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高精（jīng）度硬（yìng）齒麵齒（chǐ）輪的（de）加工工藝現狀分析

2017-7-10 來源：西門子機械傳動（天津）有限公司作者：李國明

       引言（yán）

       齒輪傳（chuán）動，作為一種高效的動力傳輸方式，被廣（guǎng）泛應用於各行業。隨著加工工藝的（de）日趨更新，軟齒（chǐ）麵齒（chǐ）輪（lún）已（yǐ）經被逐漸的淘汰，取而代之的是滲（shèn）碳淬火硬（yìng）齒麵齒輪。它在更小的體積內，實現了更大的扭（niǔ）矩傳遞，並且在齒部的彎曲強度和接觸強度上，得（dé）到很大的提高（gāo）。硬齒（chǐ）麵齒輪傳（chuán）動因其較高的承載能力和更長的使（shǐ）用壽命被各（gè）行業所認（rèn）可。

      硬齒麵齒輪是（shì）指硬度在 HRC40 以上的齒輪，通（tōng）常都需要熱處理進行淬火或者滲碳淬火，在熱處理之後，由於（yú）熱處理會使工件產（chǎn）生（shēng）變形，其熱前加（jiā）工的精（jīng）度會普遍降低 1-2 級，所以（yǐ）熱後需要進行精加工。這（zhè）樣較高精度的硬齒麵齒輪較普遍的加工（gōng）方式為先進行滾齒，然後進（jìn）行滲碳淬火，最後再進行齒麵磨削，這樣的工藝可以（yǐ）使整個齒麵得到（dào）相同的組織以及滲碳層深度，齒麵（miàn）最終硬（yìng）度（dù）可以達（dá）到HRC58-HRC62，並（bìng）且獲得很高的齒（chǐ）麵幾何精度及表（biǎo）麵光（guāng）潔度。這也是現在行業（yè）內的主導（dǎo）工藝，其核心工序為滾齒和磨齒。

      1 、熱前滾齒（chǐ）

     由於成本原因，較（jiào）小模數（shù）工件用整體滾刀加工，材質（zhì）一般為帶塗層的高速鋼或者粉末冶（yě）金，頭數為 1-3，在（zài）刀具使（shǐ）用竄刀完畢後，需要進（jìn）行修（xiū）磨（mó），並返回專業的廠家重新進行塗層，整體硬質合金的（de）滾刀因為性（xìng）價比較低，使（shǐ）用較少；較大模數的齒輪由（yóu）於滾刀（dāo）體太大，成本太高，一般都設計為鑲刀片滾刀，這樣（yàng）的滾刀需要定期檢查每一個刀片的（de）磨（mó）損（sǔn）程度，並將已磨損或崩刃的刀片換掉；對於（yú）特大模數齒輪（一般為 M>22），一般都用齒輪銑（xǐ）刀加工。

     滾齒作為粗（cū）加工工序，國內的生產廠家如南京第二機床（chuáng）廠，秦川機（jī）床廠的滾齒機都可以達到 7-8 級的加工（gōng）精度。歐洲知名的滾齒機生（shēng）產廠家如 Pfauter、Liebherr 等，其（qí）機床的滾（gǔn）齒精度可以達到 6-7級，並且在加（jiā）工穩定性及壽命方麵有較大（dà）優勢。隨著機械行（háng）業自動化程度的提高，自動上下料傳送帶以（yǐ）及多工位上下料係統也被應用於滾齒工序，配合高精度的自動漲緊夾具。使（shǐ）機（jī）床（chuáng）更換工件的時間將至最低，實現（xiàn）了加工-去毛刺-倒角同時進行（háng）。更大的增加了機（jī）床的（de）使用效率（lǜ）。

      2 、熱後（hòu）磨齒

     磨齒是獲得齒麵高精（jīng）度的最有效和最可靠（kào）的方法，將滾齒餘量及其變形量磨掉。為了使齒輪在負載狀態（tài）下受力及齧合更加合理，齒輪會在標準漸開線齒形和（hé）齒向上做一定的修正。CNC 磨齒機（jī）通過預（yù）設的參數，將齒部（bù）形狀磨削為要求的幾何（hé）精度（dù）。並且通過選擇（zé）匹配的砂輪及修整（zhěng）參數，磨削達到最終的粗糙度要求，行業內普遍的要求為 Ra0.8，也有一些特殊應用，如風力發電齒（chǐ）輪箱等（děng），需要（yào）達到（dào）Ra0.6 甚至更高。其加工方法（fǎ）分為展成磨和成型磨。

     （1）展成磨

     為展成法加工，與滾齒原理相似。瑞士 Reishauer 公司最先發明並將其應用，磨削過程中，由於砂輪與被磨削的齒部連續齧合，從（cóng）而展成（chéng）齒部的漸開線形狀，並且在磨（mó）削過（guò）程中無（wú）中斷（duàn），所以其加工效率很高（gāo）。實際加工中，由於砂輪尺寸原因，展成磨適用於加工較小模數齒輪（一般為 M<=12）。

     磨削過程中，可使用氧化鋁（lǚ）材質的砂輪，需要根據設定好的磨損壽命長度及串刀（dāo）方式加工，較為優化的串刀方式為，粗磨過程中對角線竄刀，即在磨削過程中竄刀，以（yǐ）砂輪的不斷更新來達（dá）到（dào）最高的（de）材料去除效率；在精磨過程中為步進竄刀，用砂輪的同一位置磨削以達到齒麵質量的穩定性。對單一品（pǐn）種齒輪的大批量生產（chǎn），也可（kě）以使用高精度 CBN 蝸杆砂輪，可以（yǐ）更大的提高磨削效率，但是成本相應較高。

     展成（chéng）磨對機床的精（jīng）度及（jí）穩定性有較（jiào）高的要求，目（mù）前知名的機床公司有瑞士的 Reishauer，德國的 Liebherr，加工齒輪精（jīng）度可以達到4-5 級甚至更高，國內（nèi）較為領先的廠家（jiā）為秦川機床廠，加工精度可以（yǐ）達到 5-6 級。並且這些機床都具（jù）備了配套自動上（shàng）下料係統的能力，並廣泛應用於汽車製造行（háng）業和小型減速機製造行業，使硬齒麵齒輪的精加工效率得到很（hěn）大提升。

    （2）成型磨

     砂（shā）輪被金剛輪修整成（chéng）與齒形（xíng）相同的形狀，逐個齒進行磨削。這（zhè）種生產方式較（jiào）為柔性，在更（gèng）換齒輪型號時，隻需要（yào）將砂輪修整為與其對應（yīng）的形狀即可。整個修整與加工過程由預設的 CNC 軸進行控製。這項加工技術在國際上比較領先的公司有 Gleason、Hoefler 等，其生產的成型磨機（jī）床加工精度可以達到 3 級（jí），而且由於整個齒麵（miàn）的形狀是由成型的砂輪（lún）一次（cì）連續磨削而成，所以整個齒麵粗糙度可以達到 Ra0.4-Ra0.8。

    在（zài）實際生產過程中，太高的（de）表麵質（zhì）量要求，以及（jí）高的磨削進給（gěi）量，都會產生更高的燒傷風險。不同的企業也（yě）都采取更為精細化的磨削參數進行加工，來保持成本優勢。隨著科技（jì）的進步，一些新的工藝也正在出現來滿足市場需求，比如在成（chéng）型模後進行（háng）超精磨，這樣工件的表麵（miàn）光潔度可以達到 Ra0.2；或（huò）者用（yòng）雙磨頭加工，其中一個磨（mó）頭用於粗磨，另一個磨頭安裝特殊的砂輪用於精磨，來達到效率和質量的雙贏。

    3 、技（jì）術方向

    對於高精度硬齒麵齒輪的加工，主要技術方向為：（1）滾刀（dāo）材質和塗層技術，可提高滾齒的效率和機床利用率。（2）砂輪技術（shù），隨（suí）著微控製技術的進步，砂（shā）輪（lún）的磨料排列方式及形狀將更為可控，更為優化的砂輪將實現更高的磨削效率與更高的（de）工件質量。（3）加工智能化，機床在（zài）自動抓取工（gōng）件的基礎上，對工件進行辨認和識別（bié），對有質量問題的工件進行預先判定。（4）綠色加工，機床的能源利用效率將會更高；油（yóu）氣分離技術將降（jiàng）低機床（chuáng）對空氣的（de）汙染；新的幹切技術，也會大量（liàng）降低油品的使用量，使加工過程更為環保。

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