高精密電鍍CBN珩磨輪的研制

仝曉楠，林育陽，周 興，王娟梅，王 興，高 源

(1.陜西省機械研究院，陜西 咸陽 712000； 2.陜西斯瑞新材料股份有限公司，陜西 西安 710077；3.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055)

0 引 言

20世紀90年代以來，國外很多大型汽車齒輪企業，將原有的滾、剃工藝和滾、磨工藝，逐步用滾、高效磨(蝸桿砂輪磨齒機)和滾、剃、珩(內齒圈砂輪珩齒機)工藝代替[1]。但是，加工各種零件相配的砂輪和砂輪修整器相當昂貴，并且只適用于大批量生產[2-3]。21世紀以來，部分大型公司采用國外的先進設備和工藝，提高變速器的質量。但問題是，大多數中小企業由于資金不足、設備差等現實問題，想提高產品質量，也無能為力。

筆者研制的變速器齒輪用CBN(立方氮化硼)電鍍珩磨輪主要應用在變速器齒輪加工行業，是對齒輪齒形的最終珩磨加工，該工藝簡潔實用，采用常規設備，其制造工藝是：將經過粗加工熱處理過的滾輪基體進行電鍍前齒形面精磨處理、采用特殊的電鍍工裝和嚴格的電鍍工藝，將CBN超硬材料電鍍在齒型工作表面上。解決了齒輪滾、剃工藝一直解決不了的難題：齒面熱處理變形問題，為國內中小企業降低生產成本，提高產品品質和生產效率提供了很好的工藝途徑。

1 高精密電鍍CBN珩磨輪工藝試驗及制造

1.1 珩磨輪基體選材和制造

根據CBN珩磨輪的技術要求和使用條件，采用抗拉強度大于480 MPa的20CrMnTi(低碳合金鋼)做為基體原材料，其淬透性較高，且經滲碳淬火后，表面呈現硬而耐磨的特性，心部又很堅韌，具有較高的低溫沖擊韌性和焊接性等，且可切削性相當好，被廣泛應用在汽車齒輪、齒圈、齒輪軸、蝸桿等工業產品中。此研究珩磨輪基體按照圖1尺寸粗加工、熱處理，基體硬度為HRC62-64，再對齒形面進行精磨處理。

圖1 珩磨輪基體

1.2 CBN原材料選擇

CBN是硬度僅次于金剛石的超硬材料，顯微硬度可達到HV72000-98000 MPa，被廣泛用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達到高精度的加工表面[4-7]。根據此研究的技術要求和該材料特性，選用高品位等級，粒徑尺寸在80～120目的CBN超硬材料。

1.3 電 鍍

文中研制變速器齒輪電鍍CBN珩磨輪是以20CrMnTi作為基體材料，對基材進行精密加工，形成一定的尺寸和幾何形狀。最后采用采用特殊的電鍍工裝，并結合嚴格的電鍍工藝，將高品質CBN材料固結在基體表面。其中CBN磨粒可多次重復電鍍。對基體材質選擇及電鍍層預留參數如表1所列，電鍍參數要求如表2所列。

表1 基體材質選擇及電鍍層預留參數

表2 電鍍參數要求

1.4 齒形面修形

一般情況下，使用標準漸開線電鍍CBN珩磨輪后，在齒輪節圓附近經常出現“中凹”誤差，然而，該誤差形成的因素很復雜，很難用解析法給出精確的解釋。因此，必須利用三維軟件對電鍍CBN珩磨齒接觸加工過程進行模擬分析，從而得到齒輪接觸面上的等效應力，找到其應力集中的部位，在加工過程中進行齒形面修形[8]。

1.5 珩磨齒輪

本研制嚴格按照工藝路線和技術指標，制作出變速器齒輪用CBN珩磨輪，產品如圖2所示。

圖2 CBN電鍍珩磨輪

CBN電鍍珩磨輪對待加工齒輪的珩磨加工，能夠解決齒輪熱處理變形問題，使齒輪質量提高1～2個精度等級，大大提高齒輪品質和生產效率，使變速器輸出功率增大、噪音降低，使用壽命延長，采用CBN電鍍珩磨輪珩磨工藝，珩齒費用每件只需2元，此珩磨輪用完后無需修磨就可以反復涂鍍CBN砂粒，即經濟又實用，具有很大的發展前景。

2 綜合性能檢測

此研究嚴格根據工藝路線，以20CrMnTi作為基體材料，選擇三種不同的齒部預留電鍍層參數和電鍍參數，三組實驗結果如表3所列。

表3 實驗性能檢測結果

綜合評價以上三組實驗結果，采用實驗3的電鍍層參數和電鍍參數制造的CBN電鍍珩磨輪性能較另外兩個實驗較優。珩磨齒輪精度8級，珩磨齒輪光潔度0.35 μm，珩磨齒輪數量1000件，齒形誤差±0.005 mm。結果表明方案3制備的變速器齒輪用CBN電鍍珩磨輪性能檢測參數完全滿足零件設計性能指標要求。

3 結 論

(1) 對變速器齒輪用CBN電鍍珩磨輪工藝路線進行了研究，采用特殊的電鍍工裝和嚴格的電鍍工藝，將高品質的CBN顆粒電鍍在20CrMnTi基體上，再經過齒面修型處理，制備出了合格的CBN電鍍珩磨輪。

(2) 采用實驗3制備的CBN電鍍珩磨輪，珩磨齒輪精度8級，珩磨齒輪數量1000件，齒輪光潔度為0.35μm，齒形誤差±0.005 mm，各項技術指標滿足產品設計技術要求。因此，實驗3工藝參數為CBN電鍍珩磨輪較優生產制備技術工藝參數。

(3) 變速器齒輪用CBN電鍍珩磨輪現已小批量生產并經用戶裝機實踐，產品性能完全滿足客戶使用。與砂輪比較，本研究采用超硬CBN材料，特殊的電鍍工裝和工藝，技術含量高，生產成本低，使用壽命長，市場應用前景廣闊。

(4) 從未來超硬材料市場對磨削工具產品的更高質量要求而言，高耐磨性、長壽命、更低成本磨削工具產品會有更大需求，建議今后還需在材料選擇及生產技術工藝上進行更深層次優化，應用于更廣闊領域，持續推動超硬材料磨削工具行業快速發展。