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高精度硬齒面高速銑削加工技術(shù)

2021-10-21 08:50:27王作鵬葉君
科技信息·學(xué)術(shù)版 2021年14期
關(guān)鍵詞:高精度齒輪

王作鵬 葉君

摘要:本文針對齒輪加工制造,應(yīng)用齒輪加工專用設(shè)備和工藝(滾齒、插齒、磨齒、珩齒)無法加工的問題,闡述了一種雙聯(lián)齒輪高精度高硬度齒面的精密銑削加工方法,從工藝、設(shè)備、刀具、建模、編程和操作等方面,說明該齒輪精密加工的整個加工過程和步驟,實現(xiàn)了高精度、高硬度齒輪的精密銑削加工。

關(guān)鍵詞:齒輪;高精度;高硬度;精密;銑削;

0 引言

隨著科技發(fā)展,齒輪的種類和制造工藝也越來越成熟。一般來說,齒輪按大類分為漸開線齒輪和非漸開線齒輪,漸開線齒輪包括直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、人字齒輪、螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪、圓弧端齒幾種。

齒輪的主要制造方法分為展成法和成型法兩種。齒輪的主流制造工藝包括滾齒、插齒、磨齒和剃齒這幾種方式。目前,絕大部分齒輪均可以通過該類方法完成,但尚有部分齒輪由于齒輪設(shè)計結(jié)構(gòu)限制,應(yīng)用齒加工專用設(shè)備和工具無法進(jìn)行加工。

針對上述齒輪加工問題,擬通過開展齒輪建模技術(shù)研究、齒輪數(shù)控銑削工藝裝備技術(shù)研究、齒輪數(shù)控銑削加工工藝技術(shù)研究、齒輪數(shù)控銑削仿真技術(shù)研究工作,解決上述齒輪加工工藝技術(shù)難題。

1.高精度硬齒面齒輪的加工

轉(zhuǎn)速表雙齒輪為雙聯(lián)盤齒輪結(jié)構(gòu),該零件材料為合金鋼12CrNi3A,兩個相鄰齒輪之間的間隙僅為4mm,兩個齒輪的精度均為5級,并且齒面經(jīng)過滲碳淬火處理,要想保證齒面精度,必須在滲碳熱處理后重新對齒面進(jìn)行精加工。滲碳后齒面硬度為HRC≥60,大齒輪由于無干涉部位,齒部可以應(yīng)用磨齒機(jī)進(jìn)行精磨,但小齒輪由于空刀僅有4mm,即使應(yīng)用能夠應(yīng)用最小砂輪的磨齒機(jī),仍會與大齒輪端面產(chǎn)生較大干涉,導(dǎo)致無法應(yīng)用磨削方式進(jìn)行精加工。

目前,小齒輪的加工采用珩齒的加工方式,在珩齒機(jī)上應(yīng)用珩磨輪進(jìn)行精加工,但由于珩磨齒面的工藝方法受珩磨輪精度、珩磨機(jī)精度、珩磨夾具精度等綜合影響,導(dǎo)致珩磨后小齒輪齒部各項精度指標(biāo)均無法達(dá)到設(shè)計圖紙要求,僅能夠達(dá)到六級,并且齒面粗糙度也無法達(dá)到要求。珩齒時間也長達(dá)12小時/件,加工效率較低。

1.1工藝選擇

使用成型磨進(jìn)行加工時不僅序號考慮砂輪直徑干涉問題,還需要考慮安裝砂輪的刀桿及磨頭端面與零件的空間關(guān)系,否則會出現(xiàn)磨頭與零件大齒輪干涉的情況。因此,需要保證刀桿的有充分的長度。

由于砂輪受到零件結(jié)構(gòu)的限制,直徑要修整得較小,則在保證磨削時合適的線速度的前提下,砂輪的轉(zhuǎn)速必然要很高,但是,刀桿的長度卻要相對較長。在這兩個客觀因素的影響下,加工時,當(dāng)砂輪高速旋轉(zhuǎn)時,在離心力的作用下,必然會使刀桿發(fā)生彈性變形,導(dǎo)致砂輪產(chǎn)生振動。

加工中砂輪的振動對齒面的加工狀態(tài)會產(chǎn)生極其不利的影響,表面粗糙度會變差,容易導(dǎo)致齒形公差、齒向公差不合格,公法線的尺寸一致性差,齒面還可能產(chǎn)生 “啃刀”現(xiàn)象,嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致零件報廢。

該雙聯(lián)齒輪由于兩個相鄰齒空刀過小,無法實現(xiàn)磨削加工,珩磨方式無論是加工的精度還是效率,均無法滿足設(shè)計和生產(chǎn)交付進(jìn)度,由于齒面滲碳后硬度達(dá) HRC≥60,插齒方式刀具無法加工該硬度齒部,采用上述方式均無法解決該零件小外齒的加工工藝難題。

由于之前開展過高精度硬齒面數(shù)控銑齒的工藝試驗,通過對該小齒輪精度的綜合分析,決定采用高精度硬齒面數(shù)控銑齒的加工方式,通過應(yīng)用小齒輪精確建模技術(shù)、高精度硬齒面銑削數(shù)控編程技術(shù)、刀具選型技術(shù)、數(shù)控加工仿真技術(shù)、工藝過程控制技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化技術(shù),解決高精高硬小齒輪加工工藝難題。

1.2高精密硬齒面銑削加工設(shè)備

在加工該高精度硬齒面齒輪時,需要兼顧機(jī)床的通用性、加工成本、加工精度和加工效率幾個方面,主軸最高轉(zhuǎn)速必須達(dá)到10000r/min,滿足高效加工要求,機(jī)床的定位和重復(fù)定位精度必須控制在0.003之內(nèi),系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)和預(yù)讀,加減速功能。

因此在選擇機(jī)床時,必須選擇滿足上述機(jī)床,才能夠滿足要求。通過對車間現(xiàn)有設(shè)備調(diào)查,選擇德馬吉公司DMU80P五軸加工中心進(jìn)行加工。

1.3高精度齒輪精確建模

高精度的齒輪模型是決定齒輪精度的先決條件。由于數(shù)控銑齒的加工精度受

零件材料、硬度、機(jī)床精度、編程精度、裝夾找正精度、基準(zhǔn)精度、刀具精度、刀具對刀精度、刀具磨損變化程度、機(jī)床運(yùn)行溫度變化精度、裝夾剛性和讓刀量、切削參數(shù)、測量誤差等諸多因素綜合影響,上述綜合誤差與齒部模型精度誤差之和不能大于設(shè)計精度,因此,必須在建模時,保證齒輪具有足夠高的精度(比設(shè)計要求的精度高2個等級以上),才能夠在加工后最終滿足設(shè)計圖紙的要求。

為了提高建模精度,必須首先提高模型的精度等級,我們從UG軟件的用戶默認(rèn)設(shè)置窗口→建?!R?guī)→距離公差,將距離公差設(shè)置為0.0005,來提高齒部模型的加工精度。

應(yīng)用UG齒輪建模模塊,根據(jù)小齒輪各項參數(shù),建立小齒的高精度模型。

1.4 ?數(shù)控加工工藝及刀路設(shè)計

由于在加工前,齒面已經(jīng)進(jìn)行粗插齒和滲碳熱處理,并且受熱處理變形和基

準(zhǔn)偏差的綜合影響,余量不均勻。余量不均勻會導(dǎo)致加工時讓刀量產(chǎn)生差異,影響齒面加工精度。因此,在編制程序時,為了保證最終精加工時余量均勻,編程時將銑齒分為粗銑齒和精銑齒兩個階段,粗銑完成后,保證余量均勻,再進(jìn)行精銑齒,這樣不僅能夠保證精銑齒時余量和切削抗力均勻,而且經(jīng)過粗銑齒后,將齒面最難加工的表層去除,能夠有效減小精銑刀具的磨損程度,提高

精銑齒刀具壽命和加工精度。

同時,銑齒刀路采用固定輪廓銑中的曲面加工方式,刀路采用往復(fù)式加工方式,減少進(jìn)退刀次數(shù),僅需一次進(jìn)、退刀就可完成一側(cè)齒面加工,不僅刀路簡潔,而且能夠極大減小刀路長度,提高加工效率。

2.加工仿真

在正式加工前,為了保證編制程序的正確性,避免加工時出現(xiàn)程序錯誤導(dǎo)致

撞刀、過切或欠切等問題導(dǎo)致零件超差報廢,應(yīng)用VERICUT仿真軟件對數(shù)控加工過程進(jìn)行了仿真驗證。

3.加工操作

3.1夾具拼裝

在五軸上數(shù)控銑齒時,需要將零件墊到足夠的高度,才能夠保證加工時不會與工作臺產(chǎn)生干涉。由于該工序無夾具,采用拼裝夾具的方式,將零件墊高。最初的拼裝夾具無定心的心軸,直接將零件壓在拼裝墊塊上,并且墊塊長度較大,導(dǎo)致加工時需要頻繁敲擊零件,才能夠保證與C軸回轉(zhuǎn)中心重合,非常費(fèi)時費(fèi)力,并且無心軸的裝夾方式也容易在加工過程中,零件產(chǎn)生輕微位移,影響零件加工精度和加工的安全穩(wěn)定性,裝夾剛性不足,為避免干涉刀具懸深達(dá)26mm,刀具裝夾剛性一般,導(dǎo)致加工時讓刀量較大,加工不穩(wěn)定。

為了解決首次拼裝夾具存在的上述問題,在拼裝夾具上增加了心軸,并且重新對墊塊進(jìn)行拼裝,減小墊塊長度,這樣僅需一次找正心軸中心即可,極大縮短了找正時間,提高了找正效率。同時,減小墊塊長度使得刀具的懸長縮短,懸長僅14mm,極大提高零件和刀具的裝夾剛性,提高加工過程的安全性和工藝過程的穩(wěn)定性,減小了讓刀量,從裝夾方式上保證了齒部的高效、高精度加工。

3.2夾具裝夾

夾具裝夾前,清潔夾具端面和心軸配合表面,將夾具定位端面找正至0.005之內(nèi),然后將夾具心軸中心找正至與C軸回轉(zhuǎn)中心重合,千分表跳動在0.005之內(nèi)。

3.3零點(diǎn)設(shè)置

在選取工件加工零點(diǎn)時,為了避免引入五軸3+2定軸加工方式的零點(diǎn)變換誤差,提高加工精度,在進(jìn)行零點(diǎn)設(shè)置時,將齒輪回轉(zhuǎn)中心軸線與五軸C軸回轉(zhuǎn)中心重合,在編程進(jìn)行分度加工各個齒時,直接采用轉(zhuǎn)動C軸方式,而不是3+2指令格式,這樣影響齒部精度的因素就只有C軸回轉(zhuǎn)精度和三個線性軸的重復(fù)定位精度,解決了五軸3+2定軸分度加工方式引入變換公差的問題,提高了加工精度。

3.4角向找正

在加工前,必須將一個齒槽對準(zhǔn)Y軸方向,這樣就需要我們對小齒輪的角向進(jìn)行找正。找正方法為將兩個直徑為φ5的滾棒分貝固定在兩個齒槽內(nèi),兩個滾棒之間間隔的齒槽數(shù)應(yīng)為奇數(shù),然后在X軸方向拉直兩個滾棒,這樣就能夠保證齒的其中一個齒槽對準(zhǔn)Y軸方向;

最初找正時,我們采用黃油固定兩個滾棒,在固定的兩個齒槽內(nèi)存在大量黃油,非常難以清除。由于加工時采用干切削方式,加工時黃油粘附在刀具切削部位,切屑粘結(jié)在黃油上,切削時易導(dǎo)致切屑參與切削,劃傷已加工工件表面,并且粘結(jié)的切屑與刀具刃帶易產(chǎn)生擠壓,造成刀具損壞。

為了解決黃油固定滾棒找正的問題,我們采用皮筋固定的方式,將皮筋固定在齒輪外圓,利用皮筋的彈性,固定滾棒。該固定滾棒方式不僅靈活高效,固定滾棒穩(wěn)定性好,并且不會對齒部產(chǎn)生污染,巧妙的解決了黃油固定滾棒找正角向的諸多問題

3.5加工刀具及參數(shù)選擇

由于該齒輪材料為合金鋼12CrNi3A,并且齒面硬度達(dá)HRC≥60,必須選擇適合加工高硬度材料刀具,該刀具必須具有高耐磨性,優(yōu)良的高硬切削性能,高制造精度,才能夠滿足高精度硬齒面加工要求。

通過對國際各大知名刀具品牌的試用,最終德國SCHNELL納米涂層刀具遠(yuǎn)超其他競爭對手,完全滿足高硬、高精度保持架窗口銑削加工要求,從而最終確立了該品牌刀具在高硬、高精材料加工的不可替代的地位。因此在加工該零件時,我們直接選擇該品牌刀具。該齒輪齒根圓弧為R1±0.2,結(jié)合車間現(xiàn)有刀具情況,選擇SCHNELL公司目前加工保持架的φ2球頭銑刀進(jìn)行加工。

加工高硬度的納米涂層刀具要求在加工時,采用高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給、小切深的加工方式,切削方式為干式切削,冷卻方式采用風(fēng)冷,才能夠最大的發(fā)揮該刀具的切削性能。

通過在現(xiàn)場對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定如下切削參數(shù):

主軸轉(zhuǎn)速:10000r/min

進(jìn)給速度:800mm/min(粗);450mm/min(精)

切削深度:0.3最大(粗);0.15最大(精)

加工余量:0.1mm(粗);0.03mm(精)

冷卻方式:風(fēng)冷

3.6 加工結(jié)果

現(xiàn)場加工完成后,在齒輪測量機(jī)上對齒輪各項參數(shù)進(jìn)行測量,無論是尺寸精度、形位精度還是粗糙度,都達(dá)到了設(shè)計圖紙要求,實現(xiàn)了高精度硬齒面的銑削加工。

4.結(jié)束語

通過開展上述技術(shù)研究工作,并通過實際加工驗證,加工的齒輪精度完全滿足設(shè)計圖紙要求,實現(xiàn)了高精度高硬度齒面的精密銑削加工,為齒輪加工提供了更為解決方案。

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作者簡介:王作鵬(1977.03-),男,漢族,黑龍江省哈爾濱市,大學(xué)本科學(xué)歷,職稱:高級工程師,中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司,研究方向:機(jī)械加工

葉君(1988.05--),男,漢族,黑龍江省哈爾濱市,大學(xué)本科學(xué)歷,職稱:工程師,中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司,研究方向:機(jī)械加工制造

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