機械齒輪軸加工工藝與優(yōu)化研究與發(fā)展趨勢

孫 波

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊，江西 贛州 341000）

齒輪軸主要由軸槽、軸肩、齒輪以及環(huán)槽所組成，是旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的核心部件之一，由于其具有效率高、摩擦力小、阻力小、裝備簡單方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用與大、中、小型機械中。在整個機械設(shè)備運行生產(chǎn)過程中，齒輪軸承擔(dān)著機械旋轉(zhuǎn)作用，機械設(shè)備通過軸承運轉(zhuǎn)來降低機械在運行生產(chǎn)過程中內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦系數(shù)[1,2]，從而提高機械設(shè)備運轉(zhuǎn)速率，從運動元件摩擦的性質(zhì)來講，齒輪軸分為滾動齒輪軸與滑動齒輪軸，由于滾動齒輪軸比滑動齒輪軸的啟動性能更好，且滑動齒輪軸比滾動齒輪軸的損壞率略高，所以目前大部分機械設(shè)備都采用的是滾動齒輪軸。

由于機械齒輪軸加工過程比較復(fù)雜，且在加工過程中對工藝精度要求極高，因此機械齒輪軸加工工藝研究一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界必要熱門的研究課題，最初國外對于機械齒輪軸的加工主要是利用機械式的加工方法，并在加工過程中運用手動控制實現(xiàn)齒輪軸的加工，而國內(nèi)對于機械齒輪軸的加工完全是依靠引進(jìn)或仿制國外先進(jìn)的機械齒輪軸機床，其加工成本較高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前國外已經(jīng)實現(xiàn)全自動化的機械齒輪軸加工，而國內(nèi)對于機械齒輪軸加工仍然延續(xù)傳統(tǒng)工藝，隨著機械設(shè)備對齒輪軸的強度及性能要求逐漸提高，對械齒輪軸的加工也提高了難度，傳統(tǒng)加工工藝已經(jīng)無法滿足齒輪軸加工需求，為此提出機械齒輪軸加工工藝與優(yōu)化研究與發(fā)展趨勢，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 機械齒輪軸加工工藝研究

機械齒輪軸加工過程比較復(fù)雜，具體過程如下表所示。

序號 名稱 備注1選料 選取機械齒輪軸加工原材料2機床鍛造 鍛造機械齒輪軸齒坯3退火 去鍛造應(yīng)力4車削加工 對機械齒輪軸軸坯粗車改善切削加工性5齒輪加工 對齒輪進(jìn)行常規(guī)加工6滲碳淬火 增加齒輪軸表面硬度7磨削加工 修正齒輪內(nèi)圓、端面變形8檢驗成品 檢查齒輪成品表面是否有裂紋

以下將對機械齒輪軸加工工藝進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 機械齒輪軸加工材料選取及鍛造

齒輪是由齒輪、環(huán)槽、花鍵、軸肩、凹槽等幾何圖形組成，在齒輪的加工過程中精度要求很高，加工難度很大，需要跟其他的零部件緊密配合。因此，需要對相關(guān)問題進(jìn)行全面分析，選擇適合的材料才能保證完成齒輪軸加工。

在齒輪加工過程中，選擇合適的材料是完成齒輪軸加工的基礎(chǔ)，常用齒輪軸通?？梢赃x擇優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)中的45 鋼，以及一些優(yōu)質(zhì)的合金鋼。例如，可以選擇低碳合金來加工裝載機的輸入齒輪軸。

由于齒輪軸的強度要求較高，齒輪大小不同，直徑的差異也會相對較大，因此，在選擇鍛件毛坯可以減少材料的消耗，不同的尺寸可以做不同的選擇。

選取完合適的加工原材料后對機械齒輪軸各個部件進(jìn)行鍛造，鍛造方式采用正火方式，將原材料放入到HR 爐內(nèi)，爐內(nèi)熔煉溫度為1200℃，在齒輪軸進(jìn)行鍛造的時間內(nèi)，要對鍛造的時間與溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制以外，還要結(jié)合加工需求，對RH 爐其他技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最大提升氣體流量設(shè)定為160，以此完成機械齒輪軸加工材料選取及鍛造。鍛造之后將加工原料放入冷水水池中進(jìn)行退火，快速去除齒輪軸原料的鍛造應(yīng)力。

1.2 機械齒輪軸的車削加工

由于機械設(shè)備對齒輪軸的強度要求較高，齒輪軸大小不同，直徑差異較大，選擇鍛件毛坯可以減少材料的消耗。

不同的尺寸可以做不同的選擇。在通常情況下，將機床的主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為5000rpm，主軸功率設(shè)定為12kW，主軸扭矩設(shè)定為40Nm，主軸的極限轉(zhuǎn)角設(shè)定為125°。通過以上參數(shù)設(shè)置[3]，對機械齒輪軸進(jìn)行粗加工，根據(jù)不同的齒輪軸加工機械要求，加工精度加工的需求也不同，齒輪軸的精加工分為5 級～9 級。根據(jù)齒輪軸加工精度要求，含碳量較低的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)和合金鋼是齒輪軸選用較多的材料，可以采用正火方式的熱處理來避免硬度過低而出現(xiàn)的粘刀情況。正火處理還能解決鍛造應(yīng)力、保證組織均勻、細(xì)化晶粒等情況。根據(jù)機械齒輪軸各個部件的加工順序，選擇不同的基準(zhǔn)定位，可以影響齒輪軸的加工順序。理想統(tǒng)一的基準(zhǔn)定位可以增加齒輪軸零件與齒輪軸表面位置的精準(zhǔn)度，基準(zhǔn)的公差值應(yīng)該控制在1/5 ～1/3，以此完成機械齒輪軸粗車。

1.3 機械齒輪軸的齒輪加工與滲碳淬火

齒輪軸的齒部為漸開線齒輪，采用滾齒的方式加工，選擇與齒輪相對應(yīng)的滾齒刀具，為保證質(zhì)量和效率，可以選用數(shù)控滾齒的辦法，在提高加工效率的同時確保加工質(zhì)量。如果齒輪的加工精度要求較低，滾齒后可以采用剃齒工藝加工；如齒輪的精度要求較高，為了消除熱處理變形，保證齒輪的精度等級，一般采用熱處理后的磨齒工藝。滾齒后的零件為減少在表面淬火等環(huán)節(jié)出現(xiàn)的變形情況，可以進(jìn)行調(diào)質(zhì)操作。調(diào)質(zhì)操作可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，若不需要此操作可以直接進(jìn)入到后面的工序[4]。此外還需要根據(jù)機械齒輪軸加工圖紙，對齒輪軸齒面進(jìn)行精加工處理，將齒輪軸外表打磨圓滑，將齒輪軸各個位置的尺寸精加工到滿足圖紙要求為止。最后將加工后的機械齒輪軸進(jìn)行檢驗，查看表面是否有裂紋，以此完成機械齒輪軸的熱前加工。

利用機床對機械齒輪軸加工后，還需要根據(jù)機械齒輪軸實際硬度要求，在機械齒輪軸表面進(jìn)行滲碳和淬火處理，以此保證機械齒輪軸表面的硬度、韌性、摩擦性等性能。滲碳處理一般的深度是1.1mm ～1.7mm。有一些部位不需要進(jìn)行表面滲碳和淬火處理，比如花鍵齒部、凹槽、螺紋等，則需要對防滲部位的表面進(jìn)行防滲處理后才可進(jìn)行滲碳與淬火處理。是否需要進(jìn)行表面滲碳和淬火處理，可根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。

1.4 機械齒輪軸的磨削加工與檢驗

齒輪軸的表面與齒部熱處理后也需要進(jìn)行加工處理，首先對齒輪軸兩端的中心孔進(jìn)行研磨處理，消除熱處理對中心孔造成的影響，恢復(fù)中心孔的精度；后對齒輪軸進(jìn)行校直處理，消除熱處理對齒輪軸造成的彎曲；然后對齒輪軸的外徑與端面進(jìn)行磨削加工，將齒輪軸各個位置的尺寸磨削加工到滿足圖紙要求為止，最后磨齒，消除熱處理對齒形齒向的變形，減小形位公差，提高精度等級，滿足齒輪軸的質(zhì)量要求，最后全面檢驗入庫。

2 機械齒輪軸加工工藝優(yōu)化研究

傳統(tǒng)加工工藝雖然能夠滿足機械齒輪軸一些基本需求，但是在實際應(yīng)用中，加工而成的機械齒輪軸硬度及韌性較低，導(dǎo)致齒輪軸使用壽命較低。結(jié)合實際要求，對機械齒輪軸加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，以下將從機械齒輪軸加工材料、加工設(shè)備以及加工參數(shù)三方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 機械齒輪軸加工材料優(yōu)化

傳統(tǒng)加工工藝為了節(jié)約機械齒輪軸加工成本，在加工過程中使用硬度比較低的廉價鋼材[5]，此次在不增加機械齒輪軸加工成本的前提下，以滲碳鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工材料，滲碳鋼具有較強的淬透性和加工性，其抗拉強度大于1080MPa，屈服強度大于850 MPa，沖擊韌性為85J.cm2，硬度為250HB，斷面收縮率為55%，沖擊功大于65J，其含碳量極低。以15CrMnTi 滲碳鋼作為機械齒輪軸軸槽加工原料，以18CrMnTi 滲碳鋼作為機械齒輪軸環(huán)槽加工原料，以25CrMnTi 滲碳鋼作為機械齒輪軸齒輪加工原料，以20CrMnTi 滲碳鋼作為機械齒輪軸軸肩加工原料，以此完成機械齒輪軸加工材料優(yōu)化。

2.2 機械齒輪軸加工設(shè)備及加工參數(shù)優(yōu)化

傳統(tǒng)加工設(shè)備主要為臥式機床為主，該機床在加工過程中需要人為對其進(jìn)行控制，并且故障率較高，此次以德瑪吉公司生產(chǎn)的型號為GBJK-610 的立式數(shù)控機床代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工設(shè)備，如下圖所示。

該機床是按照國外最先進(jìn)機床準(zhǔn)則2014/14/GB最近技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制造的，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動人工智能加工，重量輕，體積小，具有極高的安全性和穩(wěn)定性[6]。

GBJK-610 立式數(shù)控機床裝有A、B、C、D、E 五個NC 軸，在加工過程中可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，在加工過程中將設(shè)備參數(shù)優(yōu)化為：A 軸工作行程為550mm，B 軸工作行程為450mm，C 軸工作行程為300mm，D 軸工作行程為250mm，E 軸工作行程為360mm，將各個NC 軸轉(zhuǎn)速范圍優(yōu)化為5000～8000 rpm，NC 軸功率參數(shù)優(yōu)化為25kW，扭矩參數(shù)優(yōu)化為155Nm, 主軸的極限轉(zhuǎn)角參數(shù)優(yōu)化為155°，此次將機床的最大勁給力設(shè)定為5.6kN，為了保證機床加工精度，將機床的控制系統(tǒng)精度參數(shù)設(shè)定為0.001mm，以此完成機械齒輪軸加工工藝優(yōu)化。

圖1 GBJK-610 立式數(shù)控機床

3 機械齒輪軸加工工藝發(fā)展趨勢

根據(jù)目前機械齒輪軸加工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，為了更好的帶動機械部件加工行業(yè)的革新，在加工控制策略方面，機械齒輪軸加工技術(shù)應(yīng)該逐漸向智能化、自動化、數(shù)字化方向發(fā)展，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，開發(fā)出機械齒輪軸加工遠(yuǎn)程控制技術(shù)，減少加工過程中人工勞動力，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)，這樣可以有效降低機械齒輪軸加工成本，提高加工效率。機械齒輪軸加工技術(shù)在未來需要具有多樣化特征，并朝著便捷化以及多功能方向發(fā)展，利于無線傳感技術(shù)對機械齒輪軸加工參數(shù)進(jìn)行實時采集，為加工設(shè)備精度控制以及維護(hù)工作提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

此外，目前機械齒輪軸的運行主要依靠石油發(fā)電機，在加工過程中會向空氣中排放大量污染物，因此從節(jié)能環(huán)保角度分析，在未來機械齒輪軸加工設(shè)備動力來源將會由石油轉(zhuǎn)化為電力，并且利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開發(fā)出一套控制系統(tǒng)，對其用電量進(jìn)行有效控制，這樣既減少了對空氣的污染，由于電力成本比石油成本低很多，這樣又能降低機械齒輪軸加工成本。通過以上分析，實現(xiàn)了對機械齒輪軸未來發(fā)展趨勢的研究。

4 結(jié)束語

此次結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對機械齒輪軸加工工藝與優(yōu)化與發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究，有利于提高機械齒輪軸加工精度、傳動精度以及加工效率，為機械齒輪軸加工工藝優(yōu)化研究提供參考依據(jù)，同時對機械齒輪軸加工工藝的推廣與應(yīng)用也具有重要作用。由于個人能力有限，雖然此次在該方面取得了一定的研究成果，但在研究內(nèi)容上還存在一些不足之處，今后會對機械齒輪軸加工工藝的優(yōu)化進(jìn)行深一步研究，促進(jìn)機械制造業(yè)不斷發(fā)展。