高硬度薄壁齒圈制造技術研究

劉珍妮 ，王會龍 ，李宏偉 ，劉心藜

1 引言

機電復合傳動系統具有無級傳動、無級轉向、大功率供電等特性，能夠滿足未來高機動武器平臺機動性、大功率用電等多種需求，同時具備靜音行駛、制動能量回收、發動機反拖起動等功能，有燃油經濟性高、傳遞可靠等優點，可大幅提高車輛的燃油經濟性和動力性能[1-3]。機電復合傳動系統的運用有助于特種車輛總體性能的提高，是下一代特種車輛傳動技術的發展方向。變速耦合機構是機電復合傳動系統的核心部件，由高精度的行星排和重載荷的離合器等組成，能直接影響機電復合傳動系統的重要性能；因其工作轉速高、承受載荷大、結構復雜、集成度高的特點，所以對其結構設計提出了更為苛刻的要求，并形成了較多大尺寸、高精度的關鍵核心零部件。

齒圈是行星排中徑向尺寸最大的元件，還經常作為換擋制動器的內轂使用，為了保證齒輪強度以及換擋元件轉矩容量，齒圈的內外徑尺寸多受限制，導致齒圈輪緣較薄，如圖3所示齒圈直徑與輪緣厚度的比值高達37.2，如圖1所示。使得齒圈剛度較差，加工極易變形，影響齒輪傳遞精度以及操縱件摩擦片齒部載荷分布；為了保證齒輪強度以及換擋元件轉矩容量，在滿足結構件剛強度的情況下，減小齒圈壁厚是整體結構設計的重要手段。大型薄壁齒圈磨削加工、插齒加工和裝夾過程中易產生變形，導致尺寸超差，甚至報廢；齒圈滲碳淬火處理易產生橢圓、翹曲、漲大等變形，增加后序加工的難度。因此提升薄壁齒圈加工工藝與技術水平，不但能提高產品性能，還能提升經濟效益。

以薄壁齒圈為例，重點討論薄壁齒圈加工技術。本齒圈材料為20Cr2Ni4A，最大直徑為308mm，模數為4，熱處理為滲碳淬火，大端齒面硬度大于等于59HRC，小端為芯部硬度HRC35-49，精度等級為7級。

2 工藝方案設計

此類薄壁齒圈內側有深槽，外廓有臺階，結構特殊，熱處理時變形大，難以控制。其結構，如圖1所示。

2.1 零件特點及加工難點分析

分析圖1結構及參數，齒圈上側內齒部節圓跳動0.03mm，精度要求高，齒圈的主要特點是壁厚與徑向尺寸相差懸殊，剛性差，硬度高（≥HRC59），在車削、磨削階段必須保證兩側圓軸線的同軸度、端面與內孔軸線的垂直度以及兩平面的平行度，滿足插齒定位要求，插齒夾具設計也至關重要，保證夾緊力均勻分布，減小裝夾引起的變形；選擇合適的切削條件，優化工藝流程及工藝參數，合理安排加工工序，加工路徑，減小變形及精插齒余量，從而保證薄壁齒圈精度等級，提高加工效率[4-6]；高精度通齒齒圈加工多采用精密磨齒技術，本齒圈受設計結構限制，熱處理后無法磨齒加工，必須采用硬插齒技術。該技術受機床、刀具、零件材料、加工工藝、成本等綜合因素影響，目前在國內應用尚不成熟，一直是行業領域內的關鍵技術難題。加工過程中主要存在以下難點：（1）典型薄壁結構件加工過程中變形控制難；（2）齒形精度不易控制，傳統加工方法加工出的齒圈精度低于10級標準要求；機電復合傳動齒圈的轉速在3000r/min以上，傳動精度要求達到7級，為滿足使用性能要求，突破硬齒面插齒技術成為當前唯一的技術解決途徑。

圖1 齒圈Fig.1 Ring Gear

2.2 加工工藝優化

以圖2為例進行說明，最小壁厚（內齒大徑至零件外圓）為7.5 mm，加工時極易發生變形、熱變形以及材料加工應力釋放產生的多種變形，導致整個零件加工難度較大。

加工試驗過程中，調質處理后，先精車出外廓臺階，粗插齒后熱處理滲碳淬火，取幾點測量齒部M值，發現齒部變形大且內孔圓度超出0.5mm，后續加工需要較大內孔磨量及硬插齒余量，影響零件性能及質量，且精插齒后局部仍有黑皮，加工完成后，計量檢測結果，未達到精度要求，如表1所示。

表1 齒圈硬齒面實測數據（單位：μm）Tab.1 Measured Data of Hard Tooth Surface

分析原因，由于內側插齒空刀槽及外側臺階面對熱處理影響較大，不利熱后硬插齒，因此熱處理淬火前不再加工外廓臺階，淬火前齒圈外廓保持圓柱面，淬火后加工外廓臺階，采用小切削量去除方式加工，最后去應力，達到減小變形量，減小高硬度插削余量的目的。經過幾種加工試驗對比，最終工藝方案確定，如圖2所示。

圖2 薄壁齒圈典型制造工藝Fig.2 Typical Manufacturing Process of Thin Walled Ring Gear

3 薄壁齒圈的硬齒面加工技術

本薄壁齒圈使用利勃海爾LFS382硬齒面插齒機加工，允許的插齒沖程次數最大可達1500st/min，圓周最大進給量9425mm/min，徑向最大切入量3750mm/min，但是在實際使用過程中，由于各種技術條件的制約，插齒的沖程次數最大僅用到120st/min，圓周進給量95mm/min，徑向切入量25mm/min，因此使用先進的刀具，最大幅度地提高機床的單位時間產出，盡可能地降低生產成本尤為重要；同時，該機床可以加工熱處理后的硬度為HRC45～64的硬齒面齒輪。

硬齒面插齒工藝是高硬度精密齒輪的主要加工工藝，是一種高硬度、高速度、斷續切削的狀態，因此對刀具性能要求非常高。齒圈表面硬度高，齒根不允許磨削，精插時只插齒面，滿足了齒圈強度要求。在加工過程中挖根時容易出現齒形不合格，齒面質量不穩定等問題，主要表現在粗插齒工序中，挖根對稱度不好；插齒刀漸開線起始圓不合格；精插齒余量較大以及均勻性較差，采用高精度插齒機才能滿足挖根齒輪的要求，針對精插齒余量不均勻問題，從齒圈的粗插齒精度、滲碳淬火變形、熱后修正保證加工基準、優化并確定合理的硬齒面插削參數等四方面嚴格控制上述原因造成的誤差，獲得較小且均勻的精插齒余量；優化插齒刀刀具齒形等幾何參數，改進插齒刀參數，避免出現過渡曲線干涉現象，避免了與配對齒輪嚙合產生干涉。

3.1 精插齒夾具

齒圈類等薄壁結構件幾何形狀比較復雜，加工變形難以控制，工藝難度很大。裝夾不當不僅會引起加工過程中工件的彈性變形，并影響工件的定位精度而使加工精度降低。不同的裝夾位置還影響工件內殘余應力、應變的分布并因此導致工件的變形[7-8]。

本齒圈硬插齒夾具由底座、定位、壓緊三個典型的結構形式組成；其中1為壓緊裝置，2為定位座，3為定位盤，4為螺釘，5為底座。（1）底座與設備連接；（2）定位裝置應與軸孔的定位基準一致，保證無間隙配合，采用彈簧漲套配合定位。漲套的內徑是一個關鍵尺寸，漲套內徑過大，零件產生易變形、劃傷，甚至卡死無法拆裝；漲套內徑過小，則達不到控制定位精度的目的。（3）壓緊采用對稱設計的布局，可以最大限度抵消彎矩，夾緊力的大小受零件結構、夾具結構、切削力等因素綜合影響[9]。

在精加工薄壁齒圈的內齒時，如圖3所示。齒部壁厚僅有7.5mm，采用漲緊裝置，在減小夾緊力的狀況下，使得漲緊后內孔變形量為0.03mm，以滿足定位精度要求；零件的硬度≥HRC59，硬插齒切削力大，零件加工時夾緊力不夠導致切削振動；施加頂端壓緊力后，經過多次反復試裝，調整夾持力，插削時控制進給量，完成硬插齒工序。

圖3 齒圈精插齒夾具Fig.3 Ring Gear Slotting Clamp

3.2 精插齒刀具

為提高硬齒面精插齒齒形精度，在粗插齒階段留有一定沉割量來避免精插齒刀具齒頂與齒根干涉，刀尖上設計凸起，避免刀具齒頂過尖，提高刀具使用壽命；給精插齒刀具預留讓位槽，避免刀具損傷；齒根的過渡圓弧，有利于減少應力集中，提高彎曲應力。非漸開線的刀具凸起對齒輪挖根較大，漸開線起始點變大，精加工無法滿足設計齒形需要，所以依據加工余量計算出粗插齒的最小起始圓，設計插齒刀刀尖齒形，保證后續硬齒面插齒漸開線有效長度。

現有的硬質合金插齒刀采用的是整體結構，其成本比較高。綜合考慮刀具成本與性價比，與漢江工具廠協作研制，同時完成以下幾方面的研究：（1）刀具基質材料的研究；（2）刀具幾何形狀的研究[10]。創造性的提出組合結構，即刀體和刀片分開的分體結構，最后刀體和刀片通過銷釘連接、真空釬焊焊接在一起，在可降低刀具的成本，又能滿足實際生產的需要。刀具如圖4所示。

對新構形插齒刀的前角、后角及刃傾角進行分析，建立切削刃幾何角度的數學模型，并不斷改變刀具的幾何角度，反復試驗，確定比較理想的幾何形狀，插齒刀前角由正值調整成負值，并使用此新型硬齒面插齒刀的加工薄壁齒圈，取得突破性進展。

圖4 新型插齒刀Fig.4 A New Type of Slotting Cutter

通過上述研究，提高齒圈同軸度、減少硬插齒余量，采用高精度插齒定位裝置，提高裝夾精度，零件加工完畢后，使用P65齒輪測量儀檢測齒形誤差Fα、齒向誤差Fβ、齒距累積誤差Fp、徑跳公差Fr等參數均達到GB/T10095-2001七級精度要求，如表2所示。

表2 齒圈硬齒面實測數據（單位：μm）Tab.2 Measured Data of Hard Tooth Surface

4 結語

（1）通過高硬度大尺寸薄壁齒圈的加工試驗研究，優化了加工方法，得到合理可行的加工工藝；

（2）突破了薄壁齒圈硬齒面插齒技術瓶頸；且設計了新型精插齒夾具，采用精密漲套結構，實現無間隙配合，提高定位精度及齒圈加工質量；

（3）協同漢江工具廠，設計新型刀具，改進插齒刀齒形幾何參數，提高齒形精度；

（4）為高硬度薄壁齒圈加工積累了大量經驗數據。