齒輪制造工藝技術(shù)分析與研究

肖 芳 梅自元 鐘 維

(格特拉克(江西)傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330013)

1 齒輪材料的選取

齒輪材料的選擇是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，目前在通用普遍的齒輪才有以下幾種：

1.1 鋼

鋼的性質(zhì)耐沖擊、韌性好，表面經(jīng)過特定的熱處理后大大提升其的硬度，為最適用制造齒輪的材料。

1.2 鍛鋼

合金鋼根據(jù)所含金屬的成分及性能，可分別使材料的韌性、耐沖擊、耐磨及抗膠合的性能等獲得提高，也可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善材料的力學(xué)性能及提高齒面的硬度。所以對(duì)于既是高速、重載又要求尺寸小、質(zhì)量小的航空用齒輪，就都用性能優(yōu)良的合金鋼來制造。

1.3 鑄鐵

鑄鋼耐磨性比較好，故用于大型的齒輪。

1.4 非金屬

非金屬材料可以大大地降低齒輪傳動(dòng)過程中的噪音，但缺陷也比較明顯，耐磨性較差，只適用于部分傳動(dòng)齒輪。

2 機(jī)械加工工藝

2.1 粗/精車

車削加工的實(shí)質(zhì)就是按照零件圖紙的尺寸要求[1]，在確保尺寸質(zhì)量合格的情況下，保證切削高效性、穩(wěn)定性、安全性。在進(jìn)行精車加工的過程中，我們必須了解注意以下幾點(diǎn)：刀具的選取、切削路徑及參數(shù)的設(shè)定、產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 滾齒

滾切齒輪屬于展成法，可將看作無嚙合間隙的齒輪與齒條傳動(dòng)。當(dāng)滾齒旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，相當(dāng)于齒條在法向移動(dòng)一個(gè)刀齒，滾刀的連續(xù)傳動(dòng)，猶如一根無限長(zhǎng)的齒條在連續(xù)移動(dòng)。當(dāng)滾刀與滾齒坯間嚴(yán)格按照齒輪于齒條的傳動(dòng)比強(qiáng)制嚙合傳動(dòng)時(shí)，滾刀刀齒在一系列位置上的包絡(luò)線就形成了工件的漸開線齒形。隨著滾刀的垂直進(jìn)給，即可滾切出所需的漸開線齒廓[2]。

2.3 熱處理

熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。

2.4 磨齒

利用磨齒機(jī)對(duì)齒輪的輪齒進(jìn)行磨削加工的過程叫做磨齒。分為圓柱形齒輪的內(nèi)齒磨削和外齒磨削；圓柱斜齒輪的內(nèi)齒磨削和外齒磨削，以及傘齒輪的磨削。磨齒機(jī)，是一種齒輪精加工用的金屬切削機(jī)床。用砂輪作為刀具來磨削已經(jīng)加工出的齒輪齒面，用以提高齒輪精度和表面光潔度，這種加工方法稱為“磨齒”。適用于精加工淬火后硬度較高的鋼料齒輪。是一種齒輪精加工用的金屬切削機(jī)床。用砂輪作為刀具來磨削已經(jīng)加工出的齒輪齒面，用以提高齒輪精度和表面光潔度，這種加工方法稱為“磨齒”[3]。適用于精加工淬火后硬度較高的鋼料齒輪。

2.5 磨錐面/磨內(nèi)孔

通過磨床進(jìn)行表面或內(nèi)孔進(jìn)行加工，也包括珩磨機(jī)、超精加工機(jī)床、砂帶磨床、研磨機(jī)和拋光機(jī)等設(shè)備。

2.6 裝配

裝配是一個(gè)漢語詞語，指將零件按規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來，并經(jīng)過調(diào)試、檢驗(yàn)使之成為合格產(chǎn)品的過程，裝配始于裝配圖紙的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品都是由若干個(gè)零件和部件組成的。按照規(guī)定的技術(shù)要求，將若干個(gè)零件接合成部件或?qū)⑷舾蓚€(gè)零件和部件接合成產(chǎn)品的勞動(dòng)過程，稱為裝配。前者稱為部件裝配，后者稱為總裝配。

3 工藝選擇

3.1 材料選擇

3.1.1 輕載、低速或中速、沖擊力小、精度較低的一般齒輪

選用中碳鋼，如Q235、Q275、40、45、50、50Mn等鋼制造，常用正火或調(diào)質(zhì)等熱處理制成軟齒面齒輪，正火硬度HBS160～200，一般調(diào)質(zhì)硬度HBS200～280。因硬度適中，精切齒廓可在熱處理后進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)單，成本低。齒面硬度不高則易于磨合，但承載能力也不高。這種齒輪主要用于標(biāo)準(zhǔn)系列減速箱齒輪、冶金機(jī)械、中載機(jī)械和機(jī)床中的一些次要齒輪。

3.1.2 中載、中速、承受一定沖擊載荷、運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)的齒輪

選用中碳鋼或合金調(diào)質(zhì)鋼，如45、50Mn、40Cr、42SiMn等鋼，也可采用55Tid、60Tid等低淬透性鋼。其最終熱處理采用高頻或中頻淬火及低溫回火，制成硬齒面齒輪，可達(dá)齒面硬度HRC50～55，齒輪心部保持正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)，具有較好的韌性。由于感應(yīng)加熱表面淬火的齒輪變形小，若精度要求不高(如7級(jí)以下)，可不必再磨齒。機(jī)床中絕大多數(shù)齒輪就是這種類型的齒輪。對(duì)表面硬化的齒輪，應(yīng)注意控制硬化層深度及硬化層沿齒廓的合理分布。

3.1.3 重載、高速或中速，且受較大沖擊載荷的齒輪

選用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼，如20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等鋼。其熱處理采用滲碳、淬火、低溫回火，齒輪表面獲得HRC58～63的高硬度，因淬透性較高，齒輪心部有較高的強(qiáng)度和韌性。這種齒輪的表面耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和齒根的抗彎強(qiáng)度及心部抗沖擊能力都比表面淬火的齒輪高，精度要求較高時(shí)，最后一般要安排磨削。它適用于工作條件較為惡劣的汽車、拖拉機(jī)的變速箱和后橋齒輪。碳氮共滲與滲碳相比，熱處理變形小，生產(chǎn)周期短，力學(xué)性能高，而且還應(yīng)用于中碳鋼或中碳合金鋼，所以許多齒輪可用碳氮共滲來代替滲碳工藝。內(nèi)燃機(jī)坦克、飛機(jī)上的變速齒輪的負(fù)載和工作條件比汽車的更重、更惡劣，要求材料的性能更高，應(yīng)選用含合金元素高的合金滲碳鋼，以獲得更高的強(qiáng)度和耐磨性。

3.1.4 精密傳動(dòng)齒輪或磨齒有困難的硬齒面齒輪(如內(nèi)齒輪)

主要要求精度高，熱處理變形小，宜采用氮化鋼，如35CrMo、38CrMoAlA等鋼。熱處理采用調(diào)質(zhì)及氮化處理，氮化后齒面硬度高達(dá)HV850～1200(相當(dāng)于HRC65～70)，熱穩(wěn)定性好(在500～550℃仍能保持高硬度)，并有一定的抗蝕性。其缺點(diǎn)是硬化薄，不耐沖擊，故不適用于載荷頻繁變動(dòng)的重載齒輪，而多用于載荷平穩(wěn)、潤(rùn)滑良好的精密傳動(dòng)齒輪或磨齒困難的內(nèi)齒輪。近年來，由于軟氮化和離子氮化工藝的發(fā)展，使工藝周期縮短，選用鋼種變寬，選用氮化處理的齒輪逐漸廣泛。

3.2 車銑加工

3.2.1 車銑設(shè)備

數(shù)控車床是一種高效的加工設(shè)備，可以對(duì)齒輪的軸向/徑向尺寸進(jìn)行粗加工與精加工。

3.2.2 刀具類型

在進(jìn)行數(shù)控車削的過程中，我們需要有幾大因素需要掌握，刀具的選擇、工裝的確認(rèn)、切削參數(shù)的設(shè)定。其中最重要的環(huán)節(jié)就是刀具選擇。在選擇車削刀具的過程中需考慮刀具的材質(zhì)、加緊方式、刀桿形狀、刀片形狀、刀片后角、刀桿方向、內(nèi)切圓直徑、刀片切削刃長(zhǎng)等。刀具類型一般取決于加工工件區(qū)域的不同，加工內(nèi)孔一般使用鏜孔刀。加工工件外圓尺寸一般使用常規(guī)外圓車刀；加工槽的過程中一般使用特種成型刀具。

3.2.3 刀具裝夾

快速松開的加緊方式可以減少換刀時(shí)間，剛性加緊的方式可以減少振動(dòng)、延長(zhǎng)刀具壽命。

3.3 滾齒加工

滾齒設(shè)備是一種進(jìn)行齒輪成型的設(shè)備，滾刀是加工過程中的重中之重，常用的加工外嚙合支持和斜齒圓柱齒輪的刀具。加工時(shí)，滾刀相當(dāng)于一個(gè)螺旋角很大的螺旋齒輪，其齒數(shù)即為滾刀的頭數(shù)，工件相當(dāng)于另一個(gè)螺旋齒輪，彼此按照一對(duì)螺旋齒輪空間嚙合，以固定的速比旋轉(zhuǎn)，由依次切削的各相鄰位置的刀齒齒形。刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)﹐齒輪繞本身軸線轉(zhuǎn)過一個(gè)齒﹔多頭滾刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)﹐齒輪轉(zhuǎn)過的齒數(shù)與滾刀頭數(shù)相等。值得說明的一點(diǎn)是用硬質(zhì)合金制造滾刀﹐可以顯著提高切削速度和切齒效率。整體硬質(zhì)合金滾刀已在鐘表和儀器制造工業(yè)中廣泛地用于加工各種小模數(shù)齒輪。

3.4 熱處理

對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化的金屬熱處理工藝。它廣泛用于既要求表層具有高的耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和較大的沖擊載荷，又要求整體具有良好的塑性和韌性的零件，如曲軸、凸輪軸、傳動(dòng)齒輪等。表面熱處理分為表面淬火和化學(xué)熱處理兩大類。

3.4.1 表面淬火

通過不同的熱源對(duì)工件進(jìn)行快速加熱，當(dāng)零件表層溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上(此時(shí)工件心部溫度處于臨界點(diǎn)以下)時(shí)迅速予以冷卻，這樣工件表層得到了淬硬組織而心部仍保持原來的組織。為了達(dá)到只加熱工件表層的目的，要求所用熱源具有較高的能量密度。根據(jù)加熱方法不同，表面淬火可分為感應(yīng)加熱(高頻、中頻、工頻)表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電子束表面淬火等。工業(yè)上應(yīng)用最多的為感應(yīng)加熱和火焰加熱表面淬火。

3.4.2 表面熱處理化學(xué)熱處理

將工件置于含有活性元素的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層或形成某種化合物的覆蓋層，以改變表層的組織和化學(xué)成分，從而使零件的表面具有特殊的機(jī)械或物理化學(xué)性能。通常在進(jìn)行化學(xué)滲的前后均需采用其他合適的熱處理，以便最大限度地發(fā)揮滲層的潛力，并達(dá)到工件心部與表層在組織結(jié)構(gòu)、性能等的最佳配合。根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、滲硼、滲硅、滲硫、滲鋁、滲鉻、滲鋅、碳氮共滲、鋁鉻共滲等。

3.5 磨削加工

砂輪一般用于齒輪的磨齒/磨錐面設(shè)備上，砂輪通過結(jié)合劑將普通磨料固定在一起，并具有一定的強(qiáng)度和耐久性。使用面最廣的一種，使用時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，可對(duì)金屬或非金屬工件的外圓、內(nèi)圓、平面和各種型面等進(jìn)行粗磨、半精磨和精磨以及開槽和切斷等。

4 齒輪加工具體工藝流程

以下將具體敘述DCT300自動(dòng)變速箱三五七擋從動(dòng)齒輪加工工藝流程。

圖1 齒輪加工工藝

4.1 選材

選材上選取了20MnCrs5滲碳鋼，此材料的優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)度與韌性非常高，耐磨性好，淬火后性能表現(xiàn)優(yōu)異。熱處理后效果要強(qiáng)于一般20Cr。多用于中等負(fù)載，沖擊較小的中小零件，非常適合用于汽車行業(yè)使用。但缺陷在于焊接效果不理想，適合整體齒輪。

4.2 精車工藝

精車設(shè)備上，選用EMAG車床(Fanuc系統(tǒng))。刀具方面選用SANDVIK 20×20常規(guī)外圓車刀、成型槽刀、及內(nèi)孔刀桿。刀片選擇通用D型號(hào)或V型號(hào)刀片，槽刀使用PENTA系列成型槽刀片，加工最大轉(zhuǎn)速3500R/MIN、進(jìn)給速度3.5mm/R。在加工過程中會(huì)出現(xiàn)震刀(震紋)、翻邊、鐵環(huán)(線圈)等問題，可以用過更改切削參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正。

4.3 滾齒工藝

滾齒設(shè)備選用FELSMAT滾齒設(shè)備，刀具采用世界頂尖品牌藍(lán)幟滾齒刀桿，通常滾刀轉(zhuǎn)速為≤400r/MIN，進(jìn)給速度為≤3.5mm/R，可以通過控制產(chǎn)品的壓力角，滾齒時(shí)切削齒坯的刀具為滾刀，由于滾刀的螺旋升角較大，所以外形象一個(gè)蝸桿，滾刀在垂直于螺旋槽方向開槽，形成若干切削刃，其法向剖面具有齒條形狀。因此當(dāng)滾刀連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀齒可視為一個(gè)無限長(zhǎng)的齒條的移動(dòng)，同時(shí)刀齒由上而下的進(jìn)行切削，保持齒條(滾刀)和齒坯之間的嚙合關(guān)系，滾刀就可在齒坯上加工出漸開線齒形。

4.4 熱處理工藝(圖2)

4.5 硬車工藝

因熱處理過后，齒輪表面存在厚實(shí)的滲碳層，需使用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行車削加工。切削用量選擇是否合理，對(duì)硬車削影響很大，工件材料硬度越高，其切削速度應(yīng)越小。硬車削精加工合適的切削速度為50～200m/min，常用范圍為100～150m/min。當(dāng)采用大切深或斷續(xù)切削時(shí)，切速應(yīng)保持在50～100m/min，通常切深為0.1～0.3mm；當(dāng)加工表面粗糙度要求高時(shí)，可選小的切削深度，進(jìn)給量通常選擇0.025～0.25mm/r，具體根據(jù)表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。由于PCBN和陶瓷刀具材料的耐熱性和耐磨性好，可選用較高的切削速度和較大的切削深度以及較小的進(jìn)給量。而切削用量對(duì)硬質(zhì)合金刀具磨損的影響比PCBN刀具要大些，故用硬質(zhì)合金刀具就不宜選用較高的切削速度和切削深度。

4.6 磨齒工藝

加工過程中要考慮存在加工誤差的情況，因?yàn)榧庸し椒ú捎镁哂械秲A角的漸開線刃單面砂輪盤作為加工刀具以近似等效標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒輪刀具，由于所采用的具有刀傾角的漸開線刃并不能完全與標(biāo)準(zhǔn)漸直齒輪刀具等效，因此在加工過程中將產(chǎn)生加工原理誤差，即砂輪盤刀具與標(biāo)準(zhǔn)直尺輪刀具之間的形狀誤差經(jīng)過傳遞在加工后的直齒輪上產(chǎn)生相應(yīng)齒面誤差。加工過程中可以通過合理的選擇砂輪刀具錐角和砂輪半價(jià)R的值調(diào)控鼓形量誤差的大小，達(dá)到合理規(guī)劃接觸軌跡而提高加工質(zhì)量。

圖2 熱處理工藝

4.7 成品示例(圖3)

圖3 成品示例

5 結(jié)語

全球現(xiàn)在對(duì)汽車性能的需求和節(jié)能減排的需求在不斷提高，自動(dòng)變速箱也呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，齒輪更是在其中扮演著十分重要的角色，通過本文的簡(jiǎn)單介紹，對(duì)研究齒輪材料及工藝、齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面提供指導(dǎo)方向，其對(duì)變速箱結(jié)構(gòu)及扭矩控制的原理有更深的研究，為日后變速器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論依據(jù)。