高精度硬齒面高速銑削加工技術(shù)

王作鵬 葉君

摘要：本文針對(duì)齒輪加工制造，應(yīng)用齒輪加工專用設(shè)備和工藝（滾齒、插齒、磨齒、珩齒）無法加工的問題，闡述了一種雙聯(lián)齒輪高精度高硬度齒面的精密銑削加工方法，從工藝、設(shè)備、刀具、建模、編程和操作等方面，說明該齒輪精密加工的整個(gè)加工過程和步驟，實(shí)現(xiàn)了高精度、高硬度齒輪的精密銑削加工。

關(guān)鍵詞：齒輪;高精度;高硬度;精密;銑削;

0 引言

隨著科技發(fā)展，齒輪的種類和制造工藝也越來越成熟。一般來說，齒輪按大類分為漸開線齒輪和非漸開線齒輪，漸開線齒輪包括直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、人字齒輪、螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪、圓弧端齒幾種。

齒輪的主要制造方法分為展成法和成型法兩種。齒輪的主流制造工藝包括滾齒、插齒、磨齒和剃齒這幾種方式。目前，絕大部分齒輪均可以通過該類方法完成，但尚有部分齒輪由于齒輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)限制，應(yīng)用齒加工專用設(shè)備和工具無法進(jìn)行加工。

針對(duì)上述齒輪加工問題，擬通過開展齒輪建模技術(shù)研究、齒輪數(shù)控銑削工藝裝備技術(shù)研究、齒輪數(shù)控銑削加工工藝技術(shù)研究、齒輪數(shù)控銑削仿真技術(shù)研究工作，解決上述齒輪加工工藝技術(shù)難題。

1.高精度硬齒面齒輪的加工

轉(zhuǎn)速表雙齒輪為雙聯(lián)盤齒輪結(jié)構(gòu)，該零件材料為合金鋼12CrNi3A，兩個(gè)相鄰齒輪之間的間隙僅為4mm，兩個(gè)齒輪的精度均為5級(jí)，并且齒面經(jīng)過滲碳淬火處理，要想保證齒面精度，必須在滲碳熱處理后重新對(duì)齒面進(jìn)行精加工。滲碳后齒面硬度為HRC≥60，大齒輪由于無干涉部位，齒部可以應(yīng)用磨齒機(jī)進(jìn)行精磨，但小齒輪由于空刀僅有4mm，即使應(yīng)用能夠應(yīng)用最小砂輪的磨齒機(jī)，仍會(huì)與大齒輪端面產(chǎn)生較大干涉，導(dǎo)致無法應(yīng)用磨削方式進(jìn)行精加工。

目前，小齒輪的加工采用珩齒的加工方式，在珩齒機(jī)上應(yīng)用珩磨輪進(jìn)行精加工，但由于珩磨齒面的工藝方法受珩磨輪精度、珩磨機(jī)精度、珩磨夾具精度等綜合影響，導(dǎo)致珩磨后小齒輪齒部各項(xiàng)精度指標(biāo)均無法達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求，僅能夠達(dá)到六級(jí)，并且齒面粗糙度也無法達(dá)到要求。珩齒時(shí)間也長(zhǎng)達(dá)12小時(shí)/件，加工效率較低。

1.1工藝選擇

使用成型磨進(jìn)行加工時(shí)不僅序號(hào)考慮砂輪直徑干涉問題，還需要考慮安裝砂輪的刀桿及磨頭端面與零件的空間關(guān)系，否則會(huì)出現(xiàn)磨頭與零件大齒輪干涉的情況。因此，需要保證刀桿的有充分的長(zhǎng)度。

由于砂輪受到零件結(jié)構(gòu)的限制，直徑要修整得較小，則在保證磨削時(shí)合適的線速度的前提下，砂輪的轉(zhuǎn)速必然要很高，但是，刀桿的長(zhǎng)度卻要相對(duì)較長(zhǎng)。在這兩個(gè)客觀因素的影響下，加工時(shí)，當(dāng)砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，必然會(huì)使刀桿發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致砂輪產(chǎn)生振動(dòng)。

加工中砂輪的振動(dòng)對(duì)齒面的加工狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生極其不利的影響，表面粗糙度會(huì)變差，容易導(dǎo)致齒形公差、齒向公差不合格，公法線的尺寸一致性差，齒面還可能產(chǎn)生 “啃刀”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致零件報(bào)廢。

該雙聯(lián)齒輪由于兩個(gè)相鄰齒空刀過小，無法實(shí)現(xiàn)磨削加工，珩磨方式無論是加工的精度還是效率，均無法滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)交付進(jìn)度，由于齒面滲碳后硬度達(dá) HRC≥60，插齒方式刀具無法加工該硬度齒部，采用上述方式均無法解決該零件小外齒的加工工藝難題。

由于之前開展過高精度硬齒面數(shù)控銑齒的工藝試驗(yàn)，通過對(duì)該小齒輪精度的綜合分析，決定采用高精度硬齒面數(shù)控銑齒的加工方式，通過應(yīng)用小齒輪精確建模技術(shù)、高精度硬齒面銑削數(shù)控編程技術(shù)、刀具選型技術(shù)、數(shù)控加工仿真技術(shù)、工藝過程控制技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，解決高精高硬小齒輪加工工藝難題。

1.2高精密硬齒面銑削加工設(shè)備

在加工該高精度硬齒面齒輪時(shí)，需要兼顧機(jī)床的通用性、加工成本、加工精度和加工效率幾個(gè)方面，主軸最高轉(zhuǎn)速必須達(dá)到10000r/min，滿足高效加工要求，機(jī)床的定位和重復(fù)定位精度必須控制在0.003之內(nèi)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)和預(yù)讀，加減速功能。

因此在選擇機(jī)床時(shí)，必須選擇滿足上述機(jī)床，才能夠滿足要求。通過對(duì)車間現(xiàn)有設(shè)備調(diào)查，選擇德馬吉公司DMU80P五軸加工中心進(jìn)行加工。

1.3高精度齒輪精確建模

高精度的齒輪模型是決定齒輪精度的先決條件。由于數(shù)控銑齒的加工精度受

零件材料、硬度、機(jī)床精度、編程精度、裝夾找正精度、基準(zhǔn)精度、刀具精度、刀具對(duì)刀精度、刀具磨損變化程度、機(jī)床運(yùn)行溫度變化精度、裝夾剛性和讓刀量、切削參數(shù)、測(cè)量誤差等諸多因素綜合影響，上述綜合誤差與齒部模型精度誤差之和不能大于設(shè)計(jì)精度，因此，必須在建模時(shí)，保證齒輪具有足夠高的精度（比設(shè)計(jì)要求的精度高2個(gè)等級(jí)以上），才能夠在加工后最終滿足設(shè)計(jì)圖紙的要求。

為了提高建模精度，必須首先提高模型的精度等級(jí)，我們從UG軟件的用戶默認(rèn)設(shè)置窗口→建模→常規(guī)→距離公差，將距離公差設(shè)置為0.0005，來提高齒部模型的加工精度。

應(yīng)用UG齒輪建模模塊，根據(jù)小齒輪各項(xiàng)參數(shù)，建立小齒的高精度模型。

1.4 ?數(shù)控加工工藝及刀路設(shè)計(jì)

由于在加工前，齒面已經(jīng)進(jìn)行粗插齒和滲碳熱處理，并且受熱處理變形和基

準(zhǔn)偏差的綜合影響，余量不均勻。余量不均勻會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)讓刀量產(chǎn)生差異，影響齒面加工精度。因此，在編制程序時(shí)，為了保證最終精加工時(shí)余量均勻，編程時(shí)將銑齒分為粗銑齒和精銑齒兩個(gè)階段，粗銑完成后，保證余量均勻，再進(jìn)行精銑齒，這樣不僅能夠保證精銑齒時(shí)余量和切削抗力均勻，而且經(jīng)過粗銑齒后，將齒面最難加工的表層去除，能夠有效減小精銑刀具的磨損程度，提高

精銑齒刀具壽命和加工精度。

同時(shí)，銑齒刀路采用固定輪廓銑中的曲面加工方式，刀路采用往復(fù)式加工方式，減少進(jìn)退刀次數(shù)，僅需一次進(jìn)、退刀就可完成一側(cè)齒面加工，不僅刀路簡(jiǎn)潔，而且能夠極大減小刀路長(zhǎng)度，提高加工效率。

2.加工仿真

在正式加工前，為了保證編制程序的正確性，避免加工時(shí)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤導(dǎo)致

撞刀、過切或欠切等問題導(dǎo)致零件超差報(bào)廢，應(yīng)用VERICUT仿真軟件對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

3.加工操作

3.1夾具拼裝

在五軸上數(shù)控銑齒時(shí)，需要將零件墊到足夠的高度，才能夠保證加工時(shí)不會(huì)與工作臺(tái)產(chǎn)生干涉。由于該工序無夾具，采用拼裝夾具的方式，將零件墊高。最初的拼裝夾具無定心的心軸，直接將零件壓在拼裝墊塊上，并且墊塊長(zhǎng)度較大，導(dǎo)致加工時(shí)需要頻繁敲擊零件，才能夠保證與C軸回轉(zhuǎn)中心重合，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且無心軸的裝夾方式也容易在加工過程中，零件產(chǎn)生輕微位移，影響零件加工精度和加工的安全穩(wěn)定性，裝夾剛性不足，為避免干涉刀具懸深達(dá)26mm，刀具裝夾剛性一般，導(dǎo)致加工時(shí)讓刀量較大，加工不穩(wěn)定。

為了解決首次拼裝夾具存在的上述問題，在拼裝夾具上增加了心軸，并且重新對(duì)墊塊進(jìn)行拼裝，減小墊塊長(zhǎng)度，這樣僅需一次找正心軸中心即可，極大縮短了找正時(shí)間，提高了找正效率。同時(shí)，減小墊塊長(zhǎng)度使得刀具的懸長(zhǎng)縮短，懸長(zhǎng)僅14mm，極大提高零件和刀具的裝夾剛性，提高加工過程的安全性和工藝過程的穩(wěn)定性，減小了讓刀量，從裝夾方式上保證了齒部的高效、高精度加工。

3.2夾具裝夾

夾具裝夾前，清潔夾具端面和心軸配合表面，將夾具定位端面找正至0.005之內(nèi)，然后將夾具心軸中心找正至與C軸回轉(zhuǎn)中心重合，千分表跳動(dòng)在0.005之內(nèi)。

3.3零點(diǎn)設(shè)置

在選取工件加工零點(diǎn)時(shí)，為了避免引入五軸3+2定軸加工方式的零點(diǎn)變換誤差，提高加工精度，在進(jìn)行零點(diǎn)設(shè)置時(shí)，將齒輪回轉(zhuǎn)中心軸線與五軸C軸回轉(zhuǎn)中心重合，在編程進(jìn)行分度加工各個(gè)齒時(shí)，直接采用轉(zhuǎn)動(dòng)C軸方式，而不是3+2指令格式，這樣影響齒部精度的因素就只有C軸回轉(zhuǎn)精度和三個(gè)線性軸的重復(fù)定位精度，解決了五軸3+2定軸分度加工方式引入變換公差的問題，提高了加工精度。

3.4角向找正

在加工前，必須將一個(gè)齒槽對(duì)準(zhǔn)Y軸方向，這樣就需要我們對(duì)小齒輪的角向進(jìn)行找正。找正方法為將兩個(gè)直徑為φ5的滾棒分貝固定在兩個(gè)齒槽內(nèi)，兩個(gè)滾棒之間間隔的齒槽數(shù)應(yīng)為奇數(shù)，然后在X軸方向拉直兩個(gè)滾棒，這樣就能夠保證齒的其中一個(gè)齒槽對(duì)準(zhǔn)Y軸方向;

最初找正時(shí)，我們采用黃油固定兩個(gè)滾棒，在固定的兩個(gè)齒槽內(nèi)存在大量黃油，非常難以清除。由于加工時(shí)采用干切削方式，加工時(shí)黃油粘附在刀具切削部位，切屑粘結(jié)在黃油上，切削時(shí)易導(dǎo)致切屑參與切削，劃傷已加工工件表面，并且粘結(jié)的切屑與刀具刃帶易產(chǎn)生擠壓，造成刀具損壞。

為了解決黃油固定滾棒找正的問題，我們采用皮筋固定的方式，將皮筋固定在齒輪外圓，利用皮筋的彈性，固定滾棒。該固定滾棒方式不僅靈活高效，固定滾棒穩(wěn)定性好，并且不會(huì)對(duì)齒部產(chǎn)生污染，巧妙的解決了黃油固定滾棒找正角向的諸多問題

3.5加工刀具及參數(shù)選擇

由于該齒輪材料為合金鋼12CrNi3A，并且齒面硬度達(dá)HRC≥60，必須選擇適合加工高硬度材料刀具，該刀具必須具有高耐磨性，優(yōu)良的高硬切削性能，高制造精度，才能夠滿足高精度硬齒面加工要求。

通過對(duì)國(guó)際各大知名刀具品牌的試用，最終德國(guó)SCHNELL納米涂層刀具遠(yuǎn)超其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，完全滿足高硬、高精度保持架窗口銑削加工要求，從而最終確立了該品牌刀具在高硬、高精材料加工的不可替代的地位。因此在加工該零件時(shí)，我們直接選擇該品牌刀具。該齒輪齒根圓弧為R1±0.2，結(jié)合車間現(xiàn)有刀具情況，選擇SCHNELL公司目前加工保持架的φ2球頭銑刀進(jìn)行加工。

加工高硬度的納米涂層刀具要求在加工時(shí)，采用高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給、小切深的加工方式，切削方式為干式切削，冷卻方式采用風(fēng)冷，才能夠最大的發(fā)揮該刀具的切削性能。

通過在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定如下切削參數(shù)：

主軸轉(zhuǎn)速：10000r/min

進(jìn)給速度：800mm/min（粗）;450mm/min（精）

切削深度：0.3最大（粗）;0.15最大（精）

加工余量：0.1mm（粗）;0.03mm（精）

冷卻方式：風(fēng)冷

3.6 加工結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)加工完成后，在齒輪測(cè)量機(jī)上對(duì)齒輪各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，無論是尺寸精度、形位精度還是粗糙度，都達(dá)到了設(shè)計(jì)圖紙要求，實(shí)現(xiàn)了高精度硬齒面的銑削加工。

4.結(jié)束語

通過開展上述技術(shù)研究工作，并通過實(shí)際加工驗(yàn)證，加工的齒輪精度完全滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，實(shí)現(xiàn)了高精度高硬度齒面的精密銑削加工，為齒輪加工提供了更為解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：王作鵬（1977.03-），男，漢族，黑龍江省哈爾濱市，大學(xué)本科學(xué)歷，職稱：高級(jí)工程師，中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，研究方向：機(jī)械加工

葉君（1988.05--），男，漢族，黑龍江省哈爾濱市，大學(xué)本科學(xué)歷，職稱：工程師，中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，研究方向：機(jī)械加工制造