分段成形磨削工藝在超大模數(shù)齒輪加工上的應(yīng)用

劉 成，楊 超，信 穩(wěn)

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039 2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，礦山設(shè)備朝著超大型化方向發(fā)展，為了滿(mǎn)足齒輪高承載能力的要求，齒輪亦需向超大模數(shù)、高齒面硬度、高精度方向發(fā)展[1]。

模數(shù) 50≤mn≤135 的齒輪稱(chēng)為超大模數(shù)齒輪。常規(guī)齒形加工時(shí)，其齒面硬度為 220～300 HB，齒輪加工精度為 9～10 級(jí)，齒面粗糙度不小于Ra6.3[1]。

1 常規(guī)齒形加工

通常模數(shù)mn＜50 的滲碳淬火齒輪齒形加工，常用數(shù)控成型磨齒機(jī)磨削加工，其齒形加工的工藝流程如下：

(1)鍛造 齒輪毛坯鍛造成形。

(2)粗車(chē) 齒坯粗加工，使其具有零件的外形。

(3)探傷 檢驗(yàn)及保證齒坯內(nèi)在質(zhì)量。

(4)正火 改善齒坯內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)為后續(xù)工序打基礎(chǔ)。

(5)半精車(chē) 找正齒頂圓及端面。

(6)齒形的預(yù)加工 模數(shù)mn≤36 時(shí)，選用磨前滾刀滾齒，如圖 1 所示；模數(shù)mn＞ 36 時(shí)，選用指形銑刀銑齒，如圖 2 所示。

(7)滲碳淬火 保證齒面的高硬度和滲碳層深度要求。

(8)噴丸處理 表面清理以及改善齒根部表面狀況。

圖1 滾刀銑齒示意Fig.1 Hobbing sketch

圖2 成型指形銑刀半精銑齒Fig.2 Semi-finishing tooth milling with shaped finger-type milling cutter

(9)精車(chē) 加工出齒頂圓和齒輪兩端面等基準(zhǔn)面。

(10)齒形滾切半精加工 修正滲碳淬火變形，同時(shí)切除部分加工余量，對(duì)于 36＜mn＜50 的齒輪不執(zhí)行此步驟，直接磨齒。

(11)磨齒 采用雙斜邊砂輪對(duì)齒形成型磨削精加工，雙面或單面成型磨削，如圖 3 所示。

(12)檢查 磁粉探傷和檢查輪齒精度。

2 超大模數(shù)齒輪加工

自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)用齒輪軸，其模數(shù)mn=62.667，齒面滲碳淬火，精度要求 5～6 級(jí)，及齒面粗糙度要求Ra0.4～0.8。該齒輪具有大模數(shù)、高精度、高硬度等特點(diǎn)，齒輪加工屬于極限加工，技術(shù)含量高，是平臺(tái)升降系統(tǒng)制造中的挑戰(zhàn)性難題[2]。為了解決該制造難題，筆者摒棄常規(guī)工藝流程，利用ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)單面分段成型磨削法進(jìn)行超大模數(shù)硬齒面加工，為該類(lèi)非常規(guī)齒形加工提供了新的解決方法。其齒形精加工，若采用鑄造-修磨、線(xiàn)切割/火焰切割-修磨、刨或插削-修磨、銑削-修磨等常規(guī)方法[3-4]，齒輪精度和齒面粗糙度均滿(mǎn)足不了圖紙要求；另外，采用 SH1200 梳齒機(jī)精梳齒形，精度能滿(mǎn)足要求，但由于齒面硬度高，齒面粗糙度達(dá)不到要求；由于齒輪齒槽深，齒槽寬，漸開(kāi)線(xiàn)展開(kāi)長(zhǎng)度超長(zhǎng)，受數(shù)控成型磨齒機(jī) ZP50 加工能力限制，也不能采用常規(guī)滲碳淬火齒輪齒形磨削精加工工藝。

圖3 成型磨齒示意Fig.3 Sketch of tooth profile grinding

常規(guī)磨齒選用雙斜邊砂輪一次磨削齒槽的雙齒面或單齒面[6]，超大模數(shù) (mn＝62.667)齒輪磨削受磨削機(jī)床能力的限制，一次磨削完不成齒槽的雙面磨削或單面磨削。為此，將齒輪的漸開(kāi)線(xiàn)齒面分N段編制程序，程序調(diào)試合格后與 ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)鏈接調(diào)試，合格后輸入圖紙參數(shù)先模擬加工，而后對(duì)超大模數(shù)滲碳淬火齒輪齒形單面分段磨削精加工，如圖 4 所示。即對(duì)齒的一側(cè)面齒形分N段成形磨削后，再對(duì)另一側(cè)齒面分N段成形磨削，每一側(cè)齒面磨削分粗磨、半精磨、精磨削，并達(dá)到圖紙要求的精度和齒面粗糙度，整個(gè)磨削過(guò)程由數(shù)控程序控制。另外，由于齒輪模數(shù)較大，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的成型磨削力較大，為增強(qiáng)磨削砂輪的剛性，磨削時(shí)不選用雙斜邊砂輪，而采用單斜邊砂輪實(shí)施磨削[6]。

模數(shù)mn＝62.667 硬齒面齒輪的熱加工工序與模數(shù)mn＜50 齒輪的工藝相同，區(qū)別在于齒形磨削前的加工及齒形磨削需要采用非常規(guī)手段，其齒形加工的工藝流程如下：

(1)鍛造 齒輪毛坯鍛造成形。

(2)粗車(chē) 齒坯粗加工，使其具有零件的外形。

(3)探傷 檢驗(yàn)及保證齒坯內(nèi)在質(zhì)量。

(4)正火 改善齒坯內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)為后續(xù)工序打基礎(chǔ)。

(5)半精車(chē) 找正齒頂圓及端面。

圖4 單斜邊砂輪單面分段磨削示意Fig.4 Sketch of sectional profile grinding with SBGW

(6)齒形的預(yù)加工 可采用 4 種加工方法：①選用相同超大模數(shù)的指形銑刀，在臥式或立式滾齒機(jī)單分度銑齒；② 在鏜銑床選用棒銑刀沿齒面階梯銑，而后選用數(shù)控鏜銑床程序插補(bǔ)銑；③在鏜銑床選用棒銑刀沿齒面階梯銑，而后選用數(shù)控加工中心銑齒；④ 梳齒機(jī)梳齒加工齒形。

(7)滲碳淬火 保證齒面的高硬度和滲碳層深度的要求。

(8)噴丸處理 表面清理以及改善齒根部表面狀況。

(9)精車(chē) 加工出齒頂圓和齒輪兩端面等基準(zhǔn)面。

(10)齒形滾切半精加工 可采用 3 種方法：①選用數(shù)控鏜銑床程序插補(bǔ)銑齒形；② 選用數(shù)控加工中心銑齒形；③梳齒機(jī)梳齒加工齒形。

(11)磨齒 選用高效精密數(shù)控成型磨齒機(jī)床，同時(shí)配備高精光整磨削砂輪分段成形磨削以完成齒形的磨削精加工，并達(dá)到圖紙要求的高精度和低粗糙度。具體實(shí)施：根據(jù)超大模數(shù)mn≥50 參數(shù)將漸開(kāi)線(xiàn)齒面分成N段 (N≥2)，編制并調(diào)試程序，調(diào)試合格后與數(shù)控成型磨齒機(jī)程序鏈接，實(shí)施模擬加工；磨削時(shí)，根據(jù)齒面漸開(kāi)線(xiàn)分段程序修正砂輪，使砂輪輪廓滿(mǎn)足磨削段的齒形輪廓，先磨削各齒槽同一側(cè)被磨削段齒廓，待第一段齒形磨削完成，重新根據(jù)下一段被磨齒形修正砂輪，磨削下一段齒形，直至一側(cè)齒形磨削完成；調(diào)裝砂輪同理磨削各齒槽另一側(cè)同位被磨削段齒廓，直至整個(gè)齒廓磨削完成；磨削順序從齒根部到齒頂部，先粗磨、再半精磨、精磨。每一磨削工步完成均要修正砂輪廓形。

(12)檢查 磁粉探傷和檢查輪齒精度。

3 齒輪加工

3.1 主要參數(shù)及要求

齒輪軸的輪齒為標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線(xiàn)直齒，其主要的幾何參數(shù)如表 1 所列；齒輪軸材料采用低碳合金滲碳鋼，其材料牌號(hào)、熱處理方式及其相關(guān)要求如表 2 所列；輪齒齒面公差及粗糙度要求如表 3 所列。

表1 齒輪主要幾何參數(shù)Tab.1 Main geometric parameters of gear

表2 齒輪材料及熱處理技術(shù)要求Tab.2 Material and heat treatment technical requirements of gear

表3 輪齒齒面公差及粗糙度要求Tab.3 Tolerance and roughness requirements of tooth surface

3.2 齒形加工

齒坯加工按常規(guī)加工技術(shù)執(zhí)行及熱處理按熱處理工藝執(zhí)行 (此處熱加工工序省略)。模數(shù)mn＝62.667 的滲碳淬火齒輪軸齒形加工具體步驟如下：

3.2.1 齒形預(yù)加工

由表 1 數(shù)據(jù)可計(jì)算出：全齒深為 150.401 mm，齒槽最大寬度為 200.650 mm。由于漸開(kāi)線(xiàn)展開(kāi)長(zhǎng)度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有滾齒機(jī)加工能力，因此需要采用非常規(guī)切齒工藝：

(1)選用模數(shù)mn＝50 的指形銑刀單分度粗開(kāi)齒槽。

(2)選用模數(shù)mn＝62.667 分段指形銑刀分 2 段預(yù)加工齒形，如圖 5 所示。分別采用指形銑刀加工出齒輪的上半部和下半部齒形，兩段加工之間需要重新調(diào)整機(jī)床，需要注意的是，齒輪下半部齒槽的深度和齒底部過(guò)渡圓弧按圖銑成，且所有齒面按工藝規(guī)范留量4 mm。

(3)將齒坯調(diào)裝于梳齒機(jī) (SH1200)上，如圖 6 所示。選用高速鋼材料梳齒刀對(duì)輪齒齒形展成加工，并修正齒形齒距，以消除 Y36125 臥式滾齒機(jī)單分度銑齒造成的齒形齒距誤差，按工藝規(guī)范齒單面留量 1 mm。

圖5 輪齒銑齒模型Fig.5 Tooth milling model

圖6 梳齒工序Fig.6 Tooth slotting process

3.2.2 齒形半精加工

齒輪滲碳淬火之后，齒輪軸重新調(diào)裝于梳齒機(jī)上，選用粉末冶金涂層梳齒刀展成梳齒半精加工，以修正滲碳淬火熱處理造成的輪齒變形，同時(shí)去除部分齒面余量，以提高磨齒效率。按工藝規(guī)范齒單面留磨削余量 0.4～0.5 mm。

3.2.3 齒形磨削精加工

ZP50 精密數(shù)控成型磨齒機(jī)如圖 7 所示。將齒輪軸調(diào)裝于 ZP50 上，根據(jù)齒輪軸參數(shù)，按單齒面分為2 段編程、調(diào)試及試運(yùn)行，待合格后實(shí)施分段模擬磨削精加工。加工工藝如下：

(1)工件找正、夾緊；

(2)選取單斜邊砂輪，并對(duì)砂輪平衡修正，修正后安裝于 ZP50 數(shù)控磨齒機(jī)上；

圖7 ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)Fig.7 ZP50 CNC profile grinding machine

(3)輸入圖紙參數(shù)；

(4)按程序根據(jù)齒根部漸開(kāi)線(xiàn)修整砂輪輪廓，成型磨削各單齒面的齒根部；

(5)按程序根據(jù)齒頂部漸開(kāi)線(xiàn)修整砂輪輪廓，成型磨削同齒面各齒頂部；

(6)重新調(diào)裝砂輪，重復(fù)步驟 4、5，成型磨削另一齒面；

(7)經(jīng)粗磨、半精磨、檢查合格后精磨成齒形。

3.3 精度檢測(cè)

對(duì)模數(shù)mn＝62.667 的滲碳淬火齒輪軸分別采用銑齒粗加工及梳齒加工半精加工，并在 ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)上采用單面分段成型磨削法進(jìn)行精加工，完成整個(gè)齒形加工，加工后輪齒精度檢測(cè)結(jié)果如表 4 所列。

表4 輪齒精度檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Inspection record of tooth precision

4 結(jié)語(yǔ)

筆者充分利用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)了超大模數(shù)硬齒面齒輪的高精度齒形加工。首先，在齒輪加工方面，利用Y36125普通臥式滾齒機(jī)、SH1200 梳齒機(jī)和 ZP50 數(shù)控磨齒機(jī)相結(jié)合，充分發(fā)揮機(jī)床的加工優(yōu)勢(shì)；其次，采用了分段指形銑刀分段粗銑齒和專(zhuān)用磨削砂輪分段精磨齒的新工藝，并采用數(shù)控模擬技術(shù)，既保證了超大模數(shù)硬齒面齒輪齒形加工精度，又提高了加工效率，也擴(kuò)展了現(xiàn)有機(jī)床的加工能力。通過(guò)實(shí)例加工論證，分段成形磨削工藝不僅適用于超大模數(shù)硬齒面齒輪的高精度齒形加工，同樣還適用于調(diào)質(zhì)或調(diào)質(zhì)+齒面淬火高精度超大模數(shù)齒輪齒形精加工，也可用于大模數(shù)齒輪超出現(xiàn)有數(shù)控成型磨齒機(jī)磨削深度限制的齒形精加工。