今天咱們聊一聊硬齒面刮削工藝相關(guān)的內(nèi)容。硬齒面齒輪主要運(yùn)用于車輛、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域的動(dòng)力輸出變速裝置中。
硬齒面刮削技術(shù)是使用硬質(zhì)合金刀具，包括滾刀和插齒刀，來對(duì)硬齒面齒輪進(jìn)行精加工和齒輪磨前半精加工的工藝技術(shù)，齒面硬度可達(dá)到45-64HRC，而加工精度可達(dá)5~7級(jí)，齒輪表面粗糙度為ra（0.63-1.25）μｍ，可部分替代磨齒和剃齒進(jìn)行修形，以消除淬火（熱處理）造成的變形。
硬刮削的加工效率是錐面砂輪磨齒機(jī)的５～６倍，而生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于磨齒，同時(shí)加工后齒面晶粒細(xì)化組織優(yōu)于磨齒和剃齒。該技術(shù)對(duì)企業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)有著積極的意義。
硬齒面齒輪精加工的主要方法有哪些？
現(xiàn)滲氮或滲碳淬火后的硬齒面齒輪一般工藝流程為：
鍛造→正火→粗車→粗滾（粗插）→剃→滲碳淬火→珩齒
鍛造→正火→粗車→粗滾（粗插）→滲碳淬火→修磨基準(zhǔn)→磨齒
目前采用上面的加工工藝過程，雖磨齒精度較高（可達(dá)到３級(jí)），但磨齒設(shè)備的價(jià)格較高，一般企業(yè)很少使用。同時(shí)磨齒存在散熱較差的問題，易造成齒面局部“燒傷”而形成缺陷；而剃齒效率較低，提高切削速度雖會(huì)提升剃齒精度和加工效率，但刀具易磨損降低壽命（刀具制造成本較高），甚至還會(huì)引起機(jī)床頂尖的燒損等問題。
滾齒加工是刀齒斷續(xù)展成運(yùn)動(dòng)切削的切齒方法，所以其生產(chǎn)效率（是各種機(jī)械加工制齒效率最高和最廣的制齒設(shè)備之一）、漸開線齒形精度較高且穩(wěn)定。由于滾齒機(jī)床的設(shè)計(jì)剛度較高，一般用于去除齒形大余量加工（開齒），未精加工減少加工余量，適合提高進(jìn)刀量達(dá)到提高效率的目的（鋼件粗滾2～3.5ｍｍ／ｒ、精滾0.8～1.2ｍｍ／ｒ）。
一般滾齒機(jī)床的滾齒加工精度為標(biāo)準(zhǔn)ＧＢ／Ｔ７～８級(jí)，高速鋼滾刀滾齒切削速度為100~200m／min，被 加 工 齒 面 硬 度 為300~400 ＨＢＷ。隨著國內(nèi)精密、高精密滾齒機(jī)床的運(yùn)用，高效率、高精度滾齒的運(yùn)用工藝研究逐步替代部分磨齒和剃齒工 序，高精密滾齒機(jī)床的得以推廣應(yīng)用，滾后的齒輪精度也提升不少，一些中小模數(shù)的齒輪滾后可以穩(wěn)定到5級(jí)精度。
刮削滾齒加工的特性
刮削滾齒加工是一種針對(duì)小中模數(shù)的硬齒面精加工的滾切方法，其前角采用負(fù)前角或零度前角，而對(duì)大模數(shù)的齒輪，需要采用較大的負(fù)前角。其切削原理是通過微量的擠壓切削對(duì)變形后的齒形進(jìn)行修整達(dá)到提高精度的目的，同時(shí)通過微量切削后的刀具刃部擠壓，可達(dá)到細(xì)化齒表面晶粒、提高齒面強(qiáng)度、使齒表產(chǎn)生壓應(yīng)力降低裂紋產(chǎn)生和提高齒面耐磨性等作用。其加工效率比錐面砂輪磨齒機(jī)高５～６倍，具備磨齒和剃齒不可替代的明顯優(yōu)勢(shì)。
刮削滾齒技術(shù)主要適用于半精加工或精加工的齒輪，被加工齒輪齒面的硬度可達(dá)４５～６４ＨＲＣ。而采用高速鋼滾齒，切削速度較低且特易磨損，磨損后換刀困難（重新對(duì)刀困難），極易造成齒坯報(bào)廢，所以刮削滾齒的刀具高硬度、高耐磨性是重要特性指標(biāo)。
從設(shè)備而言，一般普通滾齒機(jī)床的加工精度為７～８級(jí)，而精密、高精密滾齒機(jī)床的滾齒精度可達(dá)５～６級(jí)，所以通過刮削滾齒所選設(shè)備一般為精密、高精密滾齒機(jī)床。對(duì)應(yīng)刮削滾刀的精度選取一般為Ａ級(jí)、ＡＡ級(jí)和ＡＡＡ級(jí)。Ａ級(jí)為一般精加工（７級(jí)）或高精度齒輪的半精加工，ＡＡ、AAA級(jí)為高精度齒輪的精加工（５～６級(jí)），齒 面 粗 糙 度 為Ra（0.63～1.25）μｍ。刀具的精度越高產(chǎn)品齒形精度高，而設(shè)備精度高則產(chǎn)品的周節(jié)誤差、齒向誤差、基節(jié)偏差會(huì)很低。
刮削滾齒的工藝優(yōu)化研究
刮削滾齒的適用范圍和加工刀具的特性：
齒輪材料分為滲氮齒輪合金鋼（如18CrNiWA）、滲碳齒輪合金鋼（如20Cr2Ni4）、常用調(diào)質(zhì)和淬火齒輪鋼（如40Cr）、鑄鐵等。由于鑄鐵和其他材料較難形成齒面硬化，一般只對(duì)前３種材質(zhì)齒輪淬硬后采用刮削滾齒。刮削滾齒的刀具除了具備硬度和耐磨性要求較高外，刀齒形狀也有特殊要求。刮削滾齒的頂刃具有很大的負(fù)前角，對(duì)切削過程很不利，為防止頂刃產(chǎn)生顯著的磨損和刃崩而盡量取“小”。
淬火后應(yīng)只刮削齒面有效段的漸開線而不加工齒根底，所以對(duì)熱處理前的刮前滾齒，應(yīng)按不同齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)帶預(yù)挖根的專用刮前滾刀。同時(shí)為減輕淬火后齒輪齒根應(yīng)力集中問題，刮前滾刀的齒頂可設(shè)計(jì)成圓頭形，使得切出的齒槽略深于齒輪標(biāo)準(zhǔn)齒高，且槽底兩側(cè)有適量的圓滑過渡的沉割。
刮前滾齒的留余量原則上應(yīng)根據(jù)齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、材料和熱處理變形的大小來確定，但不能一概而論，因?yàn)槊總€(gè)企業(yè)的設(shè)備能力、控制變形手段等不同，制定余量時(shí)應(yīng)以經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)余量作參考，經(jīng)過驗(yàn)證后再確定固化工藝參數(shù)。
齒輪熱處理方法
查閱相關(guān)資料介紹：齒輪的刮削加工與其熱處理的質(zhì)量密切相關(guān)，過大的變形量會(huì)使切削時(shí)間變長，并可能造成表層晶界的屈服強(qiáng)度降低，和表層抗破壞能力的降低，因此我們采用整體高頻淬火，可得到理想的刮削粗糙度，并嚴(yán)格控制碳化物級(jí)別，碳化物的級(jí)別應(yīng)保持在5 級(jí)以下，過高會(huì)使齒面脆性增加! 溫度控制在850～870℃，采用等溫淬火方法，選用等溫分級(jí)淬火油作為淬火介質(zhì)。等溫分級(jí)淬火油具有淬硬和淬透能力，可使淬火硬度均勻，在較低的淬火溫度時(shí)可獲得較高的淬火硬度，并能有效控制零件的變形，使變形程度呈規(guī)律性，對(duì)刮削的質(zhì)量及效率的提高奠定了良好基礎(chǔ)。
刮削滾齒加工刀具材料優(yōu)化
現(xiàn)刮削滾齒刀具一般采用整體硬質(zhì)合金和焊接式硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)形式。整體硬質(zhì)合金滾刀的性價(jià)比最高（加工齒面硬度為45~64HRC），使用硬質(zhì)合金半精滾或刮削精滾淬火后的硬齒面齒輪，可減少磨齒余量甚至部分代替磨齒，如大批量生產(chǎn)，采用整體硬質(zhì)合金滾刀的總費(fèi)用遠(yuǎn)低于磨齒。如中批量或小批量生產(chǎn)，可采用焊接式刮削滾刀更為經(jīng)濟(jì)。這里需要注意的是，硬質(zhì)合金材料本身也有不同的系列，針對(duì)不同的切削狀態(tài)和硬度應(yīng)選用與之對(duì)應(yīng)的合金牌號(hào)，才能發(fā)揮出更優(yōu)的效果。
刮削滾齒加工刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
刮削滾齒刀具與普通滾齒刀具的區(qū)別如下圖所示：普通滾齒刀具為零前角或正前角，而刮削滾齒刀具前角采用零度或角度較大的負(fù)前角，并有磨鈍“寬帶刃”Δ。經(jīng)過對(duì)比驗(yàn)證，半精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.2~0.3mm，精滾加工的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)可采用0.1~0.2mm。
滾刀刃磨后，刮削滾刀的頂刃一般具有很大的負(fù)前角，切削過程非常不利，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。硬質(zhì)合金刮削滾刀會(huì)產(chǎn)生磨損和崩刃，應(yīng)對(duì)刃口進(jìn)行強(qiáng)化處理，常用的刃口強(qiáng)化方法有如下２種。
１）用細(xì)粒度碳化硅油石沿刀齒側(cè)刃輕微而均勻地研磨１～２次，即可形成0.01~0.03ｍｍ的倒棱，研磨后刃口應(yīng)具有一定的鈍圓形狀。
２）用金剛石油石沿刀齒側(cè)刃研磨１～２次，可獲得比較平直的刃口。硬質(zhì)合金滾刀應(yīng)在高剛度的滾刀刃磨機(jī)床上利用金剛石砂輪進(jìn)行刃磨。
以上為較為原始粗暴的處理方式，目前大多采用噴砂工藝進(jìn)行處理。
與刮削滾刀配套的刮削前滾刀的齒形一般采用帶凸角的形式。
刮削滾齒加工的設(shè)備選取
刮削滾齒主要是針對(duì)硬齒面（45~64HRC）的加工，滾刀刀齒所承受的沖擊力較大，易產(chǎn)生較大的振動(dòng)而影響齒形精度和齒面粗糙度，同時(shí)刮削滾齒是齒輪精度最后成形的保障，機(jī)床的精度會(huì)影響齒輪的周節(jié)累積誤差、節(jié)圓跳動(dòng)、公法線檢測(cè)變化量等參數(shù)。所以刮削滾齒的設(shè)備選取應(yīng)保證如下幾項(xiàng)基本要求。
1）機(jī)床整體剛度高。在刮削滾切中硬齒面齒輪時(shí)，滾刀刀齒所承受的沖擊力較大，要求機(jī)床具有足夠的抗振能力和吸振能力。
２）機(jī)床傳動(dòng)鏈的間隙要小。傳動(dòng)鏈的間隙過大就會(huì)造成各關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)誤差加大，影響齒輪精加工的精度等級(jí)，一般工作臺(tái)的分度蝸輪副間隙應(yīng)控制在0.015～0.025ｍｍ。
３）機(jī)床采用滾珠絲杠。軸向進(jìn)給系統(tǒng)最好采用滾珠絲杠，其間隙應(yīng)調(diào)整到最小。
４）機(jī)床應(yīng)在恒溫間使用。刮削滾齒所使用設(shè)備為精密、高精密滾齒 機(jī)，各傳動(dòng) 鏈 間隙應(yīng)調(diào)整到最小，如果溫度過高或過低，金屬受熱脹冷縮的影響會(huì)造成精密、高精密設(shè)備的損害。同時(shí)，對(duì)高精度齒輪加工的尺寸控制有益。
刮削滾齒加工的切削液選取滾齒時(shí)，為提高滾刀耐用度和冷卻效果，降低齒面的表面粗糙度，刮削滾齒的刀具進(jìn)行了前角的修鈍，其后刀面刃與產(chǎn)品接觸表面是擠壓作用，金屬間具有親合作用，易造成粘結(jié)拉傷齒面降低表面粗糙度。對(duì)于試切滾齒的，應(yīng)向切削區(qū)直接澆注切削液，而干切式需要調(diào)整好出風(fēng)壓力和吹氣的角度。
防止崩刃措施
滾齒是一種用有限刃斷續(xù)包絡(luò)齒面的切齒方法，因此，齒面粗糙度、棱度及切削振動(dòng)等限制了滾齒的加工質(zhì)量，對(duì)于硬齒面刮削來說，由于斷續(xù)切削及切削振動(dòng)等又產(chǎn)生了刀具崩刃，為消減振動(dòng)、降低齒面粗糙度、減少刀具崩刃率，有些廠家使用專為硬齒面刮削設(shè)計(jì)的消振器，該消振器裝于滾刀刀桿上，作為刀桿的一部分。據(jù)說，此種裝置能有效減少硬質(zhì)合金刮刀的崩刃率，并對(duì)齒面粗糙度有所改善，減少對(duì)強(qiáng)力高剛度滾齒機(jī)的需求，節(jié)約設(shè)備投資，又可在一定程度上代替昂貴的磨齒，這點(diǎn)對(duì)于大直徑硬齒輪尤顯重要。
結(jié)語
硬齒面刮削工藝具有優(yōu)越性，現(xiàn)已成為一種應(yīng)用廣泛的硬齒面刮削加工方法，在一定程度上減輕了磨齒的壓力。由于有剛性更好的機(jī)床和優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)合金刀具材料并加以涂層處理，使淬硬滾切成為一種行之有效的加工方法。從工廠的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，硬齒面刮削加工工藝具有廣闊的應(yīng)用。
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