齒輪加工方法分析與研究

翟曉 郭鐸

摘要：齒輪是工業(yè)設(shè)備中的基礎(chǔ)傳動(dòng)元件，例如每輛汽車中就有18～30個(gè)齒部，齒輪的質(zhì)量直接影響傳動(dòng)的噪聲、平穩(wěn)性及使用壽命。近年來，齒輪技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)可概括為：高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高傳動(dòng)效率，這其中離不開齒輪加工方法與工藝的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：齒輪;加工流程;加工方法

1.引言

齒輪制造的關(guān)鍵是齒輪加工技術(shù)的設(shè)定，根據(jù)齒輪的不同用途，在生產(chǎn)中采用不同的加工工藝控制齒輪的承載能力、精度等級(jí)和使用壽命。齒輪是工業(yè)設(shè)備中主要的基礎(chǔ)傳動(dòng)元件，例如每輛汽車就有18-30個(gè)齒部，齒輪的質(zhì)量直接影響設(shè)備運(yùn)行的噪聲、平穩(wěn)性及使用壽命。

2.齒輪加工方法分析

通常一個(gè)完整的齒輪加工過程一般要經(jīng)過毛坯的準(zhǔn)備、毛坯正火熱處理、車削加工、滾齒、插齒、剃齒、再次熱處理、磨削加工與修正等過程。

（1）毛坯準(zhǔn)備

毛坯的準(zhǔn)備尤其是重要齒輪一般通過鍛造制坯來完成的，因?yàn)殄懺炷芟饘僭牧显谝睙掃^程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于非鍛造的毛坯。模鍛還能節(jié)省材料消耗，大幅度提高材料利用率。近年來，楔橫軋技術(shù)在軸類加工上得到了大范圍推廣。這項(xiàng)技術(shù)特別適合為比較復(fù)雜的階梯軸類制坯，它不僅精度較高、后序加工余量小，而且生產(chǎn)效率高。

（2）正火處理

正火這一工藝的目的是獲得適合后序齒輪切削加工的硬度和為最終熱處理做組織準(zhǔn)備，以有效減少熱處理變形。所用齒輪鋼的材料通常為20CrMnTi，一般的正火由于受人員、設(shè)備和環(huán)境的影響比較大，在熱處理工藝中，如果處理不當(dāng)將使得工件冷卻速度和冷卻的均勻性難以控制，造成硬度散差大，金相組織不均勻，直接影響金屬切削加工和最終熱處理，使得熱變形大而無規(guī)律，零件質(zhì)量無法控制^[1]。為此，采用等溫正火工藝。實(shí)踐證明，采用等溫正火有效改變了一般正火的弊端，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

（3）車削加工

為了滿足高精度齒輪加工的定位要求，齒坯的加工全部采用數(shù)控車床，使用機(jī)械夾緊不重磨車刀，實(shí)現(xiàn)了在一次裝夾下孔徑、端面及外徑加工同步完成，既保證了內(nèi)孔與端面的垂直度要求，又保證了大批量齒坯生產(chǎn)的尺寸離散小。從而提高了齒坯精度，確保了后序齒輪的加工質(zhì)量。

（4）滾、插齒

加工齒部所用設(shè)備仍大量采用普通滾齒機(jī)和插齒機(jī)，雖然調(diào)整維護(hù)方便，但生產(chǎn)效率較低，若完成較大產(chǎn)能需要多機(jī)同時(shí)生產(chǎn)。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，滾刀、插刀刃磨后的再次涂鍍非常方便地進(jìn)行，經(jīng)過涂鍍的刀具能夠明顯地提高使用壽命，一般能提高90%以上，有效地減少了換刀次數(shù)和刃磨時(shí)間，效益顯著。

滾齒是軟齒面圓柱齒輪加工中應(yīng)用最為廣泛的一種切齒方法。目前，通過提高滾齒機(jī)剛性，采用高性能高速鋼和硬質(zhì)合金，采用先進(jìn)的刀具涂層技術(shù)，改單頭為多頭滾刀，用大直徑滾刀作徑向進(jìn)給加工以及對(duì)角滾齒法等途徑，使?jié)L齒生產(chǎn)效率得到了極大的提高。國外采用TI N 涂層的優(yōu)質(zhì)高速鋼滾刀的滾齒切削速度已達(dá)150m/min以上，硬質(zhì)合金滾刀的實(shí)用切削速度已達(dá)40m/min以上。

硬齒面滾齒工藝已廣泛用于模數(shù)為m2-40、齒面硬度為HRC40-64的各種硬齒面圓柱齒輪的半精滾和精滾加工。根據(jù)不同的加工條件，齒面的精加工效率可比傳統(tǒng)磨齒工藝提高1- 5 倍，成本也明顯降低，而且擴(kuò)大了硬齒面的可加工范圍，從工藝上保證了硬齒面齒輪的廣泛應(yīng)用。

（5）剃齒

剃齒能加工5-7 級(jí)精度齒輪，生產(chǎn)效率高，以前主要用于齒輪滾插預(yù)加工后、淬火前的精加工。軸向剃齒法剃齒刀磨損不均勻，工作臺(tái)行程長，生產(chǎn)效率不高，但工藝較簡單;對(duì)角剃齒法剃齒刀磨損較均勻，刀具耐用度得到提高，生產(chǎn)效率較高;切向剃齒法生產(chǎn)效率更高。近年來，國外又研制了徑向剃齒法，工件和剃齒刀之間無相對(duì)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，只有徑向進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)，生產(chǎn)效率在剃齒加工中最高，精度和表面粗糙度也好，但這類剃齒刀的設(shè)計(jì)和制造較困難。剃齒廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)精度要求不高、批量較大的汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等行業(yè)的齒輪加工中，作為熱處理前的精加工手段。

（6）磨齒加工

磨齒的加工精度很高，可達(dá)4 級(jí)以上，但成本較高，生產(chǎn)效率一般都較低（蝸桿砂輪磨齒機(jī)除外）。所以，國內(nèi)只在加工精密齒輪和高精度齒輪時(shí)采用，應(yīng)用遠(yuǎn)不如國外普及。近年來，由于CBN磨料、齒輪形金剛石修整滾輪的應(yīng)用以及其它砂輪修整技術(shù)的發(fā)展，使磨齒技術(shù)取得了很大進(jìn)展。

CNC磨齒機(jī)采用普通氧化鋁砂輪砂輪齒面經(jīng)金剛石滾輪修整成為漸開線螺旋面（滾輪齒面）的包絡(luò)面，磨齒時(shí)砂輪齒面經(jīng)二次包絡(luò)形成工件齒面，工件齒面為滾輪齒面的復(fù)映。對(duì)于有修形（國外修形很普遍）要求的齒輪，只需對(duì)金剛石滾輪進(jìn)行相應(yīng)的修形即可磨出所要求的修形齒輪。該機(jī)床磨削一個(gè)工件只34s，每磨20-30 個(gè)工件需對(duì)砂輪修整一次。修整時(shí)只要將金剛石滾輪置于工件位置，然后進(jìn)行類似于磨削工件的循環(huán)過程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修整，修整時(shí)間約為50s。

國外還開發(fā)了其它類型的CBN硬齒面精加工機(jī)床，如德國Carl Hurth 公司和日本三菱重工分別生產(chǎn)出ZHS350和HA25CNC 硬齒面精加工機(jī)床。這類機(jī)床采用圓盤齒輪狀CBN 鍍層，切削機(jī)理類似于剃齒加工，可以加工出所要求的各種齒形和齒向曲線，是一種高效硬齒面精加工方法，可以肯定，這種高效、高精度的硬齒面精加工新方法必將發(fā)揮越來越重要的作用^[2]。

（7）熱處理

齒輪的熱處理有表面淬火，滲碳淬火，滲氮，調(diào)質(zhì)等方式，要結(jié)合齒輪的使用要求，選擇合理的熱處理方式。對(duì)于熱處理后不再進(jìn)行磨齒加工的產(chǎn)品，穩(wěn)定可靠的熱處理設(shè)備是必不可少的。

（8）磨削加工

該工藝主要是對(duì)經(jīng)過熱處理的齒輪內(nèi)孔、端面、軸的外徑等部分進(jìn)行精加工，以提高尺寸精度和減小形位公差。齒輪加工采用節(jié)圓夾具定位夾緊，能有效保證齒部與安裝基準(zhǔn)的加工精度，獲得滿意的產(chǎn)品質(zhì)量。磨削是國外齒輪硬精加工普遍使用的方法，其重要性和影響日益增加。這種加工方法常常為可靠地進(jìn)行漸開線齒形和齒向所限定的精修提供唯一的手段。

（9）珩齒

淬火后的齒輪輪齒表面有氧化皮，影響齒面粗糙度，熱處理的變形也影響齒輪的精度。由于工件已淬硬，除可用磨削加工外，但也可以采用珩齒進(jìn)行精加工。珩齒原理與剃齒相似，珩輪與工件類似于一對(duì)螺旋齒輪呈無側(cè)隙嚙合，利用嚙合處的相對(duì)滑動(dòng)，并在齒面間施加一定的壓力來進(jìn)行珩齒。

珩齒效果很大程度上取決于前一道工序的加工精度和熱處理變形量。另外，無合適的齒輪修整方法，珩齒在整個(gè)使用過程中不進(jìn)行修整，影響了珩齒精度的提高。新的珩齒加工技術(shù)主要有蝸桿形珩輪珩齒法和內(nèi)齒布輪珩齒法兩種。

3.結(jié)語

齒輪作為一種重要的零部件，對(duì)于整個(gè)工業(yè)體系來說，是必不可少的。隨著科技的發(fā)展，齒輪制造技術(shù)和裝備也在進(jìn)一步發(fā)展，高效、高精度、自動(dòng)化、智能化、信息化及清潔加工是今后齒輪加工技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢(shì)。齒輪加工正朝著高效、高精度及綠色制造方向發(fā)展，齒輪加工機(jī)床也同著全數(shù)控、功能復(fù)合、智能化、自動(dòng)化及信息化方向發(fā)展。中國齒輪加工機(jī)床制造商要抓住這一發(fā)展趨勢(shì)，更好地為我國的齒輪加工行業(yè)提供高效、復(fù)合、智能的裝備。

參考文獻(xiàn)

[1]王政.汽車齒輪加工工藝及發(fā)展趨勢(shì)，MC現(xiàn)代零部件，2010，9：26-27

[2]安立寶.齒輪加工技術(shù)新進(jìn)展，航空工藝技術(shù)：29，35

第一作者：翟曉，男，供職于沈陽機(jī)床股份有限公司齒輪分公司，2008年9月入廠，主要從事齒輪生產(chǎn)與工藝編程工作。

（作者單位：1沈陽機(jī)床股份有限公司齒輪分公司;2優(yōu)尼斯工業(yè)服務(wù)有限公司沈陽分公司）