圓柱齒輪加工影響因素和大型圓柱齒輪加工

朝陽(yáng)重型機(jī)器有限公司 （遼寧 122000） 祝亞峰 張立華 李井軍

由于齒輪傳動(dòng)具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，使用壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)比恒定等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在機(jī)械傳動(dòng)中得以廣泛應(yīng)用。 而圓柱齒輪具有對(duì)中心距敏感性小、裝配和維修方便、易于進(jìn)行精加工等特點(diǎn)，使其成為應(yīng)用最多的齒輪品種。

1.圓柱齒輪加工方案制定時(shí)所需考慮的因素

齒輪的加工要從圖樣要求、材料及熱處理方式選擇、毛坯形式的選擇、加工方法的確定、機(jī)床夾具的調(diào)整、齒坯的安裝夾緊、加工刀具的選用、切削用量選用、切削液的選用等方面來(lái)考慮。

（1）齒輪加工材料和熱處理方式的選擇 鑄鐵、優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、有色金屬、非金屬材料都可做為齒輪的加工材料；正火、退火、淬火、調(diào)質(zhì)、滲碳、滲氮等都廣泛應(yīng)用于齒輪加工的熱處理工藝，選用時(shí)要根據(jù)使用條件、經(jīng)濟(jì)性、加工工藝性等方面來(lái)確定。一般軟齒面齒輪采用中碳鋼（或中碳合金鋼）進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，中硬齒面齒輪采用中碳合金鋼進(jìn)行齒部感應(yīng)淬火處理，硬齒面齒輪采用滲碳鋼滲碳淬火或滲氮鋼滲氮處理。

（2）齒輪加工的毛坯形式選擇 齒輪毛坯的種類有鑄造件、鍛件、軋制棒料、焊接結(jié)構(gòu)件及剖分式鑄件。大型齒輪一般采用剖分式鑄件形式。

（3）齒輪加工的方法 齒輪加工可采用仿形法和展成法進(jìn)行加工。仿形法采用成形刀具進(jìn)行加工，可用模數(shù)銑刀單齒銑削和用齒輪拉刀拉削；展成法包括滾齒、插齒、剃齒、珩齒、磨齒等方式，分別利用專用機(jī)床進(jìn)行加工。其中滾齒加工適用于4～10級(jí)精度齒輪的加工；插齒加工適用于6～9級(jí)精度齒輪的加工，在加工多聯(lián)齒輪時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；剃齒加工主要用于淬火前的精加工，精度可達(dá)5～7級(jí)；珩齒多用于高頻淬火后齒形的精加工，可達(dá)到6～7級(jí)；磨齒多用于齒形淬硬后的精密加工，精度達(dá)3～7級(jí)。其中，滾齒和插齒加工效率高、通用性高，可適合多數(shù)齒輪加工的要求。本文以滾齒加工為例。

（4）機(jī)床的精度檢測(cè)和夾具安裝 針對(duì)所要加工齒輪的精度等級(jí)選定相適應(yīng)的加工機(jī)床，在夾具和齒坯安裝之前對(duì)機(jī)床進(jìn)行精度檢測(cè)。以滾齒機(jī)為例，包括工作臺(tái)軸線的徑向跳動(dòng)、工作臺(tái)端面跳動(dòng)、刀架垂直移動(dòng)對(duì)工作臺(tái)軸線平行度、刀架主軸的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)等。檢測(cè)后與所加工齒輪對(duì)機(jī)床各項(xiàng)精度要求進(jìn)行比對(duì)，精度不足時(shí)對(duì)相應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整；安裝夾具時(shí)，同樣按照齒輪精度要求對(duì)夾具的安裝進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，必要時(shí)可利用立柱進(jìn)給，對(duì)夾具定位面進(jìn)行加工，使之與齒輪加工要求相適應(yīng)。

（5）齒坯的安裝與夾緊 齒坯裝夾在工作臺(tái)上常用的夾具有心軸、成組胎座和整體式胎座。齒坯安裝前必須將基準(zhǔn)面和夾具定位面擦拭干凈，使齒坯基準(zhǔn)面向下與夾具定位面貼合緊密，以避免夾緊變形。齒坯安裝后，檢查其基準(zhǔn)端面和外徑的跳動(dòng)公差，如公差不滿足加工標(biāo)準(zhǔn)要求，調(diào)整使其滿足加工標(biāo)準(zhǔn)要求后，對(duì)齒坯進(jìn)行均勻夾緊。

（6）加工刀具的選用 以滾齒加工為例，根據(jù)齒輪材質(zhì)和熱處理狀態(tài)、模數(shù)、壓力角、工作平穩(wěn)性精度等級(jí)和工藝要求選定滾刀。滾刀與刀架安裝之前須檢查刀架上刀桿與滾刀的配合情況，以用手能把滾刀推裝入刀桿為準(zhǔn)；如果配合間隙過(guò)大，會(huì)引起滾刀的徑向跳動(dòng)而影響加工質(zhì)量，安裝時(shí)不準(zhǔn)錘擊滾刀以免刀桿彎曲。刀具安裝調(diào)整后應(yīng)滿足相應(yīng)的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)要求。

（7）切削用量的選用 對(duì)于滾齒加工來(lái)說(shuō)，切削速度v與進(jìn)給量f的選用，應(yīng)以保證工件質(zhì)量、提高加工效率、延長(zhǎng)滾刀壽命為前提，根據(jù)機(jī)床、刀具系統(tǒng)的剛度，工件的材料和熱處理狀態(tài)，模數(shù)、齒數(shù)及精度要求進(jìn)行綜合考慮。粗加工時(shí)，采用較小的切削速度和較大的進(jìn)給量，對(duì)于精度高、材質(zhì)硬的齒輪，采用高的切削速度，低的進(jìn)給量。在切削深度的選擇方面，當(dāng)模數(shù)小于3mm時(shí)，可一次切至全齒深；當(dāng)模數(shù)在3～8mm時(shí)，分兩次切削，粗切時(shí)留精切余量0.5～1mm；模數(shù)大于8mm時(shí)，分三次切削，第一次切去深度為模數(shù)的1.5倍左右，第二次留精切余量0.5～1mm。

（8）切削液的使用 切削液在機(jī)加工過(guò)程中主要起冷卻、潤(rùn)滑、清洗、防銹等作用。切削鑄鐵和銅制齒輪時(shí)，一般不使用切削液；切削鋼（合金鋼）制齒輪時(shí)，采用潤(rùn)滑性較好的機(jī)械油；對(duì)于難加工材料，應(yīng)選用含極壓添加劑的切削液。粗加工時(shí)由于產(chǎn)生的熱量多，應(yīng)選用冷卻作用強(qiáng)的切削液，精加工時(shí)應(yīng)選用潤(rùn)滑和防銹作用好的切削液。切削液必須保證噴流連續(xù)不間斷以均勻冷卻刀具；切削液流量應(yīng)盡可能大，以充分冷卻刀具；切削液必須噴在刀具、工件加工部位和切屑之間的區(qū)域。

2.大型圓柱齒輪的加工

附圖所示為φ5X35M回轉(zhuǎn)窯用大齒輪的示意圖。其分度圓直徑為7488mm，齒寬600mm，毛坯為以通過(guò)直徑的鉛垂面作剖分面的兩半鑄造齒輪的組合結(jié)構(gòu)。

大齒輪示意圖

（1）大齒輪的技術(shù)要求 齒輪模數(shù)m=32，齒數(shù)z=234，材質(zhì)：ZG35CrMo，熱處理要求：225～255HBW，齒輪剖分面組合后，用0.04mm塞尺沿結(jié)合面四周檢查，要求每一周邊有4/5以上不能塞入；能塞入塞尺的區(qū)域，其塞入深度不超過(guò)60mm。

（2）技術(shù)難點(diǎn) 從結(jié)構(gòu)尺寸和精度要求方面分析，大齒輪加工存在以下幾處難點(diǎn)。由于大齒輪是由兩半鑄造齒輪組合而成的結(jié)構(gòu)，結(jié)合縫處的結(jié)合要求緊密；大齒輪要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。由于淬透層厚度受到材料淬透性的影響，決定了齒輪在調(diào)質(zhì)之前需要進(jìn)行粗切齒加工，同時(shí)因?yàn)榇嬖跓崽幚碜冃?，加工余量?yīng)準(zhǔn)確、可靠；由于齒輪大型化，加工精度不易保證，需對(duì)機(jī)床、定位胎座進(jìn)行必要的調(diào)整，使其精度能夠保證加工要求；由于直徑較大并且為組合結(jié)構(gòu)，毛坯剛性差，精加工時(shí)需安裝輔助支撐。

（3）大齒輪加工工藝 粗加工結(jié)合面：校正毛坯均勻性情況，劃結(jié)合面加工線，留出加工余量5mm，在刨床上進(jìn)行結(jié)合面的粗加工，其表面粗糙度值Ra≤3.2μm。

粗車齒坯：將粗加工后的兩半齒坯利用加工的結(jié)合孔組合成整體齒坯，組裝時(shí)注意結(jié)合面間相互研合以保證結(jié)合緊密。劃出齒坯在齒寬方向的對(duì)稱中心線，劃出其他各端面和外圓加工線，利用立式車床對(duì)齒坯進(jìn)行粗車加工。齒坯外圓和端面均單邊留余量15mm（加工余量確定時(shí)應(yīng)考慮材料淬透性能），將一端作為基準(zhǔn)端面并做標(biāo)記。

粗切齒：將粗車后齒坯置于粗加工機(jī)床上，以基面定位，按端面和外圓打表找正后，夾緊，進(jìn)行粗切齒。粗切齒可采用精度較低的老舊滾齒機(jī)，也可采用專用的齒輪粗切機(jī)床，可大幅度提高切削效率。粗切齒時(shí)沿齒厚單邊留12mm余量。

調(diào)質(zhì)處理：粗切后，將兩半齒坯拆分開(kāi)來(lái)，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

結(jié)合面的精加工：調(diào)質(zhì)后，檢查齒坯的變形情況，劃出結(jié)合面處的加工線。按線找正，在刨床上精刨結(jié)合面達(dá)圖樣要求。并加工出結(jié)合面結(jié)合用螺栓聯(lián)接孔和精制定位螺栓孔，將兩半齒圈相互研合，確保結(jié)合縫處達(dá)到圖樣要求，用精制螺栓定位并用結(jié)合螺栓將兩半齒坯組合成一體。

精車齒坯：在齒坯結(jié)合面兩側(cè)適當(dāng)位置沿剖分直徑方向焊裝輔助支撐，按組合為整體的齒坯的均勻情況找正，精車齒坯端面、外圓。將一側(cè)端面作為基面并車出0.5 mm深的基面刻線。精車時(shí)控制齒坯外圓和端面的尺寸公差使其值不大于圖樣標(biāo)注的1/3。齒坯基面的徑向跳動(dòng)不大于0.15mm，軸向跳動(dòng)不大于0.2mm。基準(zhǔn)面表面粗糙度值不大于3.2μm。

精滾齒：對(duì)機(jī)床、夾具進(jìn)行檢查和調(diào)整，使其滿足齒輪的精加工要求。齒坯安裝時(shí),保證基準(zhǔn)端面與胎座表面干凈并緊密封貼合，并均勻夾緊。安裝后，按基準(zhǔn)端面和外圓進(jìn)行打表找正，其誤差值不得大于0.2mm和0.15mm。滾刀安裝后，要檢測(cè)滾刀的徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)，調(diào)整并確認(rèn)其符合加工要求。加工對(duì)刀時(shí)，以齒坯結(jié)合面為基準(zhǔn)，使結(jié)合面位于刀齒中心。采用N46全損耗系統(tǒng)用油作為切削液。精滾齒采用三次軸向切削完成。第一次軸向切削深度60mm，軸向進(jìn)給量1.5mm/r，主要用于修正粗加工后造成的余量不均勻現(xiàn)象和切除大量余量，滾刀轉(zhuǎn)速20～25r/min；第二次軸向切削為半精滾齒加工，為精滾加工在齒厚方向留0.5～1.2mm余量，軸向進(jìn)給量1～1.2mm/r，滾刀轉(zhuǎn)速為25～30r/min；第三次切至全齒深，以轉(zhuǎn)速25～30r/min，軸向進(jìn)給量1～1.5mm/r加工完成。

齒輪檢測(cè)：齒坯在加工時(shí)每道加工工序進(jìn)行過(guò)程中和工序完成后，都要按檢驗(yàn)規(guī)范規(guī)定的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)程檢查。加工完成后的齒輪在清理完油污、毛刺之后，對(duì)齒輪進(jìn)行外觀檢查、按圖樣進(jìn)行各部尺寸和形位公差檢查、按技術(shù)性能要求進(jìn)行精度檢測(cè)。

精車前安裝輔助支撐可作為齒輪發(fā)運(yùn)時(shí)的發(fā)運(yùn)支撐使用，待到齒輪與窯體安裝時(shí)，適時(shí)拆除。

3.結(jié)語(yǔ)

對(duì)于圓柱齒輪的加工，由于生產(chǎn)規(guī)模和工藝手段的不同，各企業(yè)的加工方法會(huì)有很多不同，但是在加工方案確定上要考慮的因素卻是大體相同的。本文僅就加工方案確定的影響因素和大型齒輪加工做以簡(jiǎn)單介紹，有需改善之處，歡迎賜教。