仝曉楠，林育陽(yáng)，周 興，王娟梅，王 興，高 源

(1.陜西省機(jī)械研究院，陜西 咸陽(yáng) 712000； 2.陜西斯瑞新材料股份有限公司，陜西 西安 710077；3.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外很多大型汽車(chē)齒輪企業(yè)，將原有的滾、剃工藝和滾、磨工藝，逐步用滾、高效磨(蝸桿砂輪磨齒機(jī))和滾、剃、珩(內(nèi)齒圈砂輪珩齒機(jī))工藝代替[1]。但是，加工各種零件相配的砂輪和砂輪修整器相當(dāng)昂貴，并且只適用于大批量生產(chǎn)[2-3]。21世紀(jì)以來(lái)，部分大型公司采用國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備和工藝，提高變速器的質(zhì)量。但問(wèn)題是，大多數(shù)中小企業(yè)由于資金不足、設(shè)備差等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，想提高產(chǎn)品質(zhì)量，也無(wú)能為力。

筆者研制的變速器齒輪用CBN(立方氮化硼)電鍍珩磨輪主要應(yīng)用在變速器齒輪加工行業(yè)，是對(duì)齒輪齒形的最終珩磨加工，該工藝簡(jiǎn)潔實(shí)用，采用常規(guī)設(shè)備，其制造工藝是：將經(jīng)過(guò)粗加工熱處理過(guò)的滾輪基體進(jìn)行電鍍前齒形面精磨處理、采用特殊的電鍍工裝和嚴(yán)格的電鍍工藝，將CBN超硬材料電鍍?cè)邶X型工作表面上。解決了齒輪滾、剃工藝一直解決不了的難題：齒面熱處理變形問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)中小企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率提供了很好的工藝途徑。

1 高精密電鍍CBN珩磨輪工藝試驗(yàn)及制造

1.1 珩磨輪基體選材和制造

根據(jù)CBN珩磨輪的技術(shù)要求和使用條件，采用抗拉強(qiáng)度大于480 MPa的20CrMnTi(低碳合金鋼)做為基體原材料，其淬透性較高，且經(jīng)滲碳淬火后，表面呈現(xiàn)硬而耐磨的特性，心部又很堅(jiān)韌，具有較高的低溫沖擊韌性和焊接性等，且可切削性相當(dāng)好，被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)齒輪、齒圈、齒輪軸、蝸桿等工業(yè)產(chǎn)品中。此研究珩磨輪基體按照?qǐng)D1尺寸粗加工、熱處理，基體硬度為HRC62-64，再對(duì)齒形面進(jìn)行精磨處理。

圖1 珩磨輪基體

1.2 CBN原材料選擇

CBN是硬度僅次于金剛石的超硬材料，顯微硬度可達(dá)到HV72000-98000 MPa，被廣泛用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達(dá)到高精度的加工表面[4-7]。根據(jù)此研究的技術(shù)要求和該材料特性，選用高品位等級(jí)，粒徑尺寸在80～120目的CBN超硬材料。

1.3 電 鍍

文中研制變速器齒輪電鍍CBN珩磨輪是以20CrMnTi作為基體材料，對(duì)基材進(jìn)行精密加工，形成一定的尺寸和幾何形狀。最后采用采用特殊的電鍍工裝，并結(jié)合嚴(yán)格的電鍍工藝，將高品質(zhì)CBN材料固結(jié)在基體表面。其中CBN磨?？啥啻沃貜?fù)電鍍。對(duì)基體材質(zhì)選擇及電鍍層預(yù)留參數(shù)如表1所列，電鍍參數(shù)要求如表2所列。

表1 基體材質(zhì)選擇及電鍍層預(yù)留參數(shù)

表2 電鍍參數(shù)要求

1.4 齒形面修形

一般情況下，使用標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線電鍍CBN珩磨輪后，在齒輪節(jié)圓附近經(jīng)常出現(xiàn)“中凹”誤差，然而，該誤差形成的因素很復(fù)雜，很難用解析法給出精確的解釋。因此，必須利用三維軟件對(duì)電鍍CBN珩磨齒接觸加工過(guò)程進(jìn)行模擬分析，從而得到齒輪接觸面上的等效應(yīng)力，找到其應(yīng)力集中的部位，在加工過(guò)程中進(jìn)行齒形面修形[8]。

1.5 珩磨齒輪

本研制嚴(yán)格按照工藝路線和技術(shù)指標(biāo)，制作出變速器齒輪用CBN珩磨輪，產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 CBN電鍍珩磨輪

CBN電鍍珩磨輪對(duì)待加工齒輪的珩磨加工，能夠解決齒輪熱處理變形問(wèn)題，使齒輪質(zhì)量提高1～2個(gè)精度等級(jí)，大大提高齒輪品質(zhì)和生產(chǎn)效率，使變速器輸出功率增大、噪音降低，使用壽命延長(zhǎng)，采用CBN電鍍珩磨輪珩磨工藝，珩齒費(fèi)用每件只需2元，此珩磨輪用完后無(wú)需修磨就可以反復(fù)涂鍍CBN砂粒，即經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，具有很大的發(fā)展前景。

2 綜合性能檢測(cè)

此研究嚴(yán)格根據(jù)工藝路線，以20CrMnTi作為基體材料，選擇三種不同的齒部預(yù)留電鍍層參數(shù)和電鍍參數(shù)，三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

表3 實(shí)驗(yàn)性能檢測(cè)結(jié)果

綜合評(píng)價(jià)以上三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用實(shí)驗(yàn)3的電鍍層參數(shù)和電鍍參數(shù)制造的CBN電鍍珩磨輪性能較另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)較優(yōu)。珩磨齒輪精度8級(jí)，珩磨齒輪光潔度0.35 μm，珩磨齒輪數(shù)量1000件，齒形誤差±0.005 mm。結(jié)果表明方案3制備的變速器齒輪用CBN電鍍珩磨輪性能檢測(cè)參數(shù)完全滿(mǎn)足零件設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)變速器齒輪用CBN電鍍珩磨輪工藝路線進(jìn)行了研究，采用特殊的電鍍工裝和嚴(yán)格的電鍍工藝，將高品質(zhì)的CBN顆粒電鍍?cè)?0CrMnTi基體上，再經(jīng)過(guò)齒面修型處理，制備出了合格的CBN電鍍珩磨輪。

(2) 采用實(shí)驗(yàn)3制備的CBN電鍍珩磨輪，珩磨齒輪精度8級(jí)，珩磨齒輪數(shù)量1000件，齒輪光潔度為0.35μm，齒形誤差±0.005 mm，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求。因此，實(shí)驗(yàn)3工藝參數(shù)為CBN電鍍珩磨輪較優(yōu)生產(chǎn)制備技術(shù)工藝參數(shù)。

(3) 變速器齒輪用CBN電鍍珩磨輪現(xiàn)已小批量生產(chǎn)并經(jīng)用戶(hù)裝機(jī)實(shí)踐，產(chǎn)品性能完全滿(mǎn)足客戶(hù)使用。與砂輪比較，本研究采用超硬CBN材料，特殊的電鍍工裝和工藝，技術(shù)含量高，生產(chǎn)成本低，使用壽命長(zhǎng)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

(4) 從未來(lái)超硬材料市場(chǎng)對(duì)磨削工具產(chǎn)品的更高質(zhì)量要求而言，高耐磨性、長(zhǎng)壽命、更低成本磨削工具產(chǎn)品會(huì)有更大需求，建議今后還需在材料選擇及生產(chǎn)技術(shù)工藝上進(jìn)行更深層次優(yōu)化，應(yīng)用于更廣闊領(lǐng)域，持續(xù)推動(dòng)超硬材料磨削工具行業(yè)快速發(fā)展。