的負(fù)前角,切削過程非常不利,同時會產(chǎn)生振動。硬質(zhì)合金刮削滾刀會產(chǎn)生磨損和崩刃,應(yīng)對刃口進(jìn)行強(qiáng)化處理,常用的刃口強(qiáng)化方法有如下2種。 
 
       1)用細(xì)粒度碳化硅油石沿刀齒側(cè)刃輕微而均勻地研磨1~2次,即可形成0.01~0.03的倒棱, 研磨后刃口應(yīng)具有一定的鈍圓形狀。
 
       2)用金剛石油石沿刀齒側(cè)刃研磨1~2次,可獲得比較平直的刃口。硬質(zhì)合金滾刀應(yīng)在高剛度的滾刀刃磨機(jī)床上利用金剛石砂輪進(jìn)行刃磨。 
 
        一般刮削滾刀的頂刃寬度取1.15mm,以便使刮削滾刀只加工齒廓而加工不到齒頂位置,刮削前一般采用帶凸角的滾刀滾齒。
 
       刮削滾齒加工的設(shè)備選?。汗蜗鳚L齒主要是針對硬齒面(45~64HRC)的加工,滾刀刀齒所承受的沖擊力較大,易產(chǎn)生較大的振動而影響齒形精度和齒面粗糙度,同時刮削滾齒是齒輪精度最后成形的保障,機(jī)床的精度會影響齒輪的周節(jié)累積誤差、節(jié)圓跳動、公法線檢測變化量等參數(shù)。所以刮削滾齒的設(shè)備選取應(yīng)保證如下幾項(xiàng)基本要求。
 
       1)機(jī)床整體剛度高。在刮削滾切中硬齒面齒輪時,滾刀刀齒所承受的沖擊力較大,要求機(jī)床具有足夠的抗振能力和吸振能力。
 
       2)機(jī)床傳動鏈的間隙要小。傳動鏈的間隙過大就會造成各關(guān)聯(lián)運(yùn)動誤差加大,影響齒輪精加工的精度等級,一般工作臺的分度蝸輪副間隙應(yīng)控制在0.015~0.025mm。
 
       3)機(jī)床采用滾珠絲杠。軸向進(jìn)給系統(tǒng)最好采用滾珠絲杠,其間隙應(yīng)調(diào)整到最小。
 
       4)機(jī)床應(yīng)在恒溫間使用。刮削滾齒所使用設(shè)備為精密、高精密滾齒機(jī),各傳動鏈間隙應(yīng)調(diào)整到最小,如果溫度過高或過低,金屬受熱脹冷縮的影響會造成精密、高精密設(shè)備的損害。同時,對高精度齒輪加工的尺寸控制有益。 
 
         刮削滾齒加工的切削液選?。?滾齒時,為提高滾刀耐用度和冷卻效果,降低齒面的表面粗糙度,應(yīng)向切削區(qū)直接澆注切削液,其流 量為8~10L/min。而刮削滾齒的刀具進(jìn)行了前角的修鈍,其后刀面刃與產(chǎn)品接觸表面是擠壓作用,金屬間具有親合作用,易造成粘結(jié)拉傷齒面降低表面粗糙度。所以應(yīng)采用油脂切削液,切削過程中在刀具與產(chǎn)品表面形成油膜,隔離金屬間的直接接觸,避免造成粘結(jié)拉傷齒面降低表面粗糙度。實(shí)踐證明效果明顯。刮削滾齒切削液的選用見表2。
 
 
04結(jié)語
 
 
        硬齒面刮削是使用硬質(zhì)合金滾刀來對硬齒面齒輪進(jìn)行精加工和齒輪磨前半精加工的工藝技術(shù),齒面硬度為45~64 HRC,加工精度可達(dá)5~7級,齒輪表面粗糙度為Ra(0.63~1.25)μm,可部分替代磨齒和剃齒進(jìn)行修形,以消除淬火(熱處理)造成的變形。加工效率比錐面砂輪磨齒機(jī)高5~6倍,而其生產(chǎn)費(fèi)用遠(yuǎn)低于磨齒,同時刀具擠壓可細(xì)化齒面晶粒和硬化表層。通過小批次試應(yīng)用,驗(yàn)證其具備磨齒和剃齒不可替代的優(yōu)勢。研究與應(yīng)用該技術(shù)對企業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率有著積極的意義。
 
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