劉 成，楊 超，信 穩(wěn)

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039 2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，礦山設(shè)備朝著超大型化方向發(fā)展，為了滿足齒輪高承載能力的要求，齒輪亦需向超大模數(shù)、高齒面硬度、高精度方向發(fā)展[1]。

模數(shù) 50≤mn≤135 的齒輪稱為超大模數(shù)齒輪。常規(guī)齒形加工時(shí)，其齒面硬度為 220～300 HB，齒輪加工精度為 9～10 級(jí)，齒面粗糙度不小于Ra6.3[1]。

1 常規(guī)齒形加工

通常模數(shù)mn＜50 的滲碳淬火齒輪齒形加工，常用數(shù)控成型磨齒機(jī)磨削加工，其齒形加工的工藝流程如下：

(1)鍛造 齒輪毛坯鍛造成形。

(2)粗車 齒坯粗加工，使其具有零件的外形。

(3)探傷 檢驗(yàn)及保證齒坯內(nèi)在質(zhì)量。

(4)正火 改善齒坯內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)為后續(xù)工序打基礎(chǔ)。

(5)半精車 找正齒頂圓及端面。

(6)齒形的預(yù)加工 模數(shù)mn≤36 時(shí)，選用磨前滾刀滾齒，如圖 1 所示；模數(shù)mn＞ 36 時(shí)，選用指形銑刀銑齒，如圖 2 所示。

(7)滲碳淬火 保證齒面的高硬度和滲碳層深度要求。

(8)噴丸處理 表面清理以及改善齒根部表面狀況。

圖1 滾刀銑齒示意Fig.1 Hobbing sketch

圖2 成型指形銑刀半精銑齒Fig.2 Semi-finishing tooth milling with shaped finger-type milling cutter

(9)精車 加工出齒頂圓和齒輪兩端面等基準(zhǔn)面。

(10)齒形滾切半精加工 修正滲碳淬火變形，同時(shí)切除部分加工余量，對(duì)于 36＜mn＜50 的齒輪不執(zhí)行此步驟，直接磨齒。

(11)磨齒 采用雙斜邊砂輪對(duì)齒形成型磨削精加工，雙面或單面成型磨削，如圖 3 所示。

(12)檢查 磁粉探傷和檢查輪齒精度。

2 超大模數(shù)齒輪加工

自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)用齒輪軸，其模數(shù)mn=62.667，齒面滲碳淬火，精度要求 5～6 級(jí)，及齒面粗糙度要求Ra0.4～0.8。該齒輪具有大模數(shù)、高精度、高硬度等特點(diǎn)，齒輪加工屬于極限加工，技術(shù)含量高，是平臺(tái)升降系統(tǒng)制造中的挑戰(zhàn)性難題[2]。為了解決該制造難題，筆者摒棄常規(guī)工藝流程，利用ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)單面分段成型磨削法進(jìn)行超大模數(shù)硬齒面加工，為該類非常規(guī)齒形加工提供了新的解決方法。其齒形精加工，若采用鑄造-修磨、線切割/火焰切割-修磨、刨或插削-修磨、銑削-修磨等常規(guī)方法[3-4]，齒輪精度和齒面粗糙度均滿足不了圖紙要求；另外，采用 SH1200 梳齒機(jī)精梳齒形，精度能滿足要求，但由于齒面硬度高，齒面粗糙度達(dá)不到要求；由于齒輪齒槽深，齒槽寬，漸開線展開長(zhǎng)度超長(zhǎng)，受數(shù)控成型磨齒機(jī) ZP50 加工能力限制，也不能采用常規(guī)滲碳淬火齒輪齒形磨削精加工工藝。

圖3 成型磨齒示意Fig.3 Sketch of tooth profile grinding

常規(guī)磨齒選用雙斜邊砂輪一次磨削齒槽的雙齒面或單齒面[6]，超大模數(shù) (mn＝62.667)齒輪磨削受磨削機(jī)床能力的限制，一次磨削完不成齒槽的雙面磨削或單面磨削。為此，將齒輪的漸開線齒面分N段編制程序，程序調(diào)試合格后與 ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)鏈接調(diào)試，合格后輸入圖紙參數(shù)先模擬加工，而后對(duì)超大模數(shù)滲碳淬火齒輪齒形單面分段磨削精加工，如圖 4 所示。即對(duì)齒的一側(cè)面齒形分N段成形磨削后，再對(duì)另一側(cè)齒面分N段成形磨削，每一側(cè)齒面磨削分粗磨、半精磨、精磨削，并達(dá)到圖紙要求的精度和齒面粗糙度，整個(gè)磨削過程由數(shù)控程序控制。另外，由于齒輪模數(shù)較大，磨削過程中產(chǎn)生的成型磨削力較大，為增強(qiáng)磨削砂輪的剛性，磨削時(shí)不選用雙斜邊砂輪，而采用單斜邊砂輪實(shí)施磨削[6]。

模數(shù)mn＝62.667 硬齒面齒輪的熱加工工序與模數(shù)mn＜50 齒輪的工藝相同，區(qū)別在于齒形磨削前的加工及齒形磨削需要采用非常規(guī)手段，其齒形加工的工藝流程如下：

(1)鍛造 齒輪毛坯鍛造成形。

(2)粗車 齒坯粗加工，使其具有零件的外形。

(3)探傷 檢驗(yàn)及保證齒坯內(nèi)在質(zhì)量。

(4)正火 改善齒坯內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)為后續(xù)工序打基礎(chǔ)。

(5)半精車 找正齒頂圓及端面。

圖4 單斜邊砂輪單面分段磨削示意Fig.4 Sketch of sectional profile grinding with SBGW

(6)齒形的預(yù)加工 可采用 4 種加工方法：①選用相同超大模數(shù)的指形銑刀，在臥式或立式滾齒機(jī)單分度銑齒；② 在鏜銑床選用棒銑刀沿齒面階梯銑，而后選用數(shù)控鏜銑床程序插補(bǔ)銑；③在鏜銑床選用棒銑刀沿齒面階梯銑，而后選用數(shù)控加工中心銑齒；④ 梳齒機(jī)梳齒加工齒形。

(7)滲碳淬火 保證齒面的高硬度和滲碳層深度的要求。

(8)噴丸處理 表面清理以及改善齒根部表面狀況。

(9)精車 加工出齒頂圓和齒輪兩端面等基準(zhǔn)面。

(10)齒形滾切半精加工 可采用 3 種方法：①選用數(shù)控鏜銑床程序插補(bǔ)銑齒形；② 選用數(shù)控加工中心銑齒形；③梳齒機(jī)梳齒加工齒形。

(11)磨齒 選用高效精密數(shù)控成型磨齒機(jī)床，同時(shí)配備高精光整磨削砂輪分段成形磨削以完成齒形的磨削精加工，并達(dá)到圖紙要求的高精度和低粗糙度。具體實(shí)施：根據(jù)超大模數(shù)mn≥50 參數(shù)將漸開線齒面分成N段 (N≥2)，編制并調(diào)試程序，調(diào)試合格后與數(shù)控成型磨齒機(jī)程序鏈接，實(shí)施模擬加工；磨削時(shí)，根據(jù)齒面漸開線分段程序修正砂輪，使砂輪輪廓滿足磨削段的齒形輪廓，先磨削各齒槽同一側(cè)被磨削段齒廓，待第一段齒形磨削完成，重新根據(jù)下一段被磨齒形修正砂輪，磨削下一段齒形，直至一側(cè)齒形磨削完成；調(diào)裝砂輪同理磨削各齒槽另一側(cè)同位被磨削段齒廓，直至整個(gè)齒廓磨削完成；磨削順序從齒根部到齒頂部，先粗磨、再半精磨、精磨。每一磨削工步完成均要修正砂輪廓形。

(12)檢查 磁粉探傷和檢查輪齒精度。

3 齒輪加工

3.1 主要參數(shù)及要求

齒輪軸的輪齒為標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒，其主要的幾何參數(shù)如表 1 所列；齒輪軸材料采用低碳合金滲碳鋼，其材料牌號(hào)、熱處理方式及其相關(guān)要求如表 2 所列；輪齒齒面公差及粗糙度要求如表 3 所列。

表1 齒輪主要幾何參數(shù)Tab.1 Main geometric parameters of gear

表2 齒輪材料及熱處理技術(shù)要求Tab.2 Material and heat treatment technical requirements of gear

表3 輪齒齒面公差及粗糙度要求Tab.3 Tolerance and roughness requirements of tooth surface

3.2 齒形加工

齒坯加工按常規(guī)加工技術(shù)執(zhí)行及熱處理按熱處理工藝執(zhí)行 (此處熱加工工序省略)。模數(shù)mn＝62.667 的滲碳淬火齒輪軸齒形加工具體步驟如下：

3.2.1 齒形預(yù)加工

由表 1 數(shù)據(jù)可計(jì)算出：全齒深為 150.401 mm，齒槽最大寬度為 200.650 mm。由于漸開線展開長(zhǎng)度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有滾齒機(jī)加工能力，因此需要采用非常規(guī)切齒工藝：

(1)選用模數(shù)mn＝50 的指形銑刀單分度粗開齒槽。

(2)選用模數(shù)mn＝62.667 分段指形銑刀分 2 段預(yù)加工齒形，如圖 5 所示。分別采用指形銑刀加工出齒輪的上半部和下半部齒形，兩段加工之間需要重新調(diào)整機(jī)床，需要注意的是，齒輪下半部齒槽的深度和齒底部過渡圓弧按圖銑成，且所有齒面按工藝規(guī)范留量4 mm。

(3)將齒坯調(diào)裝于梳齒機(jī) (SH1200)上，如圖 6 所示。選用高速鋼材料梳齒刀對(duì)輪齒齒形展成加工，并修正齒形齒距，以消除 Y36125 臥式滾齒機(jī)單分度銑齒造成的齒形齒距誤差，按工藝規(guī)范齒單面留量 1 mm。

圖5 輪齒銑齒模型Fig.5 Tooth milling model

圖6 梳齒工序Fig.6 Tooth slotting process

3.2.2 齒形半精加工

齒輪滲碳淬火之后，齒輪軸重新調(diào)裝于梳齒機(jī)上，選用粉末冶金涂層梳齒刀展成梳齒半精加工，以修正滲碳淬火熱處理造成的輪齒變形，同時(shí)去除部分齒面余量，以提高磨齒效率。按工藝規(guī)范齒單面留磨削余量 0.4～0.5 mm。

3.2.3 齒形磨削精加工

ZP50 精密數(shù)控成型磨齒機(jī)如圖 7 所示。將齒輪軸調(diào)裝于 ZP50 上，根據(jù)齒輪軸參數(shù)，按單齒面分為2 段編程、調(diào)試及試運(yùn)行，待合格后實(shí)施分段模擬磨削精加工。加工工藝如下：

(1)工件找正、夾緊；

(2)選取單斜邊砂輪，并對(duì)砂輪平衡修正，修正后安裝于 ZP50 數(shù)控磨齒機(jī)上；

圖7 ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)Fig.7 ZP50 CNC profile grinding machine

(3)輸入圖紙參數(shù)；

(4)按程序根據(jù)齒根部漸開線修整砂輪輪廓，成型磨削各單齒面的齒根部；

(5)按程序根據(jù)齒頂部漸開線修整砂輪輪廓，成型磨削同齒面各齒頂部；

(6)重新調(diào)裝砂輪，重復(fù)步驟 4、5，成型磨削另一齒面；

(7)經(jīng)粗磨、半精磨、檢查合格后精磨成齒形。

3.3 精度檢測(cè)

對(duì)模數(shù)mn＝62.667 的滲碳淬火齒輪軸分別采用銑齒粗加工及梳齒加工半精加工，并在 ZP50 數(shù)控成型磨齒機(jī)上采用單面分段成型磨削法進(jìn)行精加工，完成整個(gè)齒形加工，加工后輪齒精度檢測(cè)結(jié)果如表 4 所列。

表4 輪齒精度檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Inspection record of tooth precision

4 結(jié)語(yǔ)

筆者充分利用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)了超大模數(shù)硬齒面齒輪的高精度齒形加工。首先，在齒輪加工方面，利用Y36125普通臥式滾齒機(jī)、SH1200 梳齒機(jī)和 ZP50 數(shù)控磨齒機(jī)相結(jié)合，充分發(fā)揮機(jī)床的加工優(yōu)勢(shì)；其次，采用了分段指形銑刀分段粗銑齒和專用磨削砂輪分段精磨齒的新工藝，并采用數(shù)控模擬技術(shù)，既保證了超大模數(shù)硬齒面齒輪齒形加工精度，又提高了加工效率，也擴(kuò)展了現(xiàn)有機(jī)床的加工能力。通過實(shí)例加工論證，分段成形磨削工藝不僅適用于超大模數(shù)硬齒面齒輪的高精度齒形加工，同樣還適用于調(diào)質(zhì)或調(diào)質(zhì)+齒面淬火高精度超大模數(shù)齒輪齒形精加工，也可用于大模數(shù)齒輪超出現(xiàn)有數(shù)控成型磨齒機(jī)磨削深度限制的齒形精加工。