起動齒輪及組合制造工藝研究

王熔 周輝 宋碧秋

摘要：起動齒輪為薄壁件，機加過程中變形大，而且表面淬火的變形更大，難以消除，通過近兩年年時間的加工和摸索，并積極協調設計圖紙的調整，能夠加工出滿足設計要求的零件，裝配試車也符合發動機的性能要求。

關鍵詞：起動齒輪;組合制造工藝研究

1 前言

起動齒輪為典型的薄壁盤形零件，需整體滲碳淬火，首批研制批共加工8件，熱處理后零件內孔變形大，內孔橢圓達1.6mm，端面不平度近3mm，無法進行校正，整批零件全部報廢。因此安排攻關項目，確定合理的工藝路線和加工方法，保證起動齒輪滿足交付要求。

2 零件特點及加工難點分析

2.1 零件結構特點：起動齒輪為典型的薄壁、環形零件。其外圓直徑? φ317.7（0，-0.3），內孔φ290 H7（+0.052，0），厚度11±0.1，端面對內孔基準φ290H7的垂直度要求為0.04，零件齒數為149齒，在分度圓上齒圈對內孔跳動0.15，且零件端面需開了149個35°和25°的齒輪嚙合引導槽。

2.2 零件材料及熱處理。零件材料為45A，齒部高頻淬火，齒表面硬度HRC≥50，心部硬度HB200-246。

2.3 加工難點分析

2.3.1起動齒輪為保證零件心部硬度及齒面硬度要求，需進行調質和高頻淬火。由于高頻淬火溫度900℃左右，若熱處理時零件受熱不均勻及零件加工熱應力釋放易造成零件變形、裂紋、齒形無法修復。

同時起動齒輪盤組合時起動齒輪與起動齒輪盤配合過盈量為0.6～0.43，因此必須進行加熱后進行組合。

根據零件材料線膨脹系數計算：按室溫25℃，加熱至200℃度零件內孔φ290的膨脹量為：12.32*290*（200-25）*10-6=0.625.因此若零件熱處理導致零件內孔φ290+0.052? 0變形、橢圓將導致零件無法組合。

通過以上分析不難看出合理安排熱處理工序、解決零件熱處理變形問題是此零件加工是否滿足設計要求的關鍵。

2.3.2 零件需加工齒數為149齒，在分度圓上弦齒厚僅3.29，而齒圈對內孔跳動0.15，且端面需開149個35°和25°的齒輪嚙合引導槽，為保證發動機工作時起動齒輪與對象件的正確嚙合，零件齒形面與引導槽應一次裝夾加工完成以保證其相互角向位置關系。因而零件齒形面與引導槽的加工難點在于精度要求高、加工齒數多、工序復雜。

2.3.3 設計要求零件組合定位端面對內孔基準φ290H7的垂直度要求為0.04由于零件基準φ290H7長度短僅11mm，而測量面直徑達φ371.7mm，存在較大測量誤差，垂直度0.04很難保證。

2.4 機械加工工藝路線簡介

毛坯—粗車外形面— 銑齒及齒面倒角——高頻淬火——車工（半精車內孔及端面）——磨工（精磨內孔及端面）——檢驗

3 加工難點及原因分析：

在零件的首批試制加工中主要存在以下幾個方面加工難點：

3.1 材料。首批零件加工時按原設計圖要求零件材料為20CrNiMo，設計要求整體滲碳淬火，滲層深度要求0.5-0.7，表面硬度HRA80±2、心部HRC≥30，在進行滲碳淬火后零件變形大，內孔橢圓達1.6mm，端面扭曲變形近3mm，整批零件全部報廢。造成該現象的原因是進行滲碳、淬火溫度高，滲碳溫度900℃、淬火溫度840℃，熱處理時零件受熱不均勻及零件加工熱應力釋放易造成零件變形、齒形無法修復。

3.2 零件齒部產生裂紋。在進行高頻淬火加工時零件齒根部存在沿周向的裂紋（見圖四）。高頻淬火零件冷卻方式采用水噴射冷卻法，由于零件齒形面存在銳邊、尖角易產生應力集中，零件加熱到900℃后急冷造成零件高頻淬火產生裂紋。

3.3 零件熱處理變形過大。在后續零件高頻淬火加工時加工有多件零件產生變形，內孔橢圓達0.8mm，端面扭曲變形近1mm。經分析、發現由于零件壁薄，夾具與零件接觸面大、零件裝夾支靠面環形接觸面長度為9mm左右、傳熱快且夾具跳動達2.5mm，加工過程中零件與感應墊圈接觸不不均勻、導致零件加熱不均勻產生變形。在進行零件外圓及端面加工時為保證零件齒圈及端面垂直度要求0.04，工序要求找正齒圈跳動不大于0.1，由于零件熱處理變形內孔橢圓達0.8mm，端面扭曲變形近1mm，難以找正齒圈保證要求。

3.4 零件齒部及倒角加工困難。零件需加工齒數為149齒，且端面需開149個35°和25°的齒輪嚙合引導槽，為保證發動機工作時起動齒輪與對象件的正確嚙合，零件齒形面與引導槽一次裝夾加工。加工方法如下：加工齒型面分兩次粗銑、一次精銑。倒角面分一次粗銑、一次精銑進行加工。加工齒型面分加工中發現由于零件加工齒數多，零件齒形面結構小，造成加工用刀具剛性差，刀具易磨損，加工效率低，每加工一件需30多個小時。

4 解決措施

根據以上加工難點，針對以上加工難點進行了如下改進：

4.1 改進材料及熱處理工藝

4.1.1經對比分析，改為45A中碳鋼且經表面局部淬火處理更為理想，齒部高頻淬火表面硬度HRC≥50，心部硬度HB200-246。

4.1.2零件加工過程中，零件旋轉時與感應墊圈的間隙可直接影響零件的受熱均勻性，明確零件加工前應找正夾具跳動不大于0.05mm.，控制感應墊圈與零件間隙在1-3mm且應均勻分布。

4.1.3 零件淬火產生裂紋，主要發生在淬火冷卻的后期，原加工采用水噴射冷卻，冷卻速度過快，由于齒部存在棱角、截面凹槽，在這些部位易產生應力集中而導致零件裂紋。為避免零件淬火產生裂紋，采用緩慢冷卻的淬火介質，避免了零件高頻淬火裂紋。

4.2 調整機械加工工藝路線

為減小變形，對零件加工路線進行了較大調整，在進行高頻淬火前保證零件符合設計圖尺寸及形位公差要求，高頻淬火造成的零件徑向變形依靠組合時的過盈量校正，滿足零件裝配、試車要求。

同時為了消除零件內應力造成的零件變形，在零件粗車后安排了一道穩定處理工序，以消除零件內應力。

改進后的工藝路線如下：

粗車型面—穩定處理—磨工端面—精車型面—銑齒及倒角—去毛刺—高頻淬火—鍍鉻—檢驗

4.3 完善工裝

對高頻淬火用夾具進行了改進，將夾具零件定位支靠面外徑尺寸φ309調整為φ300，零件與夾具支靠面有效寬度由原9mm減少至4mm，并將零件固定用壓板取消，使零件在無外力影響的自由狀態下進行加工，同時保證零件內圓與夾具配合間隙不大于0.1，且零件定位面相對夾具安裝定位基準跳動不大于0.05。通過改進使熱處理變形量控制在0.15mm 以內。

4.4 優化加工參數、提高工作效率

鑒于加工齒形面及倒角工作量大、尺寸精度要求高、加工效率低，對數控加工參數進行了優化，調整后工作效率得到提高，每加工一件零件僅需18小時，提高工作效率44%。

5 攻關效果

按改進后的工藝方法，起動齒輪及其組件起動齒輪盤組合加工質量、工作效率大幅度提高，零件成品合格率提高到90%以上。

（作者單位：中航動力株洲航空零部件制造有限公司）