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硬齒面雙聯(lián)齒輪小端齒部的加工一直沒有經(jīng)濟有效的工藝方法。由于結(jié)構(gòu)特殊, 小端齒部不能采用傳統(tǒng)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(shè)計新構(gòu)形的硬齒面插齒刀, 開發(fā)了國產(chǎn)刀具, 降低了插齒刀的研制成本, 同時采用硬齒面插齒加工方法, 提高了雙聯(lián)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(nèi)的空白。 隨著國內(nèi)外武器裝備的發(fā)展, 硬齒面雙聯(lián)齒輪的應(yīng)用越來越廣, 硬齒面插齒技術(shù)的研究也越顯重要, 而結(jié)構(gòu)特殊又無法進行磨齒的硬齒面雙聯(lián)齒輪的加工更是一個薄弱環(huán)節(jié), 傳統(tǒng)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(lián)齒輪的加工一直沒有經(jīng)濟有效的工藝方法 。雙聯(lián)齒輪在傳動機構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛, 完全避免它的出現(xiàn), 勢必要在一些方面做出犧牲, 所以高精度雙聯(lián)齒輪的應(yīng)用一直是無法回避的問題 。我廠幾十種車輛側(cè)傳動行星機構(gòu)的太陽齒輪都是此結(jié)構(gòu) (如圖1所示) 。此結(jié)構(gòu)的零件材料為20Cr2Ni4A, 硬度要求為58～62HRC, 齒部精度要求達到7級。由于零件結(jié)構(gòu)的限制, 小端齒部熱處理后(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(lián)齒輪的結(jié)構(gòu) 圖2 整體硬質(zhì)合金插齒刀 針對此結(jié)構(gòu)的雙聯(lián)齒輪, 國內(nèi)外在加工方法上還沒有比較經(jīng)濟適用的方法。在國外, 為了避開加工方法帶來的困難, 在設(shè)計之初, 就避免采用雙聯(lián)齒輪的結(jié)構(gòu) 。有一些公司在加工工藝上作了一定的研究, 根據(jù)雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)的不同, 采用不同的加工方法。以德國ZF公司的一種產(chǎn)品為例, 它的大小齒輪之間的距離比較大, 可以采用KAPP砂輪進行磨削加工, 但這種齒輪比較少見 。在我國, 一些設(shè)計及應(yīng)用部門由于結(jié)構(gòu)的必須, 只得降低雙聯(lián)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(gòu)整體緊湊的前提下, 采用硬齒面插齒應(yīng)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(shè)計的整體硬質(zhì)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(chǎn)生崩刃的前提下, 能連續(xù)加工幾十件齒輪, 但由于刀具硬度較高, 耐沖擊性能差, 異常切削時易崩刃, 且產(chǎn)生較大崩刃后無法修磨, 致使刀具報廢。本項目設(shè)計的新構(gòu)形硬齒面插齒刀, 實現(xiàn)了國產(chǎn)刀具的開發(fā), 并使插齒刀的研制成本降低66%。  結(jié)構(gòu)特殊而又無法進行磨齒的硬齒面雙聯(lián)齒輪小端齒部的加工一直是齒輪加工的難題之一, 傳統(tǒng)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(shè)計應(yīng)用在國外只搞過階段性的研究試制, 技術(shù)不是很成熟, 在國內(nèi)還屬于空白 。 新的構(gòu)形方法 目前, 國內(nèi)外已有的硬齒面插齒刀切削部分多采用硬質(zhì)合金材料, 其主要技術(shù)特征是前刀面為圓錐面, 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(jié)構(gòu)進行研究, 提出設(shè)計前角為-5°的新構(gòu)形。新構(gòu)形的插齒刀同傳統(tǒng)的相比, 工藝前角由正值調(diào)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面, 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(yīng)與被加工齒輪嚙合, 所以切削刃在基面上的投影應(yīng)為漸開線時才沒有理論上的 誤差。新構(gòu)形的插齒刀由于選用負前角, 則齒形表面 (漸開螺旋面) 的交線(切削刃) 在基面中的投影已經(jīng)不是漸開線。傳統(tǒng)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 為修正后的齒形角;a f 為分度圓壓力角; ae 為齒頂后角 ;γ為前角 。 刀具結(jié)構(gòu)的改進 現(xiàn)有的硬質(zhì)合金插齒刀為整體結(jié)構(gòu), 其成本比較高, 同時也存在著結(jié)構(gòu)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(xiàn)采用組合結(jié)構(gòu), 即刀體和刀片分開的分體結(jié)構(gòu)。最后刀體和刀片通過銷釘連接、真空釬焊焊接在一起, 這種結(jié)構(gòu)既可降低刀具的成本, 又能滿足實際生產(chǎn)的需要。 刀具基質(zhì)材料的研究 為了降低研制成本, 刀體和刀頭使用不同的材料。刀體采用Cr12MoV, 刀頭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與株洲自貢硬質(zhì)合金廠的P類合金相比具有一定的穩(wěn)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, 研制了前角為-5°的分體插齒刀, 如圖3所示。 圖3 新構(gòu)形的硬齒面插齒刀 插齒是按展成原理進行工作的, 猶如2個齒輪作無間隙的嚙合運動, 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 。而硬齒面插齒是屬于一種高硬度 、高速度、斷續(xù)切削的狀態(tài), 因此對于刀具的各種性能要求都非常高 。 加工工藝與技術(shù)要求 本文結(jié)合本廠太陽齒輪的生產(chǎn)任務(wù), 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(shè)備 試驗是在LFS382硬齒面插齒機上進行的, 該設(shè)備是我廠于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(guī)格為 φ380×M12) 。該機床剛性非常好, 沖程驅(qū)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(shè)備及胎具如圖5和圖6所示
圖5 試驗設(shè)備及刀具安裝圖
圖 6 工裝(胎具) 圖 優(yōu)化切削要素, 提高切削性能 切削要素不僅是機床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù), 而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率 、生產(chǎn)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(shù), 并與各種切削要素進行對比研究, 以達到切削要素的優(yōu)化組合, 提高切削性能 。限于現(xiàn)有插齒刀性能, 目前硬齒面切削規(guī)范沒有特殊的規(guī)定, 所以在試驗中根據(jù)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 硬插試驗后, 樣件實測精度及分析見表 3 。
從表2、表3中可以看出:硬插后太陽齒輪的精度能夠滿足圖樣設(shè)計的7級精度要求, 采用表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(jié)相鄰fpt、周節(jié)累積Fp、徑向跳動Fr均能達到6級精度, 但采用第4組硬插的加工時間明顯小于第1組的, 即采用第4組的組合切削用量硬插時, 加工精度高且效率高 。同時, 通過對比及后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn): 1) 粗切時, 采用較低的切削速度, 較大的圓周進給量 ;精切時, 采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(chǎn)效率。但插齒時的沖程受到切削速度的限制, 應(yīng)盡量縮短插齒時的超越量, 縮短沖程長度, 因此, 應(yīng)不增加切削速度而增加沖程數(shù) 。 2) 采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(chǎn)率 。 3) 為了減少刀具刃磨次數(shù), 在加工一定數(shù)量的工件后, 改變工件和插齒刀的回轉(zhuǎn)方向, 以使刀具兩面均勻磨損, 提高刀具壽命 。 工藝改進 硬齒面插齒加工屬于精加工, 插齒刀的頂刃原則上不應(yīng)參加切削。因此, 進行硬齒面插齒的齒輪樣件熱處理前采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(cè)面具有合適的加工余量。同時, 其齒厚根據(jù)熱處理的變形量也作了相應(yīng)的調(diào)整。  硬齒面插齒工藝在雙聯(lián)齒輪制造中具有獨特的地位, 硬齒面插齒的研究是實現(xiàn)硬齒面齒輪精密插齒的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文通過對硬齒面插齒刀的構(gòu)形方法、基質(zhì)材料、設(shè)計計算、制造以及硬插切削要素等試驗參數(shù)進行研究, 研制了新構(gòu)形的插齒刀, 降低了插齒刀的研制成本, 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(nèi)的空白, 這對推廣硬齒面插齒的工程應(yīng)用具有一定指導意義。 文章來源：齒輪傳動 |
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