基于滾齒加工的20CrMnTi齒面粗糙度分析研究

高妮萍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

近年來，機(jī)械零件加工面向智能化、高效化的方向發(fā)展，隨著加工材料的日益復(fù)雜，對加工零件的技術(shù)要求越來越高。研究表明，齒面粗糙度對齒輪傳動中的接觸疲勞應(yīng)力產(chǎn)生影響，齒面粗糙度值越大，傳遞運(yùn)動時(shí)磨損越快，齒面劇烈磨損產(chǎn)生的微小凹坑導(dǎo)致應(yīng)力集中，使齒輪的疲勞壽命降低。目前大多文獻(xiàn)都是研究如何提高滾齒加工精度，而對于齒面粗糙度的影響因素研究較少。李琳坤[1]主要從齒坯加工質(zhì)量、滾齒夾具的精度等方面研究了如何提高滾齒加工精度及表面精度，趙韓等[2]在軸齒輪加工精度的原因分析中提到影響滾齒表面粗糙度的因素及控制方法，這些研究對影響滾齒齒面粗糙度原因分析不夠全面和深入。本文將從滾刀刀面質(zhì)量、頂刃圓角半徑及刃口形狀方面進(jìn)行研究，全面分析并驗(yàn)證滾齒加工對齒面粗糙度的影響，為后續(xù)在實(shí)際加工中提高滾齒零件的表面質(zhì)量提供參考依據(jù)。

1 齒面粗糙度測量方法

因齒輪齒面粗糙度受多種因素影響，不同的齒面測量方向及位置所得出的結(jié)果也有所差異[3]，為比較沿齒形方向和齒向方向粗糙度差異，選取20個(gè)20CrMnTi齒輪試件，采用針描法分別對齒輪不同方向的齒頂、分度圓齒面、齒根處的粗糙度值進(jìn)行測量，如圖1、圖2所示。通過計(jì)算得到均值并繪制粗糙度值曲線。

圖1 齒形方向測量

圖2 齒向方向測量

分析測量得到的齒面粗糙度數(shù)據(jù)，可得按齒形方向測量的粗糙度均值Rz變化區(qū)間為4.952 7～6.183 6 μm，按齒向方向測量的粗糙度均值Rz變化區(qū)間為 1.246 1～1.872 0 μm，顯然按齒向方向的測量結(jié)果優(yōu)于沿齒形方向的。由于沿齒形方向齒槽根部位置曲率較小，使測量點(diǎn)位容易超出儀器量程，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用齒向方向來測量滾齒加工齒面粗糙度。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，齒形方向和齒向方向測量的粗糙度值的變化曲線呈一定的線性關(guān)系，如圖3所示。

圖3 雙向齒面粗糙度測量值對比

2 滾切實(shí)驗(yàn)

1)加工參數(shù)對齒面粗糙度的影響。

本文實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用Y3150滾齒機(jī)，刀具選用材料為6542鎢鉬系高速鋼、模數(shù)為2、壓力角為20°的A級齒輪滾刀，齒坯選用沖擊韌性好、淬透性高的20CrMnTi材料。為保證加工參數(shù)的統(tǒng)一，選取9個(gè)20CrMnTi齒輪試件并分為3組，分別采用前刀面粗糙度Ra為3.2 μm、1.6 μm、0.8 μm的滾刀，滾切速度vc為35 m/min，進(jìn)給量f為2.0 mm/r，進(jìn)行滾齒加工實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。加工完成后，測量齒面粗糙度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖4 滾齒加工實(shí)驗(yàn)

表1 不同前刀面粗糙度滾刀加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制箱線，如圖5所示。由圖可知，滾刀前刀面的質(zhì)量對齒輪加工表面粗糙度影響比較大，前刀面粗糙度Ra為0.8 μm的滾刀加工齒輪的表面質(zhì)量優(yōu)于前刀面粗糙度Ra為3.2 μm的滾刀。根據(jù)測量結(jié)果可知，滾刀前刀面的粗糙度值越小，齒輪試件的表面質(zhì)量越好，故在滾齒加工中可以通過控制滾刀前刀面粗糙度的方法，獲得較高的齒輪表面質(zhì)量。

圖5 不同滾刀前刀面加工齒面粗糙度箱線圖

2)滾刀頂刃圓角半徑對齒面粗糙度的影響。

滾齒加工時(shí)，齒輪齒根處的表面質(zhì)量是由滾刀頂刃圓角半徑及頂刃前角決定[4]。滾刀的頂刃圓角半徑R過大，可能使齒輪在傳遞運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生不平穩(wěn)現(xiàn)象，加劇齒輪表面磨損，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致斷齒。滾刀的頂刃圓角半徑R過小，雖能提高齒根處的表面質(zhì)量，但是齒根處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低齒輪的抗彎曲疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致齒輪卡住或折損[5]。為了制造方便，一般都采用零前角滾刀，頂刃圓角在頂刃與兩側(cè)刃的相切線上，頂刃圓角半徑R的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Sa為滾刀分度圓的齒厚；ha為滾刀的齒頂高；αa為滾刀的壓力角。通過計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)所用滾刀的頂刃圓角半徑，為統(tǒng)一加工參數(shù)，選取2組共6個(gè)20CrMnTi齒輪試件，分別選用頂刃圓角半徑為1.882和1.617 mm的滾刀進(jìn)行滾齒加工實(shí)驗(yàn)，測量齒面粗糙度值，結(jié)果見表2。

表2 不同頂刃圓角半徑滾刀加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表中數(shù)據(jù)可知，滾刀頂刃圓角半徑是影響滾齒加工齒面粗糙度的一個(gè)重要因素，在滾齒加工不發(fā)生過渡干涉的情況下，大的滾刀頂刃圓角半徑能獲得較高的齒輪表面質(zhì)量。

3)刀具刃口形狀對齒面粗糙度的影響。

滾齒加工時(shí)刀具刃口形狀也是影響齒面粗糙度的一個(gè)重要因素[6]，實(shí)驗(yàn)選取2把孔徑為φ40 mm、長度為143 mm的正前角整體式高速鋼滾刀，分別進(jìn)行刃口鈍化處理。第一把滾刀以50 μm圓弧進(jìn)行刃口鈍化處理，第二把滾刀以10 μm圓弧進(jìn)行刃口鈍化處理，選擇2組共10個(gè)20CrMnTi齒輪試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量齒面粗糙度并取平均值，結(jié)果見表3、表4。

表3 滾刀刃口圓弧50 μm加工齒面粗糙度均值

表4 滾刀刃口圓弧10 μm加工齒面粗糙度均值

分析表3，4中數(shù)據(jù)并繪制箱線，如圖6所示。由圖可知，滾刀刃口鈍化圓弧大小對齒面粗糙度的影響比較明顯，以50 μm的刃口圓弧滾刀加工的齒輪表面精度比以10 μm的刃口圓弧加工的齒輪表面精度更高。

圖6 不同滾刀刃口圓弧加工齒輪粗糙度箱線圖

3 結(jié)論

本文對滾齒加工齒輪齒面粗糙度的影響因素進(jìn)行分析研究，通過3個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

1)較高的滾刀前刀面質(zhì)量在滾齒加工中更容易得到較小的齒輪表面粗糙度值。在后期滾齒工藝中可通過合理的刃磨或者新的刀面處理技術(shù)來提高齒輪零件的表面質(zhì)量。

2)在滾齒加工不發(fā)生過渡干涉的情況下，大的滾刀頂刃圓角半徑在加工中能獲得較高的齒輪表面質(zhì)量。滾刀頂刃圓角半徑不能過小，過小會加劇磨損，使?jié)L刀壽命降低。

3)不同的滾刀刃口形狀對齒面粗糙度的影響比較大，在滾齒加工時(shí)，采用大的刃口圓弧滾刀，得到的齒輪零件表面質(zhì)量要比采用小的好。

本文的研究結(jié)果可為后期進(jìn)行滾齒加工多因素交叉影響研究奠定基礎(chǔ)。