航空齒輪類零件加工工藝研究

西安航空動力控制科技有限公司 （陜西 710077） 王 曦 趙興龍

航空工業(yè)是世界上對技術(shù)要求最苛刻的行業(yè)之一。航空發(fā)動機低成本的制造目標，對發(fā)動機研制成本高、周期長提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，而切削效率與切削刀具使用成本之間的矛盾，一直影響著航空發(fā)動機的研制成本和進度。航空發(fā)動機及關(guān)鍵零部件的制造精度直接影響其性能和運行安全性，而航空發(fā)動機及關(guān)鍵零部件材料、結(jié)構(gòu)和工藝的復(fù)雜性與其高精度制造之間是矛盾的統(tǒng)一體，制造精度不高，造成我國航空發(fā)動機及關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)過程中產(chǎn)品一致性差、合格率低等問題，已成為制約高性能航空發(fā)動機研制的一個瓶頸。

齒輪傳動是最常見的一種機械傳動，是多種機器動力和運動傳遞形式中的一種，在機械產(chǎn)品中屬于很關(guān)鍵的組成零部件，齒輪傳動具有緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸，很大范圍的運轉(zhuǎn)功率，很高的圓周線速度，精準的傳動比、較高的傳動效率，是機械傳動中不可缺少的組成部分，齒輪的設(shè)計思想與加工制造水平直接對機械產(chǎn)品性能和質(zhì)量產(chǎn)生影響。

1. 粉末冶金齒輪的齒坯加工

油泵齒輪是發(fā)動機重要的熱端部件之一，它的工作條件極為苛刻，為了保證航空發(fā)動機的可靠性和穩(wěn)定性，對于此部件的材料，歐美等發(fā)達國家多使用粉末高溫合金鋼，它組織均勻、晶粒細小、無明顯偏析，合金化程度高，抗疲勞性能好，是高推比發(fā)動機齒輪、渦輪盤等部件的首選材料。AHP10V是采用粉末冶金方法制得的一種高釩（V）含量的工具鋼，鋼中碳化物的分布及基體狀態(tài)直接決定了它的力學(xué)性能。它將高頻感應(yīng)爐熔煉出的鋼液，經(jīng)高壓氣體噴射使之霧化，經(jīng)過制粉、包套、熱等靜壓（HIP）制成致密的粉末冶金鋼坯，再經(jīng)鍛造、軋等熱變形制成φ20～φ150mm不等的工具鋼型材。粉末冶金工具鋼AHP10V組織均勻，碳化物晶粒細小，消除了熔鑄鋼難以避免的偏析，因而比相同成分的熔鑄鋼具有更高的韌性和耐磨性，同時還具有熱處理變形小等優(yōu)點。

采用粉末冶金的工藝制造零件產(chǎn)品是粉末冶金工業(yè)的初衷，它的目的是消除所有的機加工序，但是這個目標還沒有實現(xiàn)，受到粉末冶金零件成形工藝的制約，直接能夠成形的產(chǎn)品多為質(zhì)量約數(shù)10g的零件，大多數(shù)零件是接近最終形狀或直接使用棒料加工的。因而還需要切削加工以獲得要求的形狀及精度，但是由于粉末冶金材料的多孔性以及微觀組織中存在硬質(zhì)相，導(dǎo)致了在實際生產(chǎn)中存在刀具磨損失效嚴重、加工效率很低、刀尖鈍化嚴重及加工質(zhì)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象，嚴重制約了粉末冶金材料的應(yīng)用。

零件如附圖所示，材料為A H P—1 0 V，零件表面硬度≥65H R C，中心硬度30～45HRC，磨削加工完成后，保證所有外表面粗糙度值Ra=0.1μm，滿足圖示要求。

（1）齒坯的車削加工。在零件的加工中，工件的尺寸精度和表面粗糙度很大程度上取決于刀具的材料。多孔結(jié)構(gòu)是使粉末冶金零件具有廣泛用途的特性之一，但刀具的壽命也會遭到多孔結(jié)構(gòu)的損害。多孔結(jié)構(gòu)能儲油且能隔音，但也導(dǎo)致微觀上的斷續(xù)切削。當從孔到固體顆粒往復(fù)移動時，刀尖持續(xù)地受到?jīng)_擊，導(dǎo)致很小的疲勞破裂變形和沿切削刃的細小崩刃。

加工零件圖樣

鑒于粉末冶金零件的上述特性，加工用的刀具材料應(yīng)滿足以下要求：刀片加工穩(wěn)定性好，抗氧化、耐高溫，抗沖擊能力強；刀片硬度和耐磨性好；有足夠強的抗彎強度和抗沖擊韌性；刀片耐熱性好，在高溫下能保持一定的強度和韌性以及抗黏結(jié)、擴散的性能。

通過分析切削試驗結(jié)果，得到如下結(jié)論：①材質(zhì)IC5010的硬質(zhì)涂層刀片CNMG120408—GN適合AHP10V粉末冶金工具鋼的加工。②加工AHP10V粉末冶金工具鋼的刀片，主偏角選擇為40°～50°，副偏角選擇0.5°～3°，刃傾角選擇－10°～－20°，不容易出現(xiàn)積屑瘤，能保證零件表面質(zhì)量。③切削速度優(yōu)選80～120m/min，進給量優(yōu)選0.08～0.1mm/r，零件轉(zhuǎn)速應(yīng)在800～1 000r/min，保證表面粗糙度值Ra＞1.6μm。

（2）齒坯的磨削加工。AHP10V這種高釩粉末冶金合金鋼在磨削加工時，零件的表面粗糙度與磨削端面產(chǎn)生的裂紋一直是現(xiàn)場加工的難題之一。在零件的磨削時，使用常見的白剛玉砂輪、鉻剛玉砂輪、單晶剛玉砂輪及綠碳化硅砂輪，都無法解決零件兩齒端面的齒根部由于切削拉力的影響而產(chǎn)生的嚴重發(fā)散式磨削裂紋。

通過分析切削試驗結(jié)果，認為立方氮化硼砂輪，經(jīng)由樹脂結(jié)合劑凝結(jié)，濃度V240，當砂輪轉(zhuǎn)速為2 500r/min、切削進給0.02mm時，可滿足圖樣零件的加工要求。由樹脂結(jié)合劑將磨粒凝結(jié)，磨粒的保持力較低，因而磨粒的出刃效果十分突出，且不易引起磨粒的負荷，減小了產(chǎn)生在零件端面的切削拉應(yīng)力，避免了磨削裂紋的產(chǎn)生。

2. 高精度齒輪的加工

如附圖所示的帶軸齒輪，其最大的特點就是采用軸兩端的頂尖孔作為機械加工全過程的共同基準，以便達到圖樣要求的幾何公差和各項技術(shù)指標，所以這種高精度齒輪零件加工，除對加工設(shè)備的精度有較高要求外，零件上的中心孔本身也要有明確的幾何公差要求，須在高精度中心孔磨床上對中心孔進行修磨并研磨，保證中心孔的表面粗糙度和幾何精度符合要求，以確保滾齒工序和磨齒工序加工基準一致，不會出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象，保證齒輪氮化層質(zhì)量，并在零件粗加工后增加穩(wěn)定化去應(yīng)力工序，消除機械加工中產(chǎn)生的應(yīng)力。

通常軸齒輪的加工工藝路線如下：粗加工→去應(yīng)力→研磨中心孔→精加工制齒基準→制齒→中間檢驗→氮化→磁力探傷→修研中心孔→精加工磨齒基準→磨齒→檢查氮化深度→檢查硬度→磁力探傷→終檢。

常見的齒輪失效形式有齒根的彎曲疲勞、齒面的接觸疲勞等，而這些多源自齒形面或齒根的表面，因此齒輪表面的完整性也是齒輪制造的重要環(huán)節(jié)，它包括齒輪表面粗糙度、表面硬度及表面殘余應(yīng)力等。齒輪齒坯、制齒加工是形狀制造，是表面完整性的前一工序。為了提高齒輪加工的生產(chǎn)效率和確保齒輪的表面完整性，通常將齒輪的機械加工分為粗加工、半精加工和精加工。粗加工和半精加工時進給較大，主要完成成形前的大致輪廓，對表面完整性要求不高，主要控制在成形加工最終尺寸要求內(nèi)的表面層不引起組織缺陷和過大的殘余拉應(yīng)力，但在精加工時進給量和磨削速度都很小，要確保表層的殘余應(yīng)力處于很小數(shù)值的范圍內(nèi)或殘余壓應(yīng)力狀態(tài)。

常見的機械加工齒輪表面缺陷有因熱量過高導(dǎo)致的表面脫碳和氧化、表面燒傷或軟點、表面微觀裂紋等形式。表面脫碳或氧化、表面燒傷都可能導(dǎo)致齒面硬度降低或局部出現(xiàn)軟點，嚴重時出現(xiàn)斷齒或齒面掉塊等失效現(xiàn)象。當表面磨削加工工藝參數(shù)不當或冷卻潤滑不好時，齒面會出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象；當燒傷不嚴重時，零件表面可能出現(xiàn)較大的殘余拉應(yīng)力；當燒傷嚴重時，零件表面形成微觀裂紋。因此，在齒輪工藝的編排過程中，在半精加工和精加工之前要進行磁力探傷或熒光檢查、硬度測試和冶金分析等檢測。

齒輪的最終加工如光整加工、拋光等，都是為了保證零件表面質(zhì)量而進行的精細加工，對齒輪的表面完整性影響很大。我國的齒輪加工缺少表面完整性制造技術(shù)體系，很多表面改性技術(shù)在實際工程上也因存在問題較多而應(yīng)用效果不夠理想，但是在齒輪的表面完整性制造與抗疲勞制造中積累了大量的工藝參數(shù)，使齒輪零件具有壽命長、抗疲勞及可靠性高的特性。我國航空齒輪生產(chǎn)行業(yè)正在從中低端產(chǎn)品生產(chǎn)邁向高端產(chǎn)品制造。