成 鋼，舒 兵，劉子聰，袁劍平，野妙玲，田 凱，蔣琪琳

(江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100)

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(dòng)力輸出變速裝置中。對(duì)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。

1 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(kāi)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(jí))，但設(shè)備的價(jià)格較高，一般企業(yè)很少使用。同時(shí)磨齒存在散熱較差的問(wèn)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(huì)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(huì)引起機(jī)床頂尖的燒損等。

滾齒加工是連續(xù)展成運(yùn)動(dòng)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(kāi)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(kāi)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2～3.5 mm/r、精滾0.8～1.2 mm/r)。一般滾齒機(jī)床的滾齒加工精度為標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10095.1—2008和GB/T 10095.2—2008的7～8級(jí)，高速鋼滾刀滾齒切削速度為100～200 m/min，被加工齒面硬度為300～400 HBW。隨著國(guó)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。

2 刮削滾齒加工特性

刮削滾齒加工是一種針對(duì)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(guò)微量的擠壓切削對(duì)變形后的齒形進(jìn)行修整達(dá)到提高精度的目的，同時(shí)通過(guò)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(shì)。

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)45～64 HRC。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(duì)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(jí)，而精密、高精密滾齒機(jī)床的滾齒精度可達(dá)5～6級(jí)，所以通過(guò)刮削滾齒所選設(shè)備一般為精密、高精密滾齒機(jī)床。對(duì)應(yīng)刮削滾刀的精度選取一般為A級(jí)、AA級(jí)和AAA級(jí)。A級(jí)為一般精加工(7級(jí))或高精度齒輪的半精加工，AA級(jí)為高精度齒輪的精加工(5～6級(jí))，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(huì)很低。

3 刮削滾齒的工藝優(yōu)化研究

3.1 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(duì)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(duì)切削過(guò)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”[1]。

淬火后應(yīng)只刮削齒面有效段的漸開(kāi)線而不加工齒根底[2]，所以對(duì)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(shí)為減輕淬火后齒輪齒根應(yīng)力集中問(wèn)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(guò)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(lái)確定，但不能一概而論，因?yàn)槊總€(gè)企業(yè)的設(shè)備能力、控制變形手段等不同，制定余量時(shí)應(yīng)以經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)余量作參考，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后再確定固化工藝參數(shù)。

3.2 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(duì)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(zhǎng)時(shí)間使用，主要適用于調(diào)質(zhì)或較低硬度(32～40 HRC)齒輪的滾刮。通過(guò)對(duì)同一材質(zhì)相同齒面硬度(45 HRC)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(duì)比項(xiàng)和數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 4種滾刀刮削滾齒加工對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比，整體硬質(zhì)合金滾刀的性價(jià)比最高(齒面硬度為45～64 HRC)，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)。

3.3 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(jiàn)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(guò)對(duì)比驗(yàn)證，半精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.2～0.3 mm，精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.1～0.2 mm。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[3]。

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(guò)程非常不利，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。硬質(zhì)合金刮削滾刀會(huì)產(chǎn)生磨損和崩刃，應(yīng)對(duì)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 mm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1.15 mm，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。

3.4 刮削滾齒加工的設(shè)備選取

刮削滾齒主要是針對(duì)硬齒面(45～64 HRC)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(dòng)而影響齒形精度和齒面粗糙度，同時(shí)刮削滾齒是齒輪精度最后成形的保障，機(jī)床的精度會(huì)影響齒輪的周節(jié)累積誤差、節(jié)圓跳動(dòng)、公法線檢測(cè)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(shí)，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(dòng)鏈的間隙要小。傳動(dòng)鏈的間隙過(guò)大就會(huì)造成各關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)誤差加大，影響齒輪精加工的精度等級(jí)，一般工作臺(tái)的分度蝸輪副間隙應(yīng)控制在0.015～0.025 mm。

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(dòng)鏈間隙應(yīng)調(diào)整到最小，如果溫度過(guò)高或過(guò)低，金屬受熱脹冷縮的影響會(huì)造成精密、高精密設(shè)備的損害。同時(shí)，對(duì)高精度齒輪加工的尺寸控制有益。

3.5 刮削滾齒加工的切削液選取

滾齒時(shí)，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8～10 L/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(guò)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(jiàn)表2。

表2 刮削滾齒切削液選用表

4 結(jié)語(yǔ)

硬齒面刮削是使用硬質(zhì)合金滾刀來(lái)對(duì)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(jí)，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(shí)刀具擠壓可細(xì)化齒面晶粒和硬化表層。通過(guò)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(shì)。研究與應(yīng)用該技術(shù)對(duì)企業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率有著積極的意義。