硬齿面插齿技术的研究

硬齿面双联齿轮小端齿部的加工一直没有经济有效的工艺方法。由于结构特殊, 小端齿部不能采用传统的磨齿工艺, 特别是受热处理变形的影响, 其精度一直得不到保证, 严重影响齿轮的工作寿命 。本文通过设计新构形的硬齿面插齿刀, 开发了国产刀具, 降低了插齿刀的研制成本, 同时采用硬齿面插齿加工方法, 提高了双联齿轮小端的精度, 使硬齿面插齿工艺有了一个较大的突破, 填补了国内的空白。

随着国内外武器装备的发展, 硬齿面双联齿轮的应用越来越广, 硬齿面插齿技术的研究也越显重要, 而结构特殊又无法进行磨齿的硬齿面双联齿轮的加工更是一个薄弱环节, 传统的插齿刀具无法满足切削性能, 而进口刀具又成本太高, 所以高精度硬齿面双联齿轮的加工一直没有经济有效的工艺方法 。双联齿轮在传动机构中应用十分广泛, 完全避免它的出现, 势必要在一些方面做出牺牲, 所以高精度双联齿轮的应用一直是无法回避的问题 。我厂几十种车辆侧传动行星机构的太阳齿轮都是此结构 (如图1所示) 。此结构的零件材料为20Cr2Ni4A, 硬度要求为58～62HRC, 齿部精度要求达到7级。由于零件结构的限制, 小端齿部热处理后(渗碳淬火) 不能进行磨齿, 因为热处理变形的影响, 小端齿部的精度一直得不到保证。

图1  双联齿轮的结构

图2  整体硬质合金插齿刀

针对此结构的双联齿轮, 国内外在加工方法上还没有比较经济适用的方法。在国外, 为了避开加工方法带来的困难, 在设计之初, 就避免采用双联齿轮的结构 。有一些公司在加工工艺上作了一定的研究, 根据双联齿轮结构的不同, 采用不同的加工方法。以德国ZF公司的一种产品为例, 它的大小齿轮之间的距离比较大, 可以采用KAPP砂轮进行磨削加工, 但这种齿轮比较少见 。在我国, 一些设计及应用部门由于结构的必须, 只得降低双联齿轮中小齿轮的精度, 这种做法实在是无奈之举。在保证机构整体紧凑的前提下, 采用硬齿面插齿应当是唯一可行的办法。目前, 我厂硬齿面加工试验中使用的刀具是德国设计的整体硬质合金插齿刀(如图2所示) , 每把刀的价格在3～4万元人民币, 但该刀具寿命不理想, 在不产生崩刃的前提下, 能连续加工几十件齿轮, 但由于刀具硬度较高, 耐冲击性能差, 异常切削时易崩刃, 且产生较大崩刃后无法修磨, 致使刀具报废。本项目设计的新构形硬齿面插齿刀, 实现了国产刀具的开发, 并使插齿刀的研制成本降低66%。

01

硬齿面插齿刀的研制

结构特殊而又无法进行磨齿的硬齿面双联齿轮小端齿部的加工一直是齿轮加工的难题之一, 传统的插齿刀具无法满足切削性能, 而进口刀具成本又太高。硬齿面插齿刀的设计应用在国外只搞过阶段性的研究试制, 技术不是很成熟, 在国内还属于空白 。 

新的构形方法 

目前, 国内外已有的硬齿面插齿刀切削部分多采用硬质合金材料, 其主要技术特征是前刀面为圆锥面, 存在着精度低、易崩刃、刀具寿命短等缺点。针对上述弊端, 本文重点对插齿刀的几何结构进行研究, 提出设计前角为-5°的新构形。新构形的插齿刀同传统的相比, 工艺前角由正值调整成-5°, 其目的就是为了提高刀具的抗崩性 能及耐磨性, 以延长其使用寿命 。 

齿形误差和齿形角的修正 

插齿刀有前角和后角, 其齿形表面是渐开螺旋面, 这将引起齿形误差 。插齿刀切削齿轮时, 切削刃上下运动的轨迹表面应与被加工齿轮啮合, 所以切削刃在基面上的投影应为渐开线时才没有理论上的 误差。新构形的插齿刀由于选用负前角, 则齿形表面 (渐开螺旋面) 的交线(切削刃) 在基面中的投影已经不是渐开线。传统的修正方法已不再适用, 为了减少误差, 通过下面的公式来达到修正齿形角目的 。

式中, a′f 为修正后的齿形角;a f 为分度圆压力角; ae 为齿顶后角 ;γ为前角 。

刀具结构的改进 

现有的硬质合金插齿刀为整体结构, 其成本比较高, 同时也存在着结构形状与合理的切削角度 、抗崩刃能力之间相互制约的弊端。为了降低成本, 提高性价比, 现采用组合结构, 即刀体和刀片分开的分体结构。最后刀体和刀片通过销钉连接、真空钎焊焊接在一起, 这种结构既可降低刀具的成本, 又能满足实际生产的需要。

刀具基质材料的研究

为了降低研制成本, 刀体和刀头使用不同的材料。刀体采用Cr12MoV, 刀头采用上海材料研究所研制的材22 。上海材料研究所研制的材22与株洲自贡硬质合金厂的P类合金相比具有一定的稳定性, 合金的韧性、耐磨性能和抗崩刃性能都比较好。通过系列的理论计算, 利用汉江工具厂比较成熟的插齿刀加工工艺, 研制了前角为-5°的分体插齿刀, 如图3所示。

图3  新构形的硬齿面插齿刀

02

硬齿面插齿工艺的研究

插齿是按展成原理进行工作的, 犹如2个齿轮作无间隙的啮合运动, 主要有切削运动 、圆周进给运动、分齿运动、径向进给运动和让刀运动 。而硬齿面插齿是属于一种高硬度 、高速度、断续切削的状态, 因此对于刀具的各种性能要求都非常高 。

加工工艺与技术要求

本文结合本厂太阳齿轮的生产任务, 其加工样件如图4所示 。太阳齿轮材料为钢20Cr2Ni4A, 材料的力学性能见表1所示 。

图4  加工样件

表1  20Cr2Ni4A 钢的力学性能

试验设备 

试验是在LFS382硬齿面插齿机上进行的, 该设备是我厂于2004年从德国利渤海尔劳伦茨公司引进的硬齿面高精度插齿机(规格为 φ380×M12) 。该机床刚性非常好, 冲程驱动功率达到37kW, 解决了硬齿面插齿加工所需要的机床问题。试验设备及胎具如图5和图6所示 

图5  试验设备及刀具安装图

图 6  工装(胎具) 图

优化切削要素, 提高切削性能 

切削要素不仅是机床调整前必须确定的重要参数, 而且其数值合理与否对加工质量、加工效率 、生产成本等有着非常重要的影响 。本文通过摸索试验, 确定了比较合理的切削速度、进给量等参数, 并与各种切削要素进行对比研究, 以达到切削要素的优化组合, 提高切削性能 。限于现有插齿刀性能, 目前硬齿面切削规范没有特殊的规定, 所以在试验中根据工件、刀具和机床等条件, 选择了4组切削要素进行摸索试验, 具体的切削用量见表2 。

表2 插齿切削用量

硬插试验后, 样件实测精度及分析见表 3 。

从表2、表3中可以看出:硬插后太阳齿轮的精度能够满足图样设计的7级精度要求, 采用表2中第1组及第4组所示的组合切削用量, 样件的齿向误差Fβ、周节相邻fpt、周节累积Fp、径向跳动Fr均能达到6级精度, 但采用第4组硬插的加工时间明显小于第1组的, 即采用第4组的组合切削用量硬插时, 加工精度高且效率高 。同时, 通过对比及后续的研究发现: 

1) 粗切时, 采用较低的切削速度, 较大的圆周进给量 ;精切时, 采用较高的切削速度及较小的圆周进给量, 这样即可以提高齿部的精度, 又能提高生产效率。但插齿时的冲程受到切削速度的限制, 应尽量缩短插齿时的超越量, 缩短冲程长度, 因此, 应不增加切削速度而增加冲程数 。 

2) 采用大的圆周进给量和小的径向进给量相配合的切削达到全齿深, 这样既能减少刀具磨损, 又能提高生产率 。 

3) 为了减少刀具刃磨次数, 在加工一定数量的工件后, 改变工件和插齿刀的回转方向, 以使刀具两面均匀磨损, 提高刀具寿命 。 

工艺改进 

硬齿面插齿加工属于精加工, 插齿刀的顶刃原则上不应参加切削。因此, 进行硬齿面插齿的齿轮样件热处理前采用专门的留磨插齿刀进行粗插齿, 这样既保证了被切齿轮粗切时达到标准全齿高, 又保证了槽底两侧面具有合适的加工余量。同时, 其齿厚根据热处理的变形量也作了相应的调整。

03

结语

硬齿面插齿工艺在双联齿轮制造中具有独特的地位, 硬齿面插齿的研究是实现硬齿面齿轮精密插齿的关键技术之一。本文通过对硬齿面插齿刀的构形方法、基质材料、设计计算、制造以及硬插切削要素等试验参数进行研究, 研制了新构形的插齿刀, 降低了插齿刀的研制成本, 同时确定了硬插的成型工艺, 使硬齿面插齿工艺有一个较大的突破, 填补了国内的空白, 这对推广硬齿面插齿的工程应用具有一定指导意义。

文章来源：齿轮传动