成形磨齒根部燒傷問(wèn)題與解決

大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司 （遼寧 116033） 王德旭 張博超

隨著制造業(yè)的發(fā)展，齒輪加工越來(lái)越多，并且隨著重載、靜音、長(zhǎng)壽命的要求，對(duì)齒形加工精度和耐用度有了前所未有的高要求，原有的軟齒面、中硬齒面逐漸調(diào)整為滲碳淬火齒面，硬質(zhì)合金滾刀精刮的工藝也逐漸被磨齒代替。磨齒的方法有展成法、馬格法、蝸桿法、成形法。其中成形法在近十年左右被大量采用，特別是對(duì)大中型模數(shù)齒輪、齒輪軸上，更是得到了大力發(fā)展，風(fēng)電和工程機(jī)械成了有力的推手，各大公司也相繼推出了自己的成形磨設(shè)備。

我公司是最早引進(jìn)成形磨設(shè)備的廠家之一，至今已經(jīng)有十年的應(yīng)用歷史，約每隔兩年采購(gòu)一臺(tái)，見(jiàn)證了成形磨齒技術(shù)的發(fā)展。成形磨齒適應(yīng)范圍廣，加工效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，可以加工漸開(kāi)線齒形、矩形齒形、圓弧齒形，可以加工直齒、斜齒、鼓形齒，也可以加工內(nèi)齒、外齒、端面齒等。只需要調(diào)整程序和適當(dāng)更換附件即可。

成形磨齒在擁有眾多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，有一項(xiàng)最大的問(wèn)題，特別是在磨漸開(kāi)線齒形時(shí)，在齒形的根部容易出現(xiàn)燒傷。這種燒傷的趨勢(shì)隨著齒根部壓力角的減少在急劇增加。這與漸開(kāi)線的生成原理和成形磨削的原理有直接關(guān)系。漸開(kāi)線是從基圓展開(kāi)，壓力角從0°逐漸增大，齒根部的壓力角是0°或接近于0°，分度圓處是公稱壓力角，到齒頂繼續(xù)加大。成形磨是將砂輪修整成與目標(biāo)齒槽形狀基本一致的形狀，再通過(guò)徑向進(jìn)刀將齒槽的加工余量磨掉，這樣一來(lái)，在砂輪做一定量徑向進(jìn)給的時(shí)候，齒面上各點(diǎn)的法向進(jìn)給量會(huì)不一樣，是隨壓力角變化的。如圖1所示，齒形的根部會(huì)先接觸到砂輪的尖部，這一現(xiàn)象是影響成形磨齒加工效率的一項(xiàng)重大問(wèn)題，由于粗加刀具形狀和滲碳淬火變形的影響，經(jīng)常出現(xiàn)齒頂過(guò)早與工件接觸的現(xiàn)象，不得不在磨齒時(shí)，從齒槽較淺的地方開(kāi)始磨削，等于將加工余量無(wú)形之中加大了許多。由于砂輪尖部過(guò)早地參與加工，會(huì)發(fā)現(xiàn)新修整好的砂輪，總是尖部開(kāi)始變黑，開(kāi)始磨鈍，這就給齒根部燒傷埋下了隱患。這一點(diǎn)并不是最關(guān)鍵的，由于成形磨齒需要將砂輪打磨成始終與目標(biāo)齒槽基本一致的形狀和尺寸，這就決定了只能采用徑向修整，這一方式是致命的。

徑向修整與徑向進(jìn)給磨削有著相同的問(wèn)題，但存在更加嚴(yán)重的問(wèn)題。由于壓力角的不同，相同徑向修整量的情況下，砂輪尖部的法向修整量相對(duì)砂輪根部修整小的多。如果壓力角為0°的話，基本上就是修整不到。又由于砂輪尖部過(guò)早就開(kāi)始參與磨削，并且伴隨整個(gè)加工過(guò)程，尖部一直在工作，但被修整的量較小，不能及時(shí)地將已經(jīng)磨鈍的磨料修整出有效加工刃口。磨削過(guò)程中這種問(wèn)題一直存在，并持續(xù)惡化——越是不參加磨削的，越是被良好地修整，越是修整不到的越是一直在磨削。這一問(wèn)題是成型磨齒加工時(shí)刻存在的，在冷卻不良或是工作變形沒(méi)有先期被發(fā)現(xiàn)和處理或是淬火表面存在硬度高、應(yīng)力不正常等因素刺激下，就會(huì)出現(xiàn)齒形根部燒傷。燒傷的面積與誘發(fā)因素的嚴(yán)重程度有關(guān)，表現(xiàn)多為沿齒向在齒根部5～10mm寬的一條變黃或變黑的區(qū)域。

解決這一問(wèn)題的方法首先是從上文提到的一些事項(xiàng)著手（想要使用成形磨，就要接受這一原理），下面逐一列出：

圖1

（1）做好淬火前粗加工，盡最大可能將齒形控制好，以便在磨齒時(shí)，可以減少齒根部對(duì)磨削的影響。

（2）做好滲碳淬火，通過(guò)均勻的滲層和淬火冷卻，得到一個(gè)變形最小的磨齒毛坯。

（3）通過(guò)仔細(xì)嚴(yán)格地找正（通常建議利用設(shè)備的測(cè)頭逐齒進(jìn)行找正，并且分上、中、下三個(gè)截面或上、下兩個(gè)截面，將找正的位置盡可能移向齒根部一些，而不是在設(shè)備默認(rèn)的分度圓附近），發(fā)現(xiàn)零件的變形規(guī)律，以便調(diào)整實(shí)際加工的砂輪起刀位置，并在實(shí)際加工時(shí)，再讓出一定的安全余量，這樣做的代價(jià)就是增加了磨齒時(shí)間，增大了砂輪非生產(chǎn)性消耗。

（4）適當(dāng)調(diào)整磨削參數(shù)，對(duì)于齒根部壓力角小的齒形，減少進(jìn)給量，增大修整量，減少修整間隔。

（5）增加冷卻油壓力和流量，并且調(diào)整好噴油管，可以有效地冷卻齒根部，同時(shí)可以增加沖洗油管，將殘存在砂輪尖部的切屑及時(shí)沖出來(lái)，防止砂輪氣孔被堵塞而增加磨削熱。

（6）在磨齒之前，通過(guò)配對(duì)齒輪的計(jì)算，如圖2所示，算出各自的理論漸開(kāi)線起始點(diǎn)R1、R2，利用計(jì)算出的數(shù)值來(lái)決定磨齒深度，而不是簡(jiǎn)單的確定為2mn（模數(shù)）深或從基圓開(kāi)始。通常實(shí)際漸開(kāi)線起始點(diǎn)直徑一般比計(jì)算值小1～3mm（根據(jù)模數(shù)大?。?，同時(shí)要在理論齒頂圓開(kāi)始做0.5～2mm的倒圓（根據(jù)模數(shù)大?。?，配對(duì)齒輪同樣處理，這樣可以確保磨削深度最淺（甩掉了小壓力角部分不磨），而又不會(huì)出現(xiàn)齒頂與齒根干涉，有效避免齒根部小壓力角問(wèn)題。當(dāng)然這種做法有一定的危險(xiǎn)存在，如果其中一個(gè)齒輪變形特別大或余量特別大，齒根部殘留的加工余量仍有可能會(huì)在嚙合中產(chǎn)生干涉，需要在磨齒時(shí)適當(dāng)增加砂輪切入深度，在齒根部形成較大的圓弧，避免與配對(duì)齒輪齒頂干涉。

圖2

通過(guò)有效控制漸開(kāi)線起始點(diǎn)是一個(gè)較好的控制辦法，大部分的齒輪均不會(huì)使用到2mn的有效齒面。對(duì)于部分容易出現(xiàn)齒根燒傷的齒輪，有效齒面深度會(huì)在1.5～1.7mn，這一方法經(jīng)我公司的試用，證明是有效的，也是最可行的。

成形磨齒在漸開(kāi)線齒形加工中存在原理上的先天不足，控制漸開(kāi)線起始點(diǎn)的本質(zhì)是減少小壓力角對(duì)加工的影響，盡量得到一個(gè)法向進(jìn)給量均勻的磨削狀態(tài)?；谶@一原理，還有另外一種解決方案，如圖3所示，除了把小壓力角甩掉不磨外，還可以通過(guò)把齒面旋轉(zhuǎn)一定的角度，把小的壓力角也變成足夠大的角度，減少法向上的差異。通過(guò)對(duì)稱布置的兩片砂輪，也可以實(shí)現(xiàn)雙齒面磨削，并且這一做法還可以大大減小砂輪的厚度，可以使用薄的砂輪來(lái)磨削大齒槽寬度齒形，可以極大節(jié)省砂輪消耗的費(fèi)用。這種做法可以避免首先磨削齒根部，也可以有效減少實(shí)際的磨削余量，極大地減少走刀磨削時(shí)間。但這種方法需要設(shè)備支持，了解這一點(diǎn)后，可以在以后采購(gòu)設(shè)備時(shí)有的放矢。

圖3