硬齒面齒輪精加工技術(shù)探究

丁明亮

摘?要：隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，全世界硬齒面齒輪的需求量也在不斷增加，近年來，硬齒面齒輪的精加工技術(shù)也有了新的進展。本文對硬齒面齒輪加工領(lǐng)域的主要工藝，如滾齒、插齒、剃齒、珩齒、磨齒等進行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：硬齒面;齒輪;精加工;技術(shù)

依據(jù)齒面硬度的不同，齒輪可以分為硬齒面齒輪和軟齒面齒輪兩種。一般來說，齒面布氏硬度超過350的齒輪即為硬齒面齒輪。所以，為滿足具體的工作要求，硬齒面齒輪的齒面硬度通常都比較高，加工材質(zhì)一般采用特種鋼材，加工過程有多種工藝可供選擇。為了保障加工精度和加工效率，有必要對硬齒面齒輪精加工技術(shù)進行研究。

1 硬齒面滾齒工藝

齒輪加工中，傳統(tǒng)的磨齒工藝加工效率低、成本高。因此，硬齒面滾齒工藝越來越多地獲得了人們的關(guān)注。我國近年采用滾齒工藝加工硬齒面齒輪的企業(yè)越來越多，例如北京第二機床廠，是我國最早采用滾齒工藝加工硬齒面齒輪的企業(yè)之一，加工效率比傳統(tǒng)磨齒工藝提升5～8倍。與傳統(tǒng)磨齒工藝相比，滾齒工藝的要求更高，需要在切齒技術(shù)、刀具、機床等多個方面的密切配合下才能取得良好效果。滾齒加工過程中最常發(fā)生的問題是齒形精度不足。產(chǎn)生問題的原因主要有以下幾點。一是對于洛氏硬度在60左右的齒面，硬度接近刀具硬度，對滾刀產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，影響加工精度。二是滾齒加工是一種不連續(xù)的加工過程，易發(fā)生自激振動，加上短時間內(nèi)多次發(fā)生的機械沖擊，常會造成滾刀崩刃。三是滾齒工藝刀具采用負(fù)前角，當(dāng)切削厚度較小且工件硬度高的時候，加工過程的徑向切削力會變得很大，滾齒加工的刀桿和心軸正是剛性薄弱環(huán)節(jié)，徑向切削力變大會造成刀桿和心軸變形較大，使加工精度減小。因此，由于硬齒面重載齒輪工藝復(fù)雜，涉及的技術(shù)問題多，制造難度大，齒輪的加工水平在某種程度上反映了一個國家的機械制造工業(yè)的整體水平，也對齒輪加工方面的研究是國內(nèi)外機械制造行業(yè)共同關(guān)注和研究的熱點。

2 硬齒面插齒工藝

硬齒面雙聯(lián)齒輪小端齒部的加工一直沒有經(jīng)濟有效的工藝方法。由于結(jié)構(gòu)特殊， 小端齒部不能采用傳統(tǒng)的磨齒工藝， 特別是受熱處理變形的影響， 其精度一直得不到保證， 嚴(yán)重影響齒輪的工作壽命 。有研究人員通過把插齒刀頂刃磨出較大的負(fù)前角，使側(cè)刃有較大的刃傾角，形成刮削加工，也取得了一定的加工效果。但是，硬齒面插齒工藝對于加工6級以上精度齒輪難度較大。除了與前已述及的滾齒工藝相類似的原因之外，插齒工藝還存在著插齒速度較低，單次插齒不能滿足加工需求、多次插齒又會造成振動，傳動鏈精度不足等許多問題，限制了插齒工藝的應(yīng)用。國內(nèi)有企業(yè)對硬齒面插齒工藝也作了一些改進，目前實現(xiàn)了插制洛氏硬度達(dá)到48的硬齒面7級精度齒輪。主要改進在以下幾個方面。一是提高機床的剛度和精度，以及傳動鏈精度;二是采用高精度插齒刀，嚴(yán)格控制刀具的安裝偏心;三是提高齒坯和夾具的精度;四是選取合理的進給次數(shù)和加工進給量。

3 硬齒面剃齒工藝

剃齒的原理是一對互相交叉構(gòu)成一定軸交角的齒輪嚙合傳動，傳動時齒面間有相對滑動，在這一對齒輪中的一個齒面上制出許多小槽（梳形齒），梳形齒槽構(gòu)成剃齒刀的側(cè)刃與頂刃，這些刀刃在齒面相對滑動中，對另一齒面工件進行切削。近年剃齒工藝的較大突破出現(xiàn)在日本，研究人員成功實現(xiàn)了使用剃齒工藝加工洛氏硬度達(dá)到60的8級精度齒輪。為使剃齒刀能切入工件的硬齒面，除將剃齒刀上的漸開線螺旋面刃帶減至最窄處外，還要把剃齒刀每齒上的刀刃減至l～2個。本來軟齒面剃齒的最大優(yōu)點是刀刃多，有漸開線螺旋面保持穩(wěn)定嚙合，使剃齒效率高，并保證精度。而硬齒合金剃齒刀在結(jié)構(gòu)上的改動，削弱了剃齒的上述2個優(yōu)點。此外，剃齒的特點是切削厚度很小，而硬質(zhì)合金的刀刃一般是較鈍的，故很難進行剃削加工，因而難于在生產(chǎn)中實際應(yīng)用。國內(nèi)近年來也在研究硬齒面剃齒工藝，目前已能剃削48洛氏硬度左右的中硬齒面7級精度齒輪，加工效率很高。綜上所述，剃齒加工的過程是剃齒刀與被切齒輪在輪齒雙面緊密嚙合的自由展成運動中，實現(xiàn)微細(xì)切削過程，而實現(xiàn)剃齒的基本條件是軸線存在一個交叉角，當(dāng)交叉角為零時，切削速度為零，剃齒刀對工件沒有切削作用。

4 珩齒工藝

珩齒工藝是當(dāng)前高精度硬齒面齒輪加工采用最多的方法。淬火后的齒輪輪齒表面有氧化皮，影響齒面粗糙度，熱處理的變形也影響齒輪的精度。由于工件已淬硬，除可用磨削加工外，但也可以采用珩齒進行精加工。然而珩齒工藝對于較高精度的齒輪加工也存在較大難度。目前，國內(nèi)有的企業(yè)已珩出6級精度齒輪。德國有企業(yè)也是利用珩齒生產(chǎn)6級精度齒輪，采用粗、精2次滾齒，并采用修形剃齒刀剃齒，嚴(yán)格控制熱處理變形等一系列措施，以保證珩前精度，并使用修形珩輪進行珩齒。傳統(tǒng)上，珩齒工藝采用的是盤形珩輪加工。近年在日本出現(xiàn)了蝸桿珩齒工藝。其原理是使用蝸桿形狀的珩輪進行珩齒，與盤形珩輪珩齒相比，蝸桿珩齒的加工精度能夠提高1～2級。世界范圍內(nèi)，蝸桿珩齒技術(shù)已經(jīng)取得了數(shù)十項專利，在汽車變速箱齒輪等零件的加工上取得了一定程度的應(yīng)用。我國國內(nèi)企業(yè)今年來也開始重視蝸桿珩齒工藝，國內(nèi)已有蝸桿珩齒機研發(fā)成功并推向市場，可以加工6～7級精度齒輪，生產(chǎn)速度可以達(dá)到3～6min/件，較好地滿足了生產(chǎn)需求。

近年來，珩齒工藝又出現(xiàn)了新的發(fā)展，瑞士生產(chǎn)出內(nèi)嚙合珩齒機，采用內(nèi)齒圈珩輪加工外齒輪工件，加工效率和加工精度都獲得了較大幅度提升。采用硬齒面精密加工齒輪，可以有效提高傳動裝置承載能力、降低噪音、減小振動、延長使用壽命。關(guān)鍵動力傳動裝置已普遍采用硬齒面精加工齒輪。對硬齒面齒輪精密加工方法有磨齒、刮齒、研齒、高速干切、珩齒等工藝。隨著現(xiàn)代數(shù)控齒輪加工機床快速發(fā)展，精加工余量大幅減小，精加工前齒輪質(zhì)量不斷提高。加之市場對齒輪綜合性能需求的進一步提高，不單純追求高的精度，同時注重嚙合噪音、接觸質(zhì)量、使用壽命、加工成本、能耗等方面。這要求齒輪精加工工藝方案更加綠色、節(jié)能環(huán)保，珩齒工藝能很好地兼顧這些需求，加之現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展賦予珩齒機床新的功能，將為珩齒工藝發(fā)展帶來更加廣闊的市場。

5 磨齒工藝

磨齒是齒輪加工的最后一道工序，是用砂輪作為磨具加工圓柱齒輪或某些齒輪加工刀具齒面的齒輪加工機床。主要用于消除熱處理后的變形和提高齒輪精度，磨削后齒的精度可達(dá) 6～4級或更高。磨齒的精度關(guān)系著齒輪箱精度的最重要因素，而如何提高磨齒加工的精度就成為其中的重中之重。磨齒工藝又可分為展成磨齒和成形磨齒兩種。通常情況下，展成磨齒的效率較差，生產(chǎn)成本高，需要的機床設(shè)備等更加復(fù)雜，因此在生產(chǎn)中的使用不多。而成形磨齒沒有上述缺點，但受到砂輪修整的限制，在生產(chǎn)中的應(yīng)用也不是特別廣泛。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)的很多相關(guān)企業(yè)都在研發(fā)能夠解決上述問題，形成突破的新型磨齒工藝和磨齒設(shè)備。

5.1 展成磨齒

磨齒法的砂輪是由金剛石筆或金剛石滾輪依照標(biāo)準(zhǔn)摸板修正成與齒輪的齒槽形狀完全一樣，最終依靠成形砂輪來磨削漸開線齒輪的。磨齒法是依靠展成來獲得工件齒形的，漸開線齒形的精度依賴于機床展動運動的精度。展成磨削過程是點接觸，砂輪易磨損，磨削效率低（蝸桿砂輪磨齒機除外），展成法磨齒機機床主要運動有砂輪的旋轉(zhuǎn)，展成運動，分度運動，軸向進給。展成磨齒法又可細(xì)分為使用蝶形砂輪或錐面砂輪的單齒分度法和使用大平面砂輪或蝸桿砂輪的連續(xù)展成法。展成磨齒工藝方法中，使用蝸桿砂輪的連續(xù)展成法效率最高，一臺設(shè)備一般一小時可以加工4～5個齒輪，而且精度較好，可以加工5～6級精度齒輪。蝸桿砂輪磨齒機把展成磨齒工藝中常用的機械傳動鏈用同步電動機軸傳動鏈代替，使加工精度獲得提升，同時還簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，最近還出現(xiàn)了使用電子傳動鏈的數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機，加工精度和效率更高。蝸桿砂輪磨齒工藝的缺點是蝸桿砂輪修整復(fù)雜、設(shè)備整體價格比較高，而且不能用于較大尺寸的齒輪加工。

5.2 成形磨齒

為了解決大批量齒輪的高效經(jīng)濟磨齒問題，近年來世界上許多國家又在積極研究成形磨齒工藝。成形磨齒所達(dá)到的精度與展成磨齒相媲美，且生產(chǎn)率還要高好多倍（但仍低于蝸桿砂輪磨齒），強力高效磨削應(yīng)用于成形磨齒，效率還將進一步提高。成形磨齒一般適于5～6級精度齒輪的批量生產(chǎn)，還特別適合于模數(shù)大、齒致少、寬度大的齒輪和各種修形齒輪的加工。成形磨齒要解決的一個重要問題是創(chuàng)造通用的成形砂輪修整器，近年來出現(xiàn)了不少這方面的專利和成果。國外成形磨齒機多采用靠模四桿機構(gòu)修整器;但這種修整器的精度穩(wěn)定性較差，靠模數(shù)量多，調(diào)整麻煩。由于準(zhǔn)確漸開線修整器結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，影響精度，又發(fā)展了許多種近似漸開線修整方法。單金剛石筆修整砂輪時很難解決金剛筆磨損對修整齒形精度的影響;因此又發(fā)展了金剛滾輪修整法。由于成形金剛滾輪制造復(fù)雜、價格很貴，國外又發(fā)展了金剛砂帶壓輪法。近年來，又出現(xiàn)了數(shù)控成形砂輪修整器，但這種裝置復(fù)雜、昂貴，尚未正式應(yīng)用于生產(chǎn)。

6 結(jié)語

近年來，各種硬齒面精加工在加工精度和加工效率上都取得了一些進展，同時還出現(xiàn)了一些新的硬齒面精加工方法。隨著現(xiàn)代工藝的不斷發(fā)展，硬齒面齒輪的精加工技術(shù)也在不斷推陳出新，可以期待，未來的硬齒面齒輪精加工將會更多地使用數(shù)控技術(shù)等新，對當(dāng)前相關(guān)的加工技術(shù)加以分析，對于今后相關(guān)技術(shù)和行業(yè)的發(fā)展必然會有重要意義。

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