薄壁齒圈加工制造的關鍵工藝探討

周運岐，李嬌

(韶能集團韶關宏大齒輪有限公司，廣東韶關 512029)

薄壁齒圈加工制造的關鍵工藝探討

周運岐，李嬌

(韶能集團韶關宏大齒輪有限公司，廣東韶關 512029)

以某典型薄壁齒圈為例，探討其鍛件加工工藝、車削加工和插齒加工工藝及熱處理工藝，以確保薄壁齒圈的加工精度。

薄壁齒圈;加工;精度

薄壁齒圈廣泛應用于行星齒輪減速器，是一種動力傳動機構，特別是在工程機械領域的推土機、裝載機、挖掘機等工程機械減速器行星機構中應用較廣。薄壁齒圈的主要特征是壁厚與它的徑向、軸向尺寸相比較，相差懸殊，因薄壁剛性差，在工裝夾持力和刀具切削力的作用下，容易變形并產生振動，影響零件的最終加工尺寸精度、齒形精度和表面粗糙度。

齒圈的精度直接影響它的傳動質量，以材料為42CrMo、零件外徑280 mm、齒輪寬度36 mm、壁厚僅7 mm且內圈、外圈均有齒的典型薄壁齒圈為例(見圖1)，探討其鍛件加工工藝、車削加工和插齒加工工藝及熱處理工藝的應用，對確保薄壁齒圈加工質量的工藝進行研究，結合生產實踐提出解決問題的工藝措施。

圖1 薄壁齒圈零件圖

1 薄壁齒圈零件加工工藝過程

鍛造毛坯→車削加工→調質→車削加工→插齒加工→滲氮熱處理。

1.1 薄壁齒圈毛坯的鍛造加工工藝

傳統的模鍛工藝，因需要在毛坯表面形成一定的拔模錐度，滿足脫模工藝要求，無法鍛造出臺階，要消耗較多的鋼材，還要增加后續車削的工作量。

采用碾環機軋制工藝制坯技術，它通過使環件毛坯產生連續局部塑性變形積累，而使其壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形，以獲得規定形狀尺寸的環件鍛件。經過軋制工藝加工的毛坯，徑向尺寸公差可以控制在0.2～0.5 mm之間，長度尺寸公差可以控制在0.5～1 mm之間，并解決了兩邊余量不均勻的技術難題。

圖2 碾環機軋制工藝

使用軋制工藝加工，毛坯外圈、內圈上的臺階可一次軋制成形且無飛邊，因此，材料的利用率較傳統的普通模鍛提高10%～20%。軋制鍛件成形幾何精度高、內部組織致密，金屬流線分布完整，晶粒細化，產品的晶相組織好，綜合機械性能可以提高20%左右，具有節能、節材、優質、高效等優點。

1.2 機加工工藝的研究

在車削加工工藝研發過程中，設計合理的車削漲心工裝夾具、插齒漲心工裝夾具，確定最優工藝參數，有效解決薄壁件因易產生橢圓而影響零件的最終齒形精度問題。

(1)車削加工

對薄壁齒圈車削加工來說，剛性差，在夾持力、切削力作用下很容易產生變形，容易導致吃刀不均和讓刀等現象。另外，薄壁齒圈容易因溫度升高而變形，使加工后的孔出現形狀和尺寸誤差。為了防止薄壁齒圈因夾緊和車削變形，一般的裝夾及加工必須在保證內外原軸線的同軸度、端面與內孔軸線的垂直度以及兩平面的平行度前提下完成。車削加工分車削一和車削二兩工步完成，車削一是定端面夾外圓，因車削一的基準比較粗，不能采用漲芯筒形夾具的面接觸，而是采用漲芯筒形夾具的點 (六點)接觸，車削一夾具見圖3;車削二是用車削一完成的內孔和端面定位，采用漲芯筒形夾具撐內孔定端面，增大接觸面積，使夾緊力均勻分布，減少變形，車削二夾具見圖4。

圖3 車削一夾具

圖4 車削二夾具

設計科學合理的夾具并選用合適的刀具和機床切削參數，可以有效防止薄壁零件的變形，滿足內、外徑同軸度的精度要求，同時還可以解決內孔卡環槽公差要求高、易產生振紋的問題。

(2)插齒加工

內外齒要求:內跨棒距232.45～232.55 mm，齒形0.015 mm，齒向0.02 mm，齒圈跳動0.08 mm;外齒跨棒距287.10～287.18 mm，齒形0.015 mm，齒向0.02 mm，同軸度0.03 mm，內外齒表面粗糙度1.6 μm，齒輪的內外齒相當ISO1328標準的6級精度。想要薄壁齒圈插齒的齒輪精度達到6級，必須從夾具的設計和刀具的選用著手，作者采用以下方法:

薄壁齒圈的插齒加工采用漲芯夾具 (見圖5)，增大定位的接觸面積，在插齒加工時使用合適的夾緊力，保證夾緊力均勻分布，避免薄壁齒圈在裝夾中受夾緊力引起的工件夾緊點局部剛性轉動，從而使工件相對于刀具的位置發生改變，因此通過優化夾具方案來減小裝夾引起的彈性變形是提高加工精度和生產效率的重要途徑。

圖5 插齒加工

薄壁齒圈經過調質后硬度達到HRC28～33，插齒刀選用G50的材質。

要滿足內、外齒同軸度要求，在加工過程使用漲芯夾具，選用國外知名品牌的帶刀庫、具有自動換刀功能的5軸數控插齒機，確保內外齒同軸度達到要求。

1.3 熱處理工藝

齒輪加工通常使用滲碳工藝，加熱至930℃，滲碳8 h左右后再用油淬，淬火過程溫度劇降，極易產生變形，影響齒形的精度。

對該薄壁齒圈，采用可控氣氛滲氮工藝進行齒圈熱處理，以減少熱處理變形。工藝要求:滲氮層深度大于0.2 mm，表面硬度大于等于85HR15N，白色層應完整無缺陷，無泡疤、裂紋或剝落區域，白層深度不大于0.020 mm，心部硬度HRC28～32.5(Brinell Hdns 3.5～3.7 mm)。

在滲氮之前要清除零件表面的雜質，如油、油脂、夾雜物、氧化物、氧化皮或鈍化膜，這些雜質都會抑制氮化處理，清潔后的零件干后應盡快進行氮化。

為防止變形，加熱速度不能太快，一般3.5 h加熱到360℃，保溫0.5 h后分別充入N2和NH3，之后加熱到515℃滲氮13 h，再用4 h左右的時間緩冷。

滲氮主氣源為氨氣，保護氣體為氮氣，氨氣氣化后需要通過干燥塔除去氨氣中的水份，氨氣通過裂解后通入爐內，這樣可以保證氨氣的良好分解率。為使氮化層更加均勻，工藝上要求控制好氨的分解率，在溫升達到515℃時，控制氨的分解率在30%，保持30 min，之后，調整到21.4%，再保持330 min。

圖6為熱處理工藝曲線圖。

圖6 熱處理工藝曲線圖

2 結論

通過工藝研究和實際加工應用表明，薄壁齒圈零件加工的關鍵工藝有3點:(1)應用鍛造輾環制坯工藝，提高鋼材利用率;(2)采用科學合理的防變形裝夾技術，減少或避免由于裝夾變形產生的尺寸精度誤差，同時選擇合理的切削參數，減少切削力對變形的影響;(3)采用滲氮工藝，也是減少薄壁齒圈熱處理變形的有效措施。

【1】浦林祥.金屬切削機床夾具設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1995.

【2】中國機械工程學會熱處理分會.熱處理手冊［M］.北京:機械工業出版社，2001.

Disscusion on the Critical Process in Thin-wall Ring Gear Manufacturing

ZHOU Yunqi，LI Jiao
(Shaoneng Group Shaoguan Honda Gear Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512029，China)

Taking a typical thin-wall ring gear as an example，the forging process，turning and gear shaping process and heat treatment process were discussed，to ensure thin-wall ring gear machining precision.

Thin-wall ring gear;Machining;Precision

TG61

B

1001－3881(2014)8－031－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.011

2013－11－07

周運岐 (1964—)，男，工學學士，工程師，負責公司的技術改造工作。E－mail:1779739879@qq.com。