硬齒面雙聯齒輪小端齒部的加工一直沒有經濟有效的工藝方法。由於結構特殊, 小端齒部不能採用傳統的磨齒工藝, 特別是受熱處理變形的影響, 其精度一直得不到保證, 嚴重影響齒輪的工作壽命 。本文通過設計新構形的硬齒面插齒刀, 開發了國產刀具, 降低了插齒刀的研製成本, 同時採用硬齒面插齒加工方法, 提高了雙聯齒輪小端的精度, 使硬齒面插齒工藝有了一個較大的突破, 填補了國內的空白。
隨著國內外武器裝備的發展, 硬齒面雙聯齒輪的應用越來越廣, 硬齒面插齒技術的研究也越顯重要, 而結構特殊又無法進行磨齒的硬齒面雙聯齒輪的加工更是一個薄弱環節, 傳統的插齒刀具無法滿足切削性能, 而進口刀具又成本太高, 所以高精度硬齒面雙聯齒輪的加工一直沒有經濟有效的工藝方法 。雙聯齒輪在傳動機構中應用十分廣泛, 完全避免它的出現, 勢必要在一些方面做出犧牲, 所以高精度雙聯齒輪的應用一直是無法迴避的問題 。我廠幾十種車輛側傳動行星機構的太陽齒輪都是此結構 (如圖1所示) 。此結構的零件材料為20Cr2Ni4A, 硬度要求為58～62HRC, 齒部精度要求達到7級。由於零件結構的限制, 小端齒部熱處理後(滲碳淬火) 不能進行磨齒, 因為熱處理變形的影響, 小端齒部的精度一直得不到保證。
圖1 雙聯齒輪的結構
圖2 整體硬質合金插齒刀
針對此結構的雙聯齒輪, 國內外在加工方法上還沒有比較經濟適用的方法。在國外, 為了避開加工方法帶來的困難, 在設計之初, 就避免採用雙聯齒輪的結構 。有一些公司在加工工藝上作了一定的研究, 根據雙聯齒輪結構的不同, 採用不同的加工方法。以德國ZF公司的一種產品為例, 它的大小齒輪之間的距離比較大, 可以採用KAPP砂輪進行磨削加工, 但這種齒輪比較少見 。在我國, 一些設計及應用部門由於結構的必須, 只得降低雙聯齒輪中小齒輪的精度, 這種做法實在是無奈之舉。在保證機構整體緊湊的前提下, 採用硬齒面插齒應當是唯一可行的辦法。目前, 我廠硬齒面加工試驗中使用的刀具是德國設計的整體硬質合金插齒刀(如圖2所示) , 每把刀的價格在3～4萬元人民幣, 但該刀具壽命不理想, 在不產生崩刃的前提下, 能連續加工幾十件齒輪, 但由於刀具硬度較高, 耐衝擊性能差, 異常切削時易崩刃, 且產生較大崩刃後無法修磨, 致使刀具報廢。本項目設計的新構形硬齒面插齒刀, 實現了國產刀具的開發, 並使插齒刀的研製成本降低66%。
01
硬齒面插齒刀的研製
結構特殊而又無法進行磨齒的硬齒面雙聯齒輪小端齒部的加工一直是齒輪加工的難題之一, 傳統的插齒刀具無法滿足切削性能, 而進口刀具成本又太高。硬齒面插齒刀的設計應用在國外只搞過階段性的研究試製, 技術不是很成熟, 在國內還屬於空白 。
新的構形方法
目前, 國內外已有的硬齒面插齒刀切削部分多采用硬質合金材料, 其主要技術特徵是前刀面為圓錐面, 存在著精度低、易崩刃、刀具壽命短等缺點。針對上述弊端, 本文重點對插齒刀的幾何結構進行研究, 提出設計前角為-5°的新構形。新構形的插齒刀同傳統的相比, 工藝前角由正值調整成-5°, 其目的就是為了提高刀具的抗崩性 能及耐磨性, 以延長其使用壽命 。
齒形誤差和齒形角的修正
插齒刀有前角和后角, 其齒形表面是漸開螺旋麵, 這將引起齒形誤差 。插齒刀切削齒輪時, 切削刃上下運動的軌跡表面應與被加工齒輪齧合, 所以切削刃在基面上的投影應為漸開線時才沒有理論上的 誤差。新構形的插齒刀由於選用負前角, 則齒形表面 (漸開螺旋麵) 的交線(切削刃) 在基面中的投影已經不是漸開線。傳統的修正方法已不再適用, 為了減少誤差, 通過下面的公式來達到修正齒形角目的 。
式中, a′f 為修正後的齒形角;a f 為分度圓壓力角; ae 為齒頂后角 ;γ為前角 。
刀具結構的改進
現有的硬質合金插齒刀為整體結構, 其成本比較高, 同時也存在著結構形狀與合理的切削角度 、抗崩刃能力之間相互制約的弊端。為了降低成本, 提高性價比, 現採用組合結構, 即刀體和刀片分開的分體結構。最後刀體和刀片通過銷釘連接、真空釺焊焊接在一起, 這種結構既可降低刀具的成本, 又能滿足實際生產的需要。
刀具基質材料的研究
為了降低研製成本, 刀體和刀頭使用不同的材料。刀體採用Cr12MoV, 刀頭採用上海材料研究所研製的材22 。上海材料研究所研製的材22與株洲自貢硬質合金廠的P類合金相比具有一定的穩定性, 合金的韌性、耐磨性能和抗崩刃性能都比較好。通過系列的理論計算, 利用漢江工具廠比較成熟的插齒刀加工工藝, 研製了前角為-5°的分體插齒刀, 如圖3所示。
圖3 新構形的硬齒面插齒刀
02
硬齒面插齒工藝的研究
插齒是按展成原理進行工作的, 猶如2個齒輪作無間隙的齧合運動, 主要有切削運動 、圓周進給運動、分齒運動、徑向進給運動和讓刀運動 。而硬齒面插齒是屬於一種高硬度 、高速度、斷續切削的狀態, 因此對於刀具的各種性能要求都非常高 。
加工工藝與技術要求
本文結合本廠太陽齒輪的生產任務, 其加工樣件如圖4所示 。太陽齒輪材料為鋼20Cr2Ni4A, 材料的力學性能見表1所示 。
圖4 加工樣件
表1 20Cr2Ni4A 鋼的力學性能
試驗設備
試驗是在LFS382硬齒面插齒機上進行的, 該設備是我廠於2004年從德國利渤海爾勞倫茨公司引進的硬齒面高精度插齒機(規格為 φ380×M12) 。該機床剛性非常好, 衝程驅動功率達到37kW, 解決了硬齒面插齒加工所需要的機床問題。試驗設備及胎具如圖5和圖6所示
圖5 試驗設備及刀具安裝圖
圖 6 工裝(胎具) 圖
優化切削要素, 提高切削性能
切削要素不僅是機床調整前必須確定的重要參數, 而且其數值合理與否對加工質量、加工效率 、生產成本等有著非常重要的影響 。本文通過摸索試驗, 確定了比較合理的切削速度、進給量等參數, 並與各種切削要素進行對比研究, 以達到切削要素的優化組合, 提高切削性能 。限於現有插齒刀性能, 目前硬齒面切削規範沒有特殊的規定, 所以在試驗中根據工件、刀具和機床等條件, 選擇了4組切削要素進行摸索試驗, 具體的切削用量見表2 。
表2 插齒切削用量
硬插試驗後, 樣件實測精度及分析見表 3 。
從表2、表3中可以看出:硬插後太陽齒輪的精度能夠滿足圖樣設計的7級精度要求, 採用表2中第1組及第4組所示的組合切削用量, 樣件的齒向誤差Fβ、周節相鄰fpt、周節累積Fp、徑向跳動Fr均能達到6級精度, 但採用第4組硬插的加工時間明顯小於第1組的, 即採用第4組的組合切削用量硬插時, 加工精度高且效率高 。同時, 通過對比及後續的研究發現:
1) 粗切時, 採用較低的切削速度, 較大的圓周進給量 ;精切時, 採用較高的切削速度及較小的圓周進給量, 這樣即可以提高齒部的精度, 又能提高生產效率。但插齒時的衝程受到切削速度的限制, 應儘量縮短插齒時的超越量, 縮短衝程長度, 因此, 應不增加切削速度而增加衝程數 。
2) 採用大的圓周進給量和小的徑向進給量相配合的切削達到全齒深, 這樣既能減少刀具磨損, 又能提高生產率 。
3) 為了減少刀具刃磨次數, 在加工一定數量的工件後, 改變工件和插齒刀的迴轉方向, 以使刀具兩面均勻磨損, 提高刀具壽命 。
工藝改進
硬齒面插齒加工屬於精加工, 插齒刀的頂刃原則上不應參加切削。因此, 進行硬齒面插齒的齒輪樣件熱處理前採用專門的留磨插齒刀進行粗插齒, 這樣既保證了被切齒輪粗切時達到標準全齒高, 又保證了槽底兩側面具有合適的加工餘量。同時, 其齒厚根據熱處理的變形量也作了相應的調整。
03
結語
硬齒面插齒工藝在雙聯齒輪製造中具有獨特的地位, 硬齒面插齒的研究是實現硬齒面齒輪精密插齒的關鍵技術之一。本文通過對硬齒面插齒刀的構形方法、基質材料、設計計算、製造以及硬插切削要素等試驗參數進行研究, 研製了新構形的插齒刀, 降低了插齒刀的研製成本, 同時確定了硬插的成型工藝, 使硬齒面插齒工藝有一個較大的突破, 填補了國內的空白, 這對推廣硬齒面插齒的工程應用具有一定指導意義。
