高精度硬齒面高速銑削加工技術

摘? 要：本文闡述了一種雙聯齒輪高精度高硬度齒面的精密銑削加工方法，實現了高精度、高硬度齒輪的精密銑削加工。

關鍵詞：齒輪;高精度;高硬度;精密;銑削

隨著科技發展，齒輪的種類和制造工藝也越來越成熟。一般來說，齒輪按大類分為漸開線齒輪和非漸開線齒輪，漸開線齒輪包括直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、人字齒輪、螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪、圓弧端齒幾種。

齒輪的主要制造方法分為展成法和成型法兩種。齒輪的主流制造工藝包括滾齒、插齒、磨齒和剃齒這幾種方式。目前，絕大部分齒輪均可以通過該類方法完成，但尚有部分齒輪由于齒輪設計結構限制，應用齒加工專用設備和工具無法進行加工。 針對上述齒輪加工問題，擬通過開展齒輪建模技術研究、齒輪數控銑削工藝裝備技術研究、齒輪數控銑削加工工藝技術研究、齒輪數控銑削仿真技術研究工作，解決上述齒輪加工工藝技術難題。

1.高精度硬齒面齒輪的加工

轉速表雙齒輪為雙聯盤齒輪結構，該零件材料為合金鋼12CrNi3A，兩個相鄰齒輪之間的間隙僅為4mm，兩個齒輪的精度均為5級，并且齒面經過滲碳淬火處理，要想保證齒面精度，必須在滲碳熱處理后重新對齒面進行精加工。滲碳后齒面硬度為HRC≥60，大齒輪由于無干涉部位，齒部可以應用磨齒機進行精磨，但小齒輪由于空刀僅有4mm，即使應用能夠應用最小砂輪的磨齒機，仍會與大齒輪端面產生較大干涉，導致無法應用磨削方式進行精加工。

目前，小齒輪的加工采用珩齒工藝，在珩齒機上應用珩磨輪進行精加工，但由于珩磨齒面的工藝方法受珩磨輪精度、珩磨機精度、珩磨夾具精度等綜合影響，導致珩磨后小齒輪齒部各項精度指標均無法達到設計圖紙要求，僅能夠達到六級，并且齒面粗糙度也無法達到要求。珩齒時間也長達12小時/件，加工效率較低。

1.1工藝選擇

使用成型磨進行加工時不僅序號考慮砂輪直徑干涉問題，還需要考慮安裝砂輪的刀桿及磨頭端面與零件的空間關系，否則會出現磨頭與零件大齒輪干涉的情況。因此，需要保證刀桿的有充分的長度。

由于砂輪受到零件結構的限制，直徑要修整得較小，則在保證磨削時合適的線速度的前提下，砂輪的轉速必然要很高，但是，刀桿的長度卻要相對較長。在這兩個客觀因素的影響下，加工時，當砂輪高速旋轉時，在離心力的作用下，必然會使刀桿發生彈性變形，導致砂輪產生振動。

加工中砂輪的振動對齒面的加工狀態會產生極其不利的影響，表面粗糙度會變差，容易導致齒形公差、齒向公差不合格，公法線的尺寸一致性差，齒面還可能產生 “啃刀”現象，嚴重時甚至會導致零件報廢。

該雙聯齒輪由于兩個相鄰齒空刀過小，無法實現磨削加工，珩磨方式無論是加工的精度還是效率，均無法滿足設計和生產交付進度，由于齒面滲碳后硬度達 HRC≥60，插齒方式刀具無法加工該硬度齒部，采用上述方式均無法解決該零件小外齒的加工工藝難題。

由于之前開展過高精度硬齒面數控銑齒的工藝試驗，通過對該小齒輪精度的綜合分析，決定采用高精度硬齒面數控銑齒的加工方式，通過應用小齒輪精確建模技術、高精度硬齒面銑削數控編程技術、刀具選型技術、數控加工仿真技術、工藝過程控制技術、參數優化技術，解決高精高硬小齒輪加工工藝難題。

1.2高精密硬齒面銑削加工設備

在加工該高精度硬齒面齒輪時，需要兼顧機床的通用性、加工成本、加工精度和加工效率幾個方面，主軸最高轉速必須達到10000r/min，滿足高效加工要求，機床的定位和重復定位精度必須控制在0.003之內，系統能夠快速響應和預讀，加減速功能。因此在選擇機床時，必須選擇滿足上述機床，才能夠滿足要求。通過對車間現有設備調查，選擇德馬吉公司DMU80P五軸加工中心進行加工。

1.3高精度齒輪精確建模

高精度的齒輪模型是決定齒輪精度的先決條件。由于數控銑齒的加工精度受

零件材料、硬度、機床精度、編程精度、裝夾找正精度、基準精度、刀具精度、刀具對刀精度、刀具磨損變化程度、機床運行溫度變化精度、裝夾剛性和讓刀量、切削參數、測量誤差等諸多因素綜合影響，上述綜合誤差與齒部模型精度誤差之和不能大于設計精度，因此，必須在建模時，保證齒輪具有足夠高的精度（比設計要求的精度高2個等級以上），才能夠在加工后最終滿足設計圖紙的要求。

為了提高建模精度，必須首先提高模型的精度等級，我們從UG軟件的用戶默認設置窗口→建?！Ｒ帯嚯x公差，將距離公差設置為0.0005，來提高齒部模型的加工精度。應用UG齒輪建模模塊，根據小齒輪各項參數，建立小齒的高精度模型。

1.4? 數控加工工藝及刀路設計

由于在加工前，齒面已經進行粗插齒和滲碳熱處理，并且受熱處理變形和基

準偏差的綜合影響，余量不均勻。余量不均勻會導致加工時讓刀量產生差異，影響齒面加工精度。因此，在編制程序時，為了保證最終精加工時余量均勻，編程時將銑齒分為粗銑齒和精銑齒兩個階段，粗銑完成后，保證余量均勻，再進行精銑齒，這樣不僅能夠保證精銑齒時余量和切削抗力均勻，而且經過粗銑齒后，將齒面最難加工的表層去除，能夠有效減小精銑刀具的磨損程度，提高

精銑齒刀具壽命和加工精度。

同時，銑齒刀路采用固定輪廓銑中的曲面加工方式，刀路采用往復式加工方式，減少進退刀次數，僅需一次進、退刀就可完成一側齒面加工，不僅刀路簡潔，而且能夠極大減小刀路長度，提高加工效率。

2.加工仿真

在正式加工前，為了保證編程正確性，避免加工出現程序錯誤導致撞刀、過

切欠切問題導致零件超差報廢，應用仿真軟件對數控加工過程進行了仿真驗證。

3.加工操作

3.1夾具拼裝

在五軸上數控銑齒時，需要將零件墊到足夠的高度，才能夠保證加工時不會與工作臺產生干涉。由于該工序無夾具，采用拼裝夾具的方式，將零件墊高。最初的拼裝夾具無定心的心軸，直接將零件壓在拼裝墊塊上，并且墊塊長度較大，導致加工時需要頻繁敲擊零件，才能夠保證與C軸回轉中心重合，非常費時費力，并且無心軸的裝夾方式也容易在加工過程中，零件產生輕微位移，影響零件加工精度和加工的安全穩定性，裝夾剛性不足，為避免干涉刀具懸深達26mm，刀具裝夾剛性一般，導致加工時讓刀量較大，加工不穩定。

為了解決首次拼裝夾具存在的上述問題，在拼裝夾具上增加了心軸，并且重新對墊塊進行拼裝，減小墊塊長度，這樣僅需一次找正心軸中心即可，極大縮短了找正時間，提高了找正效率。同時，減小墊塊長度使得刀具的懸長縮短，懸長僅14mm，極大提高零件和刀具的裝夾剛性，提高加工過程的安全性和工藝過程的穩定性，減小了讓刀量，從裝夾方式上保證了齒部的高效、高精度加工。

3.2夾具裝夾

夾具裝夾前，清潔夾具端面和心軸配合表面，將夾具定位端面找正至0.005之內，然后將夾具心軸中心找正至與C軸回轉中心重合，千分表跳動在0.005之內。

3.3零點設置

在選取工件加工零點時，為了避免引入五軸定軸加工方式的零點變換誤差，提高加工精度，在進行零點設置時，將齒輪回轉中心軸線與五軸C軸回轉中心重合，在編程進行分度加工各個齒時，直接采用轉動C軸方式，而不是定軸指令格式，這樣影響齒部精度的因素就只有C軸回轉精度和三個線性軸的重復定位精度，解決了五軸定軸分度加工方式引入變換公差的問題，提高了加工精度。

3.4角向找正

在加工前，必須將一個齒槽對準Y軸方向，這樣就需要我們對小齒輪的角向進行找正。找正方法為將兩個直徑為φ5的滾棒分貝固定在兩個齒槽內，兩個滾棒之間間隔的齒槽數應為奇數，然后在X軸方向拉直兩個滾棒，這樣就能夠保證齒的其中一個齒槽對準Y軸方向;

最初找正時，我們采用黃油固定兩個滾棒，在固定的兩個齒槽內存在大量黃油，非常難以清除。由于加工時采用干切削方式，加工時黃油粘附在刀具切削部位，切屑粘結在黃油上，切削時易導致切屑參與切削，劃傷已加工工件表面，并且粘結的切屑與刀具刃帶易產生擠壓，造成刀具損壞。為了解決黃油固定滾棒找正的問題，我們采用皮筋固定的方式，將皮筋固定在齒輪外圓，利用皮筋的彈性，固定滾棒。該固定滾棒方式不僅靈活高效，固定滾棒穩定性好，并且不會對齒部產生污染，巧妙的解決了黃油固定滾棒找正角向的諸多問題

3.5加工刀具及參數選擇

由于該齒輪材料為合金鋼12CrNi3A，并且齒面硬度達HRC≥60，必須選擇適合加工高硬度材料刀具，該刀具必須具有高耐磨性，優良的高硬切削性能，高制造精度，才能夠滿足高精度硬齒面加工要求。

通過對國際各大知名刀具品牌的試用，最終德國SCHNELL納米涂層刀具遠超其他競爭對手，完全滿足高硬、高精度保持架窗口銑削加工要求，從而最終確立了該品牌刀具在高硬、高精材料加工的不可替代的地位。因此在加工該零件時，我們直接選擇該品牌刀具。該齒輪齒根圓弧為R1±0.2，結合車間現有刀具情況，選擇SCHNELL公司目前加工保持架的φ2球頭銑刀進行加工。

加工高硬度的納米涂層刀具要求在加工時，采用高轉速、高進給、小切深的加工方式，切削方式為干式切削，冷卻方式采用風冷，才能夠最大的發揮該刀具的切削性能。

通過在現場對參數進行優化，確定如下切削參數：

主軸轉速：10000r/min;進給速度：800mm/min（粗）;450mm/min（精）

切削深度：0.3最大（粗）;0.15最大（精）;加工余量：0.1mm（粗）;0.03mm（精）

冷卻方式：風冷

3.6 加工結果

現場加工完成后，在齒輪測量機上對齒輪各項參數進行測量，無論是尺寸精度、形位精度還是粗糙度，都達到了設計圖紙要求，實現了高精度硬齒面的銑削加工。

4.結束語

通過開展上述技術研究工作，并通過實際加工驗證，加工的齒輪精度完全滿足設計圖紙要求，實現了高精度高硬度齒面的精密銑削加工，為齒輪加工提供了更為解決方案。

參考文獻：

[1]方沂. 數控機床編程與操作[M]. 北京：國防工業出版社，1999.

[2]陳銀清. 宏程序在數控加工中的應用研究. 機床與液壓，2009.

作者簡介：

王作鵬（1977.03-），男，漢族，黑龍江省哈爾濱市，大學本科學歷，職稱：高級工程師，研究方向：機械加工