硬齒面滾齒工藝在輪拖齒輪軸加工中的應(yīng)用

張晨+路陽(yáng)

摘 要：闡述了硬齒滾齒工藝在輪式拖拉機(jī)末端傳動(dòng)系零件太陽(yáng)輪軸加工中的應(yīng)用。針對(duì)此零件的結(jié)構(gòu)，利用高精度設(shè)備，設(shè)計(jì)、選用專(zhuān)用工裝、刀具，合理優(yōu)化切削參數(shù)，使零件精度達(dá)到國(guó)標(biāo)7級(jí)以上，為硬齒面滾齒工藝的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：硬齒面；齒輪軸；滾齒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.018

1 概述

硬齒面滾齒革新了硬齒面精加工工藝，采用硬質(zhì)合金滾刀覆涂后滾削齒面，相對(duì)磨齒有較高的效率，目前在國(guó)內(nèi)外都有應(yīng)用。主要用于齒輪熱后精加工和熱后磨齒前半精加工，是修整熱處理變形，提高精度的有效方法。對(duì)精度高于6級(jí)且產(chǎn)量很大的零件，該工藝代替粗磨，切除輪齒的熱處理變形，預(yù)留很少和均勻的精磨齒余量，提高了磨齒質(zhì)量，縮短了磨齒時(shí)間。為普通精度淬硬齒輪，在高端滾齒機(jī)上利用硬質(zhì)合金滾刀精滾齒面及拖拉機(jī)變速箱齒輪及末端傳動(dòng)系零件齒面加工創(chuàng)新提供工藝保障。

2 工件結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

圖1 所示為拖拉機(jī)末端傳動(dòng)系零件太陽(yáng)輪軸，模數(shù)m=4mm，材料為20CrMnMo，滲碳淬火，硬化層深1.0～1.3，齒面硬度58HRC～62HRC。G處齒輪精度等級(jí)GB7級(jí)，齒形公差ff=0.014，齒向公差Fβ=0.016，粗糙度Ra0.8，要求與F處花鍵同軸度Φ0.04。

3 加工方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

（1）對(duì)設(shè)備的要求。由于熱后工件齒面硬度高，加工時(shí)刀具與工件有較大沖擊力和切削熱，要求機(jī)床有很好的剛性及充分的冷卻。零件熱后硬滾屬于精加工，要求機(jī)床有穩(wěn)定的、較高的傳動(dòng)精度。熱后滾齒要求滾刀齒與工件齒槽對(duì)準(zhǔn)后高效切削，要求機(jī)床帶自動(dòng)尋齒對(duì)齒功能。本零件采用進(jìn)口六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，并帶有自動(dòng)尋齒對(duì)齒裝置，為硬滾工藝的實(shí)施提供了設(shè)備條件。

（2）定位、加緊方案的選擇與夾具設(shè)計(jì)。方案：工件熱前所有制齒加工基準(zhǔn)統(tǒng)一為左端B4中心孔與右端內(nèi)孔30°外倒角，為保證熱前熱后基準(zhǔn)統(tǒng)一，仍選用與熱前相同的基準(zhǔn)，保證了F、G齒的同軸度要求。加緊方案：采用拉桿脹套方式脹緊端頭內(nèi)孔，利用機(jī)床自動(dòng)拉緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速加緊工件。

（3）硬滾刀具的設(shè)計(jì)[1]。目前，世界各國(guó)刀具廠家所設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金滾刀，其結(jié)構(gòu)主要有3種：整體式、機(jī)夾式、焊接式。整體式硬質(zhì)合金滾刀刀齒和刀體用一整塊硬質(zhì)合金加工而成，其優(yōu)點(diǎn)是剛性強(qiáng)，機(jī)械加工省時(shí)，可做到較高精度，目前技術(shù)可做到模數(shù)m=5mm以下，但損耗昂貴的硬質(zhì)合金較多，成本高；機(jī)夾式硬質(zhì)合金刀片用螺釘壓至工具鋼刀體上，機(jī)夾式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，夾緊可靠性也較差，適合大模數(shù)齒輪加工，但是在加工大模數(shù)淬硬齒輪時(shí)，齒面的擠壓力較大，且交變作用顯著，因此對(duì)刀片的夾緊要求較高；焊接式硬質(zhì)合金滾刀刀片焊接至工具鋼刀體上，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聯(lián)接強(qiáng)度高，而且硬質(zhì)合金刀片燒結(jié)容易，材料節(jié)省，應(yīng)用較廣泛。但由于焊接應(yīng)力引起的裂紋一直是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的因素，因此需要較高的焊接技術(shù)；并且此種滾刀實(shí)際加工中無(wú)法達(dá)到理想的切削速度。

相比而言，整體式硬質(zhì)合金滾刀其剛性強(qiáng)，精度高，覆涂后可達(dá)到較高的切削速度，更適合此零件的加工，所以選用進(jìn)口整體式硬質(zhì)合金滾刀。由于零件硬度高，而硬質(zhì)合金材料的沖擊韌性較差，因此，在硬齒面滾齒時(shí)，極易產(chǎn)生崩刃，崩刃是硬質(zhì)合金滾刀要解決的主要問(wèn)題。從理論上分析，隨著硬質(zhì)合金滾刀負(fù)前角的增大，滾刀側(cè)刀刃傾角增大，使?jié)L刀刀齒平穩(wěn)地切入金屬層，從而減小了沖擊，保護(hù)硬質(zhì)合金刀齒不致崩刃，耐用度明顯提高。為此，設(shè)計(jì)滾刀時(shí)，采用大負(fù)前角的特殊形式，并覆涂TiN、TiALN和碳復(fù)合納米材料，使?jié)L刀的耐用度大幅度提高。由于此零件熱后硬度58HRC～62HRC，結(jié)合刀具結(jié)構(gòu)，采用廠家推薦的-20°前角。

（4）加工余量及切削參數(shù)的選擇[2]。a.切削余量。一般情況下，齒厚單面切削余量不超過(guò)0.2～0.25mm，否則將增大滾刀軸向切削分力和加快刀具磨損，降低硬滾精度。硬齒面滾齒零件在軟齒面滾齒時(shí)要用配套設(shè)計(jì)的滾刀（或配套磨前滾刀），根據(jù)熱處理變形公法線一般預(yù)留0.15～0.30mm的熱后滾削余量。熱后硬滾時(shí)應(yīng)避免滾偏造成兩齒面余量不一致，導(dǎo)致刀具受力不均而崩齒；另外，齒底不應(yīng)預(yù)留應(yīng)熱后滾削余量，避免滾刀刀尖滾削齒底而造成滾刀耐用度降低。

b.切削速度。當(dāng)切削速度較低時(shí)，由于滾刀與零件摩擦刮削，造成硬質(zhì)合金滾刀磨損較快，且齒面光潔度較差；隨著切削速度的提高，硬質(zhì)合金滾刀磨損逐漸減緩，光潔度也有所提高。實(shí)際加工表明，高效數(shù)控滾齒機(jī)利用涂層硬質(zhì)合金滾刀可將切削速度提高至50～90m/min，齒面粗糙度可達(dá)Ra0.8。

c.走刀量。實(shí)際加工表明，軸向進(jìn)給在齒面的痕跡在一定程度上轉(zhuǎn)化為齒形誤差，隨著走刀量的增加，誤差也相應(yīng)增大。根據(jù)不同機(jī)床及不同零件精度，可取走刀量S=1.1mm/r～2.4 mm/r。

4 結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)證，最終確定公法線熱后滾削余量為0.20mm，滾刀切削速度70m/min，走刀量1.4mm/r，加工精度可滿(mǎn)足GB6級(jí)，齒面粗糙度Ra0.8，單件加工時(shí)間4.5min，效率是普通數(shù)控磨齒機(jī)的2～3倍。注意事項(xiàng)：（1）要考慮設(shè)備剛性和精度；（2）合理選用滾刀結(jié)構(gòu)；（3）正確選擇和規(guī)范切削參數(shù)，采用逆銑法加工。之外，還應(yīng)選用與熱后滾刀匹配的熱前滾刀，并預(yù)留合適、均勻的切削余量，才能保證高質(zhì)量、高效率。隨著數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，齒輪加工也向高精度、高效率、高齒面硬度發(fā)展，新型高效硬滾刀具將會(huì)取得新的研究成果，必定會(huì)為硬齒面滾齒技術(shù)的推廣應(yīng)用打開(kāi)新的大門(mén)。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁亞軍.硬齒面滾齒工藝及滾刀的設(shè)計(jì)與使用[J].機(jī)電工程，1999（04）：62-63.

[2]宋寧.采用硬質(zhì)合金滾刀加工硬齒面齒輪[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2002（05）：16-17.

作者簡(jiǎn)介：張晨（1989-），男，本科，助理工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造管理研究。