刮削滾齒精加工工藝特性與試運用研究

成 鋼，舒 兵，劉子聰，袁劍平，野妙玲，田 凱，蔣琪琳

(江麓機電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100)

硬齒面齒輪主要應(yīng)用于車輛、船舶、工程機械、航空等領(lǐng)域的動力輸出變速裝置中。對于淬火后的硬齒面齒輪的精加工，一般都采用磨齒、珩齒和剃齒進(jìn)行修形工藝方法，以消除淬火(熱處理)造成的變形，這是高精度硬齒面齒輪制造必不可少的關(guān)鍵工序，這不僅能提升齒輪的綜合精度和嚙合狀態(tài)，還能提高齒輪的實際使用壽命，但是這種方法效率較低。

1 硬齒面齒輪精加工主要方法

現(xiàn)滲氮或滲碳淬火后的硬齒面齒輪一般工藝流程為：鍛造→正火→粗車→開齒→滲碳淬火→修磨基準(zhǔn)→磨齒和剃齒修形。這種方式效率較低，雖磨齒精度較高(可達(dá)到3級)，但設(shè)備的價格較高，一般企業(yè)很少使用。同時磨齒存在散熱較差的問題，易造成齒面局部“燒傷”而形成缺陷；而剃齒效率較低，提高切削速度雖會提升剃齒精度和加工效率，但刀具易磨損降低壽命(刀具制造成本較高)，甚至還會引起機床頂尖的燒損等。

滾齒加工是連續(xù)展成運動切削的制齒方法，所以其生產(chǎn)效率(是各種機械加工制齒效率最高和最廣的制齒設(shè)備)、漸開線齒形精度較高且穩(wěn)定。由于滾齒機床的設(shè)計剛度較高，一般用于去除齒形大余量加工(開齒)，未精加工減少加工余量，適合提高進(jìn)刀量達(dá)到提高效率的目的(鋼件粗滾2～3.5 mm/r、精滾0.8～1.2 mm/r)。一般滾齒機床的滾齒加工精度為標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10095.1—2008和GB/T 10095.2—2008的7～8級，高速鋼滾刀滾齒切削速度為100～200 m/min，被加工齒面硬度為300～400 HBW。隨著國內(nèi)精密、高精密滾齒機床的運用，高效率、高精度滾齒的運用工藝研究逐步替代部分磨齒和剃齒工序，如重慶機床廠的YMA3150、YMA3150、YGA31125等精密、高精密滾齒機床的推廣應(yīng)用。

2 刮削滾齒加工特性

刮削滾齒加工是一種針對小中模數(shù)的硬齒面精加工的滾切方法，其前角采用零度或較小的負(fù)前角，其切削原理是通過微量的擠壓切削對變形后的齒形進(jìn)行修整達(dá)到提高精度的目的，同時通過微量切削后的刀具刃部擠壓，可達(dá)到細(xì)化齒表面晶粒、提高齒面強度、使齒表產(chǎn)生壓應(yīng)力降低裂紋產(chǎn)生和提高齒面耐磨性等作用。其加工效率比錐面砂輪磨齒機高5～6倍，具備磨齒和剃齒不可替代的明顯優(yōu)勢。

刮削滾齒技術(shù)主要適用于半精加工或精加工的齒輪，其加工速度較低，被加工齒輪齒面的硬度可達(dá)45～64 HRC。而采用高速鋼滾齒，切削速度較低且特易磨損，磨損后換刀困難(重新對刀困難)，極易造成齒坯報廢，所以刮削滾齒的刀具高硬度、高耐磨性是重要特性指標(biāo)。

從設(shè)備而言，一般普通滾齒機床的加工精度為7～8級，而精密、高精密滾齒機床的滾齒精度可達(dá)5～6級，所以通過刮削滾齒所選設(shè)備一般為精密、高精密滾齒機床。對應(yīng)刮削滾刀的精度選取一般為A級、AA級和AAA級。A級為一般精加工(7級)或高精度齒輪的半精加工，AA級為高精度齒輪的精加工(5～6級)，齒面粗糙度為Ra(0.63～1.25)μm。刀具的精度越高產(chǎn)品齒形精度高，而設(shè)備精度高則產(chǎn)品的周節(jié)誤差、齒向誤差、基節(jié)偏差會很低。

3 刮削滾齒的工藝優(yōu)化研究

3.1 刮削滾齒的適用范圍和加工刀具的特性

齒輪材料分為滲氮齒輪合金鋼(如18CrNiWA)、滲碳齒輪合金鋼(如20Cr2Ni4)、常用調(diào)質(zhì)和淬火齒輪鋼(如40Cr)、鑄鐵等。由于鑄鐵和其他材料較難形成齒面硬化，一般只對前3種材質(zhì)齒輪淬硬后采用刮削滾齒。

刮削滾齒的刀具除了具備硬度和耐磨性要求較高外，刀齒形狀也有特殊要求。刮削滾齒的頂刃具有很大的負(fù)前角，對切削過程很不利，為防止頂刃產(chǎn)生顯著的磨損和刃崩而盡量取“小”[1]。

淬火后應(yīng)只刮削齒面有效段的漸開線而不加工齒根底[2]，所以對熱處理前的刮前滾齒，應(yīng)按不同齒輪參數(shù)設(shè)計帶預(yù)挖根的專用刮前滾刀。同時為減輕淬火后齒輪齒根應(yīng)力集中問題，刮前滾刀的齒頂可設(shè)計成圓頭形，使得切出的齒槽略深于齒輪標(biāo)準(zhǔn)齒高，且槽底兩側(cè)有適量的圓滑過渡的沉割。

刮前滾齒的留余量原則上應(yīng)根據(jù)齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、材料和熱處理變形的大小來確定，但不能一概而論，因為每個企業(yè)的設(shè)備能力、控制變形手段等不同，制定余量時應(yīng)以經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)余量作參考，經(jīng)過驗證后再確定固化工藝參數(shù)。

3.2 刮削滾齒加工刀具材料優(yōu)化

現(xiàn)刮削滾齒刀具一般采用整體高速鋼對其前角進(jìn)行修磨成零度或較小的負(fù)前角，但其材質(zhì)耐磨性較低，較難長時間使用，主要適用于調(diào)質(zhì)或較低硬度(32～40 HRC)齒輪的滾刮。通過對同一材質(zhì)相同齒面硬度(45 HRC)小批量的鋼件齒輪進(jìn)行試用，分別采用整體硬質(zhì)合金滾刀、整體硬質(zhì)合金涂層滾刀、鑲片齒輪滾刀、整體高速鋼滾刀等4種AA精度滾刀進(jìn)行刮削滾齒加工比較，其對比項和數(shù)據(jù)見表1。

表1 4種滾刀刮削滾齒加工對比表

通過對比，整體硬質(zhì)合金滾刀的性價比最高(齒面硬度為45～64 HRC)，使用硬質(zhì)合金半精滾或刮削精滾淬火后的硬齒面齒輪，可減少磨齒余量甚至部分代替磨齒，如大批量生產(chǎn)，采用整體硬質(zhì)合金滾刀的總費用遠(yuǎn)低于磨齒。如中批量或小批量生產(chǎn)，可采用鑲嵌式刮削滾刀更經(jīng)濟(jì)。

3.3 刮削滾齒加工刀具的結(jié)構(gòu)特點

刮削滾齒刀具與普通滾齒刀具的區(qū)別(見圖1)如下：普通滾齒刀具為正前角，而刮削滾齒刀具前角采用零度或較小的負(fù)前角，并有磨鈍“寬帶刃”Δ。經(jīng)過對比驗證，半精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.2～0.3 mm，精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.1～0.2 mm。硬質(zhì)合金滾刀一般采用刃磨機(鏟齒車床)使用金剛砂輪進(jìn)行刃磨[3]。

滾刀刃磨后，刮削滾刀的頂刃一般具有很大的負(fù)前角，切削過程非常不利，同時會產(chǎn)生振動。硬質(zhì)合金刮削滾刀會產(chǎn)生磨損和崩刃，應(yīng)對刃口進(jìn)行強化處理，常用的刃口強化方法有如下2種。

1)用細(xì)粒度碳化硅油石沿刀齒側(cè)刃輕微而均勻地研磨1～2次，即可形成0.01～0.03 mm的倒棱，研磨后刃口應(yīng)具有一定的鈍圓形狀。

2)用金剛石油石沿刀齒側(cè)刃研磨1～2次，可獲得比較平直的刃口。硬質(zhì)合金滾刀應(yīng)在高剛度的滾刀刃磨機床上利用金剛石砂輪進(jìn)行刃磨。

一般刮削滾刀的頂刃寬度取1.15 mm，以便使刮削滾刀只加工齒廓而加工不到齒頂位置，刮削前一般采用帶凸角的滾刀滾齒。

3.4 刮削滾齒加工的設(shè)備選取

刮削滾齒主要是針對硬齒面(45～64 HRC)的加工，滾刀刀齒所承受的沖擊力較大，易產(chǎn)生較大的振動而影響齒形精度和齒面粗糙度，同時刮削滾齒是齒輪精度最后成形的保障，機床的精度會影響齒輪的周節(jié)累積誤差、節(jié)圓跳動、公法線檢測變化量等參數(shù)。所以刮削滾齒的設(shè)備選取應(yīng)保證如下幾項基本要求。

1)機床整體剛度高。在刮削滾切中硬齒面齒輪時，滾刀刀齒所承受的沖擊力較大，要求機床具有足夠的抗振能力和吸振能力。

2)機床傳動鏈的間隙要小。傳動鏈的間隙過大就會造成各關(guān)聯(lián)運動誤差加大，影響齒輪精加工的精度等級，一般工作臺的分度蝸輪副間隙應(yīng)控制在0.015～0.025 mm。

3)機床采用滾珠絲杠。軸向進(jìn)給系統(tǒng)最好采用滾珠絲杠，其間隙應(yīng)調(diào)整到最小。

4)機床應(yīng)在恒溫間使用。刮削滾齒所使用設(shè)備為精密、高精密滾齒機，各傳動鏈間隙應(yīng)調(diào)整到最小，如果溫度過高或過低，金屬受熱脹冷縮的影響會造成精密、高精密設(shè)備的損害。同時，對高精度齒輪加工的尺寸控制有益。

3.5 刮削滾齒加工的切削液選取

滾齒時，為提高滾刀耐用度和冷卻效果，降低齒面的表面粗糙度，應(yīng)向切削區(qū)直接澆注切削液，其流量為8～10 L/min。而刮削滾齒的刀具進(jìn)行了前角的修鈍，其后刀面刃與產(chǎn)品接觸表面是擠壓作用，金屬間具有親合作用，易造成粘結(jié)拉傷齒面降低表面粗糙度。所以應(yīng)采用油脂切削液，切削過程中在刀具與產(chǎn)品表面形成油膜，隔離金屬間的直接接觸，避免造成粘結(jié)拉傷齒面降低表面粗糙度。實踐證明效果明顯。刮削滾齒切削液的選用見表2。

表2 刮削滾齒切削液選用表

4 結(jié)語

硬齒面刮削是使用硬質(zhì)合金滾刀來對硬齒面齒輪進(jìn)行精加工和齒輪磨前半精加工的工藝技術(shù)，齒面硬度為45～64 HRC，加工精度可達(dá)5～7級，齒輪表面粗糙度為Ra(0.63～1.25)μm，可部分替代磨齒和剃齒進(jìn)行修形，以消除淬火(熱處理)造成的變形。加工效率比錐面砂輪磨齒機高5～6倍，而其生產(chǎn)費用遠(yuǎn)低于磨齒，同時刀具擠壓可細(xì)化齒面晶粒和硬化表層。通過小批次試應(yīng)用，驗證其具備磨齒和剃齒不可替代的優(yōu)勢。研究與應(yīng)用該技術(shù)對企業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率有著積極的意義。