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硬齿面刮削加工的关键技术分析

发布时间:
2019/01/22 09:25
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随着机床、刀具等综合技术的发展,从20世纪80年代起,国内外企业已逐渐采用硬齿面刮削作为淬硬齿轮(40~65HRC)的半精、精加工方法。这种方法可加工任意螺旋角、模数1~40mm的齿轮。普通精度(6~7级)硬齿面齿轮,一般采用“滚—热处理—刮削”工艺,粗、精加工在同一台滚齿机上即可完成;齿面粗糙度要求较高的齿轮,可在刮削后安排珩齿加工;对于高精度齿轮,则采用“滚—热处理—刮削—磨”工艺,用刮削作半精加工工序替代粗磨,切除齿轮的热处理变形,留下小而均匀的余量进行精磨,可以节约1/2~5/6的磨削工时,经济效益十分显著。对于大模数、大直径、大宽度的淬硬齿轮,因无相应的大型磨齿机,一般只能采用刮削加工。 

1 硬齿面刮削的加工特点 

淬硬齿轮热处理前已由前序滚刀切出全齿形,因而刮削滚刀只对齿轮的齿形部分作微量切削。容易磨损的刀齿顶刃部分不参与切削,只有侧刃参与切削。由于是从硬度很高的齿表切去薄薄的一层金属,滚刀左、右侧的切削刃同时啮合的齿数是变化的,很难保证刀齿左、右切削面的切削量一致。切削力(尤其是沿滚刀轴向的分力)的周期性波动极易引起滚齿机的振动、让刀打滑等,导致滚刀急剧磨损甚至崩刃。 

目前国内外一般采用大负前角的硬质合金滚刀加工淬硬齿轮。硬质合金滚刀的硬度和耐磨性较好,但韧性和抗热裂性能较差。以下从机床、刀具、夹具、齿坯、切削液、切削参数等方面逐一讨论如何充分发挥这种切削方式的优势。 

2 影响硬齿面刮削的主要因素及应对措施 

机床 硬齿面刮削时切削力具有起伏、间歇及强烈的冲击性,为此,必须提高传动链的扭转刚度,减小传动间隙,因而滚齿机需要有足够的几何刚度、运动精度及良好的热力学性能。并有两点比较严格的要求:①驱动工作台回转的分度蜗轮副的间隙应尽量小。该间隙对振动和齿形误差影响较大,一般采取在滚齿机上安装分度蜗轮副预紧或消除间隙的装置来减小振动和齿形误差。新一代的滚齿机常设计为无侧隙的双蜗轮副机构;②滚刀刀杆的刚性要好,振摆要小,应耐磨。刀杆的轴向跳动和径向跳动应严格控制在0.01mm以内,其中轴向跳动应尽量小。主轴止推轴承应耐磨,间隙要小。 

1) 齿坯粗加工 硬齿面刮削只对齿轮的齿形部分进行加工,而不对齿顶和齿根进行切削。为避免刮削时硬质合金滚刀的顶刃参与切削(易崩刃),淬火前粗切齿轮时应切至全齿深或作适量的根切。因此,粗加工所用滚刀应采用特殊的修正齿形,如带凸角滚刀,滚刀的齿顶高为(1.3~1.4)m。最好采用由刀具供应商提供的与硬质合金滚刀配套的刮前滚刀。 

2) 粗加工时合理选择齿侧预留刮削余量十分重要。确定预留刮削余量应遵循如下原则:即后序加工能够消除一批因工件热处理后所产生的不同误差,一般单侧齿面刮削余量为0.3~0.6mm,模数小于3mm的小齿轮,其齿侧面在公法线长度上的刮削余量以0.11~0.15mm为宜,热处理变形较大的区域余量可留1mm,此时应多次走刀。 

3) 工件装夹与对刀 夹具的精度、稳定性对齿轮的导程、齿形、跳动等精度都有很大的影响。工件的装夹刚性要好,以减小切削振动。夹具与工作台、夹具与齿坯的同轴度也是两项重要指标。装夹时应测量齿坯的径向跳动和端面跳动,并调整至最佳状态。为了把工件左、右齿面的热处理变形量都切掉,又由于加工淬硬齿轮时切下的切屑硬而薄,两侧切屑厚度的不均易使切削力波动大,引起崩刃,因此必须认真对刀,尽量使两侧切屑等厚。批量生产时,当首件与滚刀的位置调整好以后,可依靠夹具对中。对刀装置对大模数齿轮尤其重要,数控机床可用程序实现对刀。 

4) 滚刀 滚刀是影响硬齿面刮削的关键因素。 

a. 大负前角 刮削淬硬齿轮时滚刀切入、切出时间短,齿面的强度、硬度高,刮削力具有间歇性,加工过程中会产生强烈的冲击力,这是硬质合金滚刀崩刃的主要原因。因此,把刮削滚刀设计成大负前角,加工时,滚刀先由侧刃的根部切入,逐渐移向齿顶,形成一种斜角切削过程,增大了切削刃的有效工作长度,形成一种“推切”,可使滚刀更好地承受加工淬硬齿轮时产生的较大应力,减轻切削振动,因而切削刃受到的冲击和崩刃的可能性都减小了,刀齿的磨损也相应减小。国内有学者研制出了一种前刀面为凸曲面的刮削滚刀,其侧刃的抗崩刃性和重磨次数等均比平前刀面滚刀有进一步的提高。 

滚刀负前角的大小将直接影响刀具刃磨后齿形精度的保持性以及抗崩刃的能力。负前角越大,精度保持性越差;但负前角过小,刀具抗崩刃能力也小,因此,在确定前角大小时要综合考虑这两点。根据被加工齿轮的齿面硬度。 

b. 刀具材料与涂层 硬齿面刮削过程中,刀具承受着较大的冲击载荷、较高的切削温度和强烈的摩擦,因此,要求刀具材料具有很高的冲击韧性、耐磨性和耐热性。 

近年来,WC/Co基细晶粒硬质合金已成为齿轮加工技术中的一种重要材料。它是由硬质相碳化钨(WC)和硬度较低的金属粘结相钴(Co)烧结而成。成份相同的硬质合金,WC晶粒小于1µm时,其硬度和抗压能力比晶粒为1~3µm的普通硬质合金大大提高。超细晶粒硬质合金(≤0.5µm)具有很高的抗弯及抗拉强度,现代制造技术可以生产出均质的超细晶粒硬质合金。含WC和Co分别为94%和6%的超细晶粒硬质合金,其硬度和抗弯强度可分别达2000HV30和4000MPa。 

刀具涂层可采用化学气相沉积法(CVD法)和物理气相沉积法(PCD法)。目前已经研制出PVD法涂层硬质合金,这还是一项新技术,主要采用TiN作涂层材料。人们还研制出其它基于TiN的涂层材料,其中,TiCN和TiAlN已用于商业化生产。 

5) 切削参数 与其它切削加工方法一样,硬齿面刮削在确定进给速度和进给量时也要综合考虑多种因素,尽可能优化加工。需要考虑的主要因素包括:机床的刚性、工件所要求的精度、齿坯预处理情况、工件夹具及机床的状况等。 

a. 切削速度: 一般为40~140m/min。它取决于机床运转条件、工件硬度和模数。高速滚齿时的表面粗糙度值较小,但是,切削速度提高后,滚齿机振动加剧,容易损伤滚刀刀刃,因此,一般齿轮硬度很高时用低速,不太高时用高速,这样滚刀的磨损比较小。

b. 轴向进给量:一般为1~5mm/r。工件硬度越均匀,滚齿机的刚性越好,进给量可以越大。进给量越大,滚刀磨损越小。为延长滚刀寿命,应选用较大的进给量而不是较小的进给量。但进给量大时进给波纹也较大,所以一般只有在后续磨削加工工序时才使用尽可能大的进给量,以延长滚刀寿命。它可通过下面公式来确定: 

滚刀每转轴向进给量=cos•(4•D/sin)1/2,mm 

式中——齿轮螺旋角 ,——齿轮节圆处允许的进给波纹深度,mm ,——齿轮压力角 

D——滚刀外径,mm 

b. 切削厚度:根据刮削余量确定。淬硬齿轮的单侧齿面刮削余量一般为0.3~0.6mm。可一次切除,但过大的切削用量将降低刀具的耐用度。

c. 刮削方式:机床蜗轮副存在间隙时,采用顺刮比逆刮要好,可消除间隙带来的振动和误差,减小崩刃。 

6) 切削液 硬齿面刮削可采用干式切削。如果采用湿式切削,则所用切削油必须为低粘度切削油,因为硬齿面刮削使用切削油的主要目的是冷却而不是润滑。若使用高粘度油,工件与滚刀就会发生让刀打滑,引起滚刀崩刃。用作冷却剂的油在40℃时粘度应在10~20cst。含钼添加剂的低粘度油比较适于硬齿面刮削。 

3 结束语 

当今齿轮制造业对齿轮质量及运动精度的要求越来越高,精加工淬硬齿轮已显得日益重要。硬齿面刮削在发达国家已得到广泛应用,我国也有不少单位对这一工艺进行了比较深入的研究。近年来,随着机床结构的不断改进,机床及工件夹具刚性的提高,新的刀具材料的成功研制,特别是涂层技术的发展,硬齿面刮削的加工质量及稳定性都日益提高,这一工艺已越来越受到众多齿轮制造商的青睐。虽然目前消除齿轮热处理变形仍以磨齿加工为主要手段,但是,随着硬齿面刮削技术的日渐成熟,这一工艺必将得到更加广泛的应用。