復合材料齒輪加工工藝

孫莉潔，楊引鋒，劉勇

中國航發西安動力控制科技有限公司 陜西西安 710077

1 序言

高強度耐磨聚醚醚酮復合材料S-0203是一種適用于水環境的耐磨材料，用于常溫、高溫蒸汽環境以及干摩擦條件，應用于航天電解循環泵的齒輪類零件，工作環境為水環境，采用復合材料/金屬的配副方式，有效解決了金屬/金屬配副方式的高摩擦、高磨損、卡滯和咬死等故障。該循環泵采用無側板補償的固定齒側間隙的齒輪泵形式，通過電動機帶動主、從動齒輪旋轉，將泵進口的介質增壓輸送到出口。加工時對齒輪的端面及齒面精度要求較高。針對電解循環泵復合材料齒輪加工過程中出現的端面掉塊、齒面劃道等問題，對復合材料齒輪的加工工藝進行研究。

2 問題描述

齒輪組件如圖1所示。在完成齒輪與齒輪軸壓套裝配后，箭頭所示端面出現掉塊缺陷，在體視顯微鏡（倍率為15×）下檢查，掉塊部位缺陷形貌如圖2所示。

圖1 齒輪組件

圖2 掉塊部位缺陷形貌

磨削齒面后，齒面沿齒向方向出現目視可見的明顯劃道，齒面劃道缺陷形貌如圖3所示。

圖3 齒面劃道缺陷形貌

3 原因分析

3.1 材料分析

該齒輪材料S-0203為高強度耐磨聚醚醚酮復合材料，以短切碳纖維增強改性的聚醚醚酮為原料壓制而成。聚醚醚酮為半結晶性芳香族線性熱塑性工程塑料，具有密度低（1.44g/cm3）、質量輕、化學穩定性好、耐高溫、耐酸堿、耐水解、耐磨及自潤滑等綜合性能，具有良好的沖擊韌性；硬度低（邵氏硬度86～88HD），屬于硬塑料，機械切削性能良好。在加工初期刀具、磨粒鋒利時，可以承受較大的進給量；當刀具不鋒利或砂輪氣孔堵塞時，切削性能變差，導致產生剝落、掉塊缺陷。

3.2 工藝分析

（1）掉塊缺陷原因分析 存在掉塊缺陷的端面涉及的加工工序有壓套和磨端面工序。齒輪與齒輪軸的配合緊度為0.03～0.05mm，壓套時采用圖4所示常溫壓套裝置，使用壓力機在常溫下壓套，在齒輪軸上端面施加一定的壓力，使齒輪軸壓入非金屬齒輪的內孔，目視齒輪軸與齒輪端面平齊。因齒輪的內孔與齒輪軸的外圓為緊配合，壓套過程中復合材料齒輪會因擠壓造成齒輪內孔和齒輪軸端面的相交處產生掉塊缺陷。若壓套后齒輪軸與齒輪端面不平齊，在磨端面過程中，不平齊部位無齒輪軸內部支撐，內孔彈性變形回縮，受砂輪磨削過程的剪切力，易產生剝落、掉塊缺陷。

圖4 常溫壓套裝置示意

（2）齒面劃道缺陷原因分析 齒面劃道缺陷涉及的工序為磨齒工序。使用數控成形磨齒機磨削齒面，工件的裝夾如圖5所示。工件總長43.5mm，兩端軸徑為φ4mm，長徑比接近11，剛性差。采用磨齒直接開齒的方法進行磨削，磨齒加工前后的工件如圖6所示，齒頂圓φ16.5mm，齒根圓φ9.5mm，磨齒余量3.5mm。采用5SG100-FG12VS3P剛玉砂輪磨削齒面，磨削過程中該材料易掉渣，若砂輪修整不及時，易被切屑堵塞。工件長徑比大，導致在加工過程中易彎曲變形，砂輪與齒面可能無法精確地貼合；同時砂輪偏軟，磨粒還在鋒利時就脫落，易在齒面形成劃道缺陷。

圖5 磨齒時工件的裝夾示意

圖6 磨齒加工前后的工件示意

4 對壓套工藝的改進

4.1 對壓套方法的改進

借鑒公司石墨襯套壓入鋁殼體內孔的熱脹冷縮工藝方法，即殼體升溫160～180℃，石墨液氮冷卻至沸騰進行壓套，滿足殼體與襯套的配合緊度要求。復合材料齒輪與齒輪軸的壓套，需將復合材料齒輪加熱，齒輪軸冷凍。在溫度參數方面無可供借鑒的數據，只能通過理論計算及試驗確定溫度參數。復合材料齒輪的熱膨脹系數為5×10－5/℃，當溫度升高至170～180℃時，理論計算內孔會脹大0.034～0.036mm；齒輪軸的熱膨脹系數為14×10－6/℃，當溫度降低至－50～－40℃時，理論計算齒輪軸外圓會縮小0.004～0.005mm。通過計算，熱脹后的齒輪內孔與冷縮后的齒輪軸可以達到間隙配合。實際試驗時，將齒輪放置在恒溫烘箱中，隨箱體溫度加熱至170～180℃，保持10min；將齒輪軸放置在低溫冷凍箱內，隨箱體冷卻至－50～－40℃，保持10min，無需外力作用即可輕松完成壓套，消除了復合材料齒輪與金屬齒輪軸之間的機械擠壓力。因齒輪軸與齒輪零件體積較小，自身保溫性較差，所以加熱、冷卻后應盡快完成壓套，避免室溫下零件溫度恢復，影響壓套質量。

4.2 對壓套工裝的改進

設計壓套工裝（見圖7），將齒輪軸安裝在壓套工裝內孔中，按圖8a所示方向壓入復合材料齒輪，壓至與壓套工裝端面貼合（見圖8b）。

圖7 壓套工裝

圖8 改進后壓套示意

以齒輪軸C外圓定位進行壓套，C外圓直徑復合材料齒輪配合的B外圓直徑B外圓端面倒角0.1mm×45°，即齒輪軸與壓套工裝配合面寬度僅0.220～0.235mm，壓套工裝的內孔與齒輪軸C外圓的間隙最小0.01mm，以確保齒輪軸裝入壓套工裝后垂直度、端面貼合度良好。在壓入復合材料齒輪時齒輪軸不能晃動，確保復合材料齒輪壓入齒輪軸后與壓套工裝端面貼合度良好。以壓套工裝的端面為輔助基準定位面，使齒輪軸、復合材料齒輪均與壓套工裝端面平齊，可保證齒輪軸與復合材料齒輪端面壓套后平齊，消除了復合材料齒輪在后續的磨削端面過程中，因凸出而受磨削剪切力，產生剝落、掉塊缺陷。

實踐證明，齒輪端面掉塊缺陷產生的原因有兩方面，一是壓套時的擠壓力造成掉塊，二是壓套后端面不平齊，在磨削過程中掉塊。對壓套工裝及方法改進后，消除了壓套時的內孔過盈擠壓力，保證壓套后齒輪端面平齊，采用體視顯微鏡（倍率為15×）進行檢查，未發現掉塊現象。

5 對磨齒工藝的改進

5.1 砂輪選型

因聚醚醚酮復合材料在我公司是首次加工，無相關的機械加工經驗，通過查閱機械加工手冊，同時結合聚醚醚酮材料特性，通過現場試驗來確定砂輪磨料、硬度、結合劑及粒度。

（1）砂輪磨料的選擇 主要取決于工件的材料。碳化硅磨料的砂輪適用于金屬或非金屬的外圓、內圓、平面和各種型面的磨削，可進行粗磨、半精磨、精磨及開槽等。由于聚醚醚酮復合材料為硬塑料，齒輪磨削為型面磨削，在磨齒時粗磨與精磨不更換砂輪，因此選擇碳化硅磨料的砂輪。

（2）砂輪硬度的選擇 硬度是指砂輪在外力作用下磨粒脫落的難易程度。硬度的選擇主要取決于被磨削工件的材料、磨削效率和加工表面質量。磨削軟材料時要選用較硬的砂輪；磨削硬材料時則要選擇軟砂輪；磨削軟而韌性大的材料時，應選軟一些的砂輪；端面磨削比圓周磨削使用的砂輪要軟一些。聚醚醚酮復合材料為硬塑料，相對于金屬材料，材料軟且韌性大，采用成形磨齒的方法，應選擇較軟的砂輪，在磨削過程中砂輪出現堵塞時，磨粒易脫落，可以始終保持磨粒鋒利。

（3）砂輪結合劑的選擇 常見的砂輪結合劑有陶瓷結合劑和樹脂結合劑。陶瓷結合劑具有氣孔率大、磨耗小的優點，但不能承受劇烈振動，一般在35m/s以下的工作速度使用；樹脂結合劑結合強度高，能在高速下進行工作，工作速度可高于50m/s，樹脂結合劑的砂輪一般比陶瓷結合劑的硬度高。在高倍光學顯微鏡下觀察聚醚醚酮復合材料的形貌，碳纖維填料直徑約7μm，長度約140μm。由于磨削過程中碳纖維脫落后易堵塞砂輪氣孔，導致砂輪的切削性能變差，所以應選擇氣孔率大的陶瓷結合劑。

（4）砂輪粒度的選擇 粒度是指磨料的顆粒尺寸。用粗粒度的砂輪磨削時，生產效率高，但加工的工件表面粗糙；用細粒度的砂輪磨削時，加工的工件表面質量較好，尺寸精度高且質量穩定，但磨削效率低。粒度的選擇主要取決于磨削工件的表面粗糙度和磨削效率，在滿足表面粗糙度要求的前提下，應盡量選用粗粒度的砂輪，以保證較高的磨削效率。一般粗磨時選用粗粒度的砂輪，精磨時選用細粒度的砂輪。復合材料齒輪的模數為1.5，齒面的表面粗糙度值Ra=0.8μm，公法線變動量為0.015mm。由于齒輪模數小，齒面精度及表面粗糙度要求高，若采用粗粒度的砂輪，砂輪修型后齒面致密度不夠，磨削時齒面精度及表面粗糙度不穩定，所以選取粒度80#、100#的砂輪進行試驗。試驗表明，粒度100#的砂輪磨削后的表面質量優于粒度80#砂輪磨削后的表面質量。

5.2 磨齒參數的改進

磨齒分為粗磨和精磨兩個階段。在粗磨齒階段，應采用大進給量、大進給速度快速去除余量；在精磨齒階段，應采用小進給量、小進給速度，以滿足零件最終尺寸的穩定性及表面粗糙度要求。加工時共分9次走刀進給，因復合材料易堵塞砂輪，所以在每次進刀磨削結束后要修整砂輪。砂輪線速度為30m/s，具體的磨削參數見表1。

表1 磨削參數

選用GC100JVKS碳化硅砂輪代替原來的5SG100-FG12VS3P剛玉砂輪磨削齒面，試驗表明，GC100JVKS碳化硅砂輪能夠滿足零件的加工要求，磨削加工過程質量穩定，表面無劃道。

6 結束語

高強度耐磨聚醚醚酮復合材料S-0203加工缺陷產生的原因以及砂輪選型和修整經驗總結如下。

1）齒輪端面掉塊缺陷產生的原因是壓套過程中的機械擠壓力、磨削過程的剪切力；齒面劃道缺陷產生的原因是所使用的砂輪過軟，砂粒脫出后劃傷齒面。

2）磨削時應采用硬度稍軟、氣孔率大的陶瓷結合劑碳化硅砂輪，即選擇牌號中含C/GC（碳化硅）、H/J/K（軟）、V（陶瓷結合劑）的砂輪。

3）復合材料S-0203是一種硬工程塑料，在磨削過程中易掉渣、易堵塞砂輪，需要及時修整砂輪，既要保持砂輪鋒利，又要保證砂輪的磨削精度。