大模數(shù)粉末冶金齒輪磨齒工藝

郝建勇，岳劍龍，劉勇，許利利

中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司 陜西西安 710077

1 序言

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金材料是用粉末冶金工藝制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。隨著對新材料應(yīng)用的不斷探究，航空發(fā)動機齒輪類零件越來越多地采用粉末冶金材料。但是，由于粉末冶金材料特殊的成形方法及材料本身所具有的特殊性能，因此使得在磨齒時會出現(xiàn)尺寸不穩(wěn)定、燒傷等現(xiàn)象。高精度齒輪精度要求在國標(biāo)4～5級時，只能用磨齒、珩齒的方法來保證其加工精度。大模數(shù)齒輪（模數(shù)m≥5）磨齒時，齒根轉(zhuǎn)接處和根徑燒傷十分嚴(yán)重。

2 零件及材料性能分析

圖1 所示齒輪零件加工要求：模數(shù)＝6、齒數(shù)＝11、壓力角＝28°、齒圈徑向圓跳動公差＝0.028mm、公法線長度變動量公差＝0.02mm、齒距極限偏差＝±0.011mm、齒形總偏差＝0.01mm、齒向偏差＝0.01mm以及單個齒距偏差＝0.008mm，達(dá)到了5級精度，屬于高精度大模數(shù)齒輪，在加工中必須依靠磨齒來保證最終精度。

圖1 齒輪零件示意

該零件模數(shù)雖較大，但只有11個齒，屬于根切齒輪。零件的變位系數(shù)為0，沒有變位，這就意味著在零件的齒根轉(zhuǎn)接處會形成很大的轉(zhuǎn)接半徑R及內(nèi)凹，在成形磨齒加工中，齒根轉(zhuǎn)接處的散熱性較差，容易產(chǎn)生燒傷。另外，在磨齒過程中由于模數(shù)較大，因而砂輪與齒面的接觸面積也較大，散熱受阻，嚴(yán)重影響了齒輪加工精度。

零件材料為AHP10V粉末冶金高釩工具鋼，材料中碳化物多，在滲氮處理后，其硬度高達(dá)65～70HRC，材料耐磨性高，其多孔性及高硬度直接影響了磨齒精度。

3 磨齒時齒根轉(zhuǎn)接處燒傷分析

經(jīng)多次實際加工發(fā)現(xiàn)，此種大模數(shù)少齒數(shù)粉末冶金齒輪磨齒時，燒傷大多發(fā)生在齒根轉(zhuǎn)接處，分析其原因，主要有以下幾個方面。

1）粉末冶金材料本身具有難磨削性，滲氮處理后，其硬度高達(dá)65～70HRC，高硬度使得材料磨削困難。

2）由于模數(shù)大、齒數(shù)少以及沒有變位，因而齒輪本身就會有嚴(yán)重的根切，在齒根轉(zhuǎn)接處會產(chǎn)生內(nèi)凹，這樣一來，磨齒時就會在轉(zhuǎn)接處積累大量的磨削熱，導(dǎo)致散熱性不好。

3）由于在轉(zhuǎn)接處切削液很難進入磨削區(qū)域，所以齒根轉(zhuǎn)接處冷卻不充分。

4）零件經(jīng)過滲氮處理后，齒根轉(zhuǎn)接處容易應(yīng)力集中，導(dǎo)致此類齒輪在磨齒時，齒根轉(zhuǎn)接處燒傷以致產(chǎn)生燒傷裂紋。

4 線切割對齒根轉(zhuǎn)接處進行預(yù)處理

針對齒根處燒傷的原因，在加工時可以采用割齒的方法對齒根轉(zhuǎn)接處（見圖2）進行預(yù)先處理，提前去除加工余量，避免磨齒時此處燒傷。根據(jù)齒輪的嚙合原理，在不影響齒輪副正常嚙合的情況下，對齒根轉(zhuǎn)接處進行預(yù)處理，由齒輪參數(shù)可以計算出轉(zhuǎn)接處位于基圓以下，按共軛齒輪嚙合時的工作圓計算出工作圓半徑為

圖2 齒根轉(zhuǎn)接處示意

式中，m是模數(shù)；z是齒數(shù)；δ是相嚙合齒輪頂圓上的壓力角（°）。

經(jīng)計算得出齒輪工作圓尺寸，如圖3所示。

圖3 齒輪工作圓尺寸

根據(jù)計算結(jié)果，可在齒輪工作圓φ56.7mm以下到齒根圓φ52.6mm部分進行0.15mm的過切偏移。這是因為該部分沒有漸開線，不參與零件的嚙合，對齒輪副的嚙合不會產(chǎn)生影響。齒根轉(zhuǎn)接處偏移量如圖4所示。進行線切割割齒時，在此處的偏置容易實現(xiàn)。當(dāng)最后進行磨齒加工時，所加工部分僅僅是齒輪的漸開線工作齒廓，不對齒根轉(zhuǎn)接處進行磨削加工，既保證了齒輪的加工精度，又避免了局部燒傷。

圖4 齒根轉(zhuǎn)接處偏移量

5 磨齒砂輪的選擇

對于大模數(shù)齒輪，由于磨齒砂輪和齒面在磨削時接觸面較大，而粉末冶金材料在滲氮后組織會發(fā)生顯著變化，材料本身的多孔性會導(dǎo)致砂輪表面出現(xiàn)微觀疲勞，所以當(dāng)砂輪從孔到固體顆粒往復(fù)移動時，磨料持續(xù)受到?jīng)_擊，持續(xù)的小沖擊導(dǎo)致砂粒脫落；多孔性還會降低零件的導(dǎo)熱性，最后導(dǎo)致砂輪切削刃微崩，砂輪不鋒利，磨削過程中尺寸不穩(wěn)定，致使零件發(fā)生燒傷現(xiàn)象。材料的高硬度成了制約磨削精度的主要因素，在砂輪的選擇上應(yīng)考慮特殊磨料及粒度、材料硬度以及砂輪氣孔的變化。

滲氮處理后的粉末冶金材料磨削時容易黏附，堵塞砂輪，造成磨削過熱，表面完整性降低。要選擇黏附性小、磨損小以及不易堵塞的砂輪。因為成形磨齒機不同于展成磨齒機，其進給垂直于加工工件，即徑向進給，成形砂輪的形狀等于最終齒形，所以成形磨齒機砂輪的形狀比較復(fù)雜，切削量在各點不盡相同，它需要更好的保形性能，因而所選砂輪應(yīng)具有較高的硬度，加之磨削容易燒傷，故砂輪需有氣孔。

綜上分析，經(jīng)加工試驗，得出粉末冶金磨齒砂輪的選擇建議如下。

1）砂輪磨料選擇特殊陶瓷剛玉5SG磨料。

2）由于表面粗糙度值Ra=0.4μm，所以砂輪粒度通常以100#為宜。

3）陶瓷結(jié)合劑熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性好，防水、耐熱、耐腐蝕、磨損小且可長時間保持磨削性能，具有多孔性、不易堵塞以及生產(chǎn)率高的優(yōu)點，因此粉末冶金齒輪磨削首選陶瓷結(jié)合劑砂輪。

4）在保證齒面表面粗糙度的前提下，盡可能選擇較軟的砂輪。但是由于磨削原理不同，成形磨齒機的砂輪硬度要稍高于展成磨齒機的砂輪硬度，因此砂輪硬度為G較好。

5）選用的砂輪型號為5SG100-G15VS3P，規(guī)格為300mm×20mm×50.8mm（外徑×厚度×孔徑）。

6 磨齒加工參數(shù)的調(diào)整

成形磨齒機為雙面磨削，即砂輪對一個齒槽的左右齒面同時進行切削，沖程進給緩慢，不利于散熱和切削液的進入，因此成形磨齒機對齒面容易造成表層回火及二次淬火燒傷。磨削過程一般分為粗磨、半精磨和精磨三個階段。粗磨過程進給速度為3000mm/min，進給量為0.02～0.03mm/r；半精磨過程進給速度為2000mm/min，進給量為0.01～0.015mm/r；精磨過程進給速度為1000mm/min，進給量為0.008mm/r。對加工后的齒輪進行檢測，得到齒形公差均值為0.0048mm，齒向公差均值為0.0053mm，公法線變動量為0.01mm，能夠滿足圖樣要求。因為零件齒數(shù)較少、模數(shù)較大，所以砂輪齒形修得較大，在磨削過程中砂輪的保持性較好。但是由于零件材料較硬，導(dǎo)致砂輪的鋒利性差，磨削時容易燒傷。經(jīng)試驗得出，在進行完一次磨削之后，需進行一次砂輪的修整，以保持砂輪的鋒利性，減少磨削燒傷。

7 結(jié)束語

針對大模數(shù)粉末冶金齒輪的磨齒工藝進行分析和研究，總結(jié)出合適的加工方案，磨齒前對齒根轉(zhuǎn)接處進行線切割偏置加工，磨齒時僅加工齒輪的漸開線工作齒廓，通過砂輪和磨削參數(shù)的調(diào)整，最終解決了該類齒輪的加工難題。

專家點評

本例中的粉末冶金齒輪屬于大模數(shù)少齒數(shù)根切齒輪，在齒根轉(zhuǎn)接處會形成很大的圓弧及內(nèi)凹，磨齒過程中砂輪接觸面積較大，散熱受阻，容易造成表面燒傷。作者通過工藝分析，采用線切割與磨齒相結(jié)合的加工方案，通過線切割齒形的局部偏置，過切齒根部位至設(shè)計要求，磨齒工序僅加工齒輪的漸開線工作齒廓，不再對齒根轉(zhuǎn)接處進行磨削，巧妙地解決了齒根部位的燒傷難題。這種避難就易、獨開蹊徑的加工方法很值得推廣學(xué)習(xí)。