薄壁齒圈加工制造的關(guān)鍵工藝探討

周運岐，李嬌

(韶能集團韶關(guān)宏大齒輪有限公司，廣東韶關(guān) 512029)

薄壁齒圈加工制造的關(guān)鍵工藝探討

周運岐，李嬌

(韶能集團韶關(guān)宏大齒輪有限公司，廣東韶關(guān) 512029)

以某典型薄壁齒圈為例，探討其鍛件加工工藝、車削加工和插齒加工工藝及熱處理工藝，以確保薄壁齒圈的加工精度。

薄壁齒圈;加工;精度

薄壁齒圈廣泛應用于行星齒輪減速器，是一種動力傳動機構(gòu)，特別是在工程機械領(lǐng)域的推土機、裝載機、挖掘機等工程機械減速器行星機構(gòu)中應用較廣。薄壁齒圈的主要特征是壁厚與它的徑向、軸向尺寸相比較，相差懸殊，因薄壁剛性差，在工裝夾持力和刀具切削力的作用下，容易變形并產(chǎn)生振動，影響零件的最終加工尺寸精度、齒形精度和表面粗糙度。

齒圈的精度直接影響它的傳動質(zhì)量，以材料為42CrMo、零件外徑280 mm、齒輪寬度36 mm、壁厚僅7 mm且內(nèi)圈、外圈均有齒的典型薄壁齒圈為例(見圖1)，探討其鍛件加工工藝、車削加工和插齒加工工藝及熱處理工藝的應用，對確保薄壁齒圈加工質(zhì)量的工藝進行研究，結(jié)合生產(chǎn)實踐提出解決問題的工藝措施。

圖1 薄壁齒圈零件圖

1 薄壁齒圈零件加工工藝過程

鍛造毛坯→車削加工→調(diào)質(zhì)→車削加工→插齒加工→滲氮熱處理。

1.1 薄壁齒圈毛坯的鍛造加工工藝

傳統(tǒng)的模鍛工藝，因需要在毛坯表面形成一定的拔模錐度，滿足脫模工藝要求，無法鍛造出臺階，要消耗較多的鋼材，還要增加后續(xù)車削的工作量。

采用碾環(huán)機軋制工藝制坯技術(shù)，它通過使環(huán)件毛坯產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形積累，而使其壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形，以獲得規(guī)定形狀尺寸的環(huán)件鍛件。經(jīng)過軋制工藝加工的毛坯，徑向尺寸公差可以控制在0.2～0.5 mm之間，長度尺寸公差可以控制在0.5～1 mm之間，并解決了兩邊余量不均勻的技術(shù)難題。

圖2 碾環(huán)機軋制工藝

使用軋制工藝加工，毛坯外圈、內(nèi)圈上的臺階可一次軋制成形且無飛邊，因此，材料的利用率較傳統(tǒng)的普通模鍛提高10%～20%。軋制鍛件成形幾何精度高、內(nèi)部組織致密，金屬流線分布完整，晶粒細化，產(chǎn)品的晶相組織好，綜合機械性能可以提高20%左右，具有節(jié)能、節(jié)材、優(yōu)質(zhì)、高效等優(yōu)點。

1.2 機加工工藝的研究

在車削加工工藝研發(fā)過程中，設計合理的車削漲心工裝夾具、插齒漲心工裝夾具，確定最優(yōu)工藝參數(shù)，有效解決薄壁件因易產(chǎn)生橢圓而影響零件的最終齒形精度問題。

(1)車削加工

對薄壁齒圈車削加工來說，剛性差，在夾持力、切削力作用下很容易產(chǎn)生變形，容易導致吃刀不均和讓刀等現(xiàn)象。另外，薄壁齒圈容易因溫度升高而變形，使加工后的孔出現(xiàn)形狀和尺寸誤差。為了防止薄壁齒圈因夾緊和車削變形，一般的裝夾及加工必須在保證內(nèi)外原軸線的同軸度、端面與內(nèi)孔軸線的垂直度以及兩平面的平行度前提下完成。車削加工分車削一和車削二兩工步完成，車削一是定端面夾外圓，因車削一的基準比較粗，不能采用漲芯筒形夾具的面接觸，而是采用漲芯筒形夾具的點 (六點)接觸，車削一夾具見圖3;車削二是用車削一完成的內(nèi)孔和端面定位，采用漲芯筒形夾具撐內(nèi)孔定端面，增大接觸面積，使夾緊力均勻分布，減少變形，車削二夾具見圖4。

圖3 車削一夾具

圖4 車削二夾具

設計科學合理的夾具并選用合適的刀具和機床切削參數(shù)，可以有效防止薄壁零件的變形，滿足內(nèi)、外徑同軸度的精度要求，同時還可以解決內(nèi)孔卡環(huán)槽公差要求高、易產(chǎn)生振紋的問題。

(2)插齒加工

內(nèi)外齒要求:內(nèi)跨棒距232.45～232.55 mm，齒形0.015 mm，齒向0.02 mm，齒圈跳動0.08 mm;外齒跨棒距287.10～287.18 mm，齒形0.015 mm，齒向0.02 mm，同軸度0.03 mm，內(nèi)外齒表面粗糙度1.6 μm，齒輪的內(nèi)外齒相當ISO1328標準的6級精度。想要薄壁齒圈插齒的齒輪精度達到6級，必須從夾具的設計和刀具的選用著手，作者采用以下方法:

薄壁齒圈的插齒加工采用漲芯夾具 (見圖5)，增大定位的接觸面積，在插齒加工時使用合適的夾緊力，保證夾緊力均勻分布，避免薄壁齒圈在裝夾中受夾緊力引起的工件夾緊點局部剛性轉(zhuǎn)動，從而使工件相對于刀具的位置發(fā)生改變，因此通過優(yōu)化夾具方案來減小裝夾引起的彈性變形是提高加工精度和生產(chǎn)效率的重要途徑。

圖5 插齒加工

薄壁齒圈經(jīng)過調(diào)質(zhì)后硬度達到HRC28～33，插齒刀選用G50的材質(zhì)。

要滿足內(nèi)、外齒同軸度要求，在加工過程使用漲芯夾具，選用國外知名品牌的帶刀庫、具有自動換刀功能的5軸數(shù)控插齒機，確保內(nèi)外齒同軸度達到要求。

1.3 熱處理工藝

齒輪加工通常使用滲碳工藝，加熱至930℃，滲碳8 h左右后再用油淬，淬火過程溫度劇降，極易產(chǎn)生變形，影響齒形的精度。

對該薄壁齒圈，采用可控氣氛滲氮工藝進行齒圈熱處理，以減少熱處理變形。工藝要求:滲氮層深度大于0.2 mm，表面硬度大于等于85HR15N，白色層應完整無缺陷，無泡疤、裂紋或剝落區(qū)域，白層深度不大于0.020 mm，心部硬度HRC28～32.5(Brinell Hdns 3.5～3.7 mm)。

在滲氮之前要清除零件表面的雜質(zhì)，如油、油脂、夾雜物、氧化物、氧化皮或鈍化膜，這些雜質(zhì)都會抑制氮化處理，清潔后的零件干后應盡快進行氮化。

為防止變形，加熱速度不能太快，一般3.5 h加熱到360℃，保溫0.5 h后分別充入N2和NH3，之后加熱到515℃滲氮13 h，再用4 h左右的時間緩冷。

滲氮主氣源為氨氣，保護氣體為氮氣，氨氣氣化后需要通過干燥塔除去氨氣中的水份，氨氣通過裂解后通入爐內(nèi)，這樣可以保證氨氣的良好分解率。為使氮化層更加均勻，工藝上要求控制好氨的分解率，在溫升達到515℃時，控制氨的分解率在30%，保持30 min，之后，調(diào)整到21.4%，再保持330 min。

圖6為熱處理工藝曲線圖。

圖6 熱處理工藝曲線圖

2 結(jié)論

通過工藝研究和實際加工應用表明，薄壁齒圈零件加工的關(guān)鍵工藝有3點:(1)應用鍛造輾環(huán)制坯工藝，提高鋼材利用率;(2)采用科學合理的防變形裝夾技術(shù)，減少或避免由于裝夾變形產(chǎn)生的尺寸精度誤差，同時選擇合理的切削參數(shù)，減少切削力對變形的影響;(3)采用滲氮工藝，也是減少薄壁齒圈熱處理變形的有效措施。

【1】浦林祥.金屬切削機床夾具設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

【2】中國機械工程學會熱處理分會.熱處理手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

Disscusion on the Critical Process in Thin-wall Ring Gear Manufacturing

ZHOU Yunqi，LI Jiao
(Shaoneng Group Shaoguan Honda Gear Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512029，China)

Taking a typical thin-wall ring gear as an example，the forging process，turning and gear shaping process and heat treatment process were discussed，to ensure thin-wall ring gear machining precision.

Thin-wall ring gear;Machining;Precision

TG61

B

1001－3881(2014)8－031－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.011

2013－11－07

周運岐 (1964—)，男，工學學士，工程師，負責公司的技術(shù)改造工作。E－mail:1779739879@qq.com。