高精度硬齿面高速铣削加工技术

王作鹏 叶君

摘要：本文针对齿轮加工制造，应用齿轮加工专用设备和工艺（滚齿、插齿、磨齿、珩齿）无法加工的问题，阐述了一种双联齿轮高精度高硬度齿面的精密铣削加工方法，从工艺、设备、刀具、建模、编程和操作等方面，说明该齿轮精密加工的整个加工过程和步骤，实现了高精度、高硬度齿轮的精密铣削加工。

关键词：齿轮;高精度;高硬度;精密;铣削;

0 引言

随着科技发展，齿轮的种类和制造工艺也越来越成熟。一般来说，齿轮按大类分为渐开线齿轮和非渐开线齿轮，渐开线齿轮包括直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿轮、螺旋锥齿轮、直齿锥齿轮、圆弧端齿几种。

齿轮的主要制造方法分为展成法和成型法两种。齿轮的主流制造工艺包括滚齿、插齿、磨齿和剃齿这几种方式。目前，绝大部分齿轮均可以通过该类方法完成，但尚有部分齿轮由于齿轮设计结构限制，应用齿加工专用设备和工具无法进行加工。

針对上述齿轮加工问题，拟通过开展齿轮建模技术研究、齿轮数控铣削工艺装备技术研究、齿轮数控铣削加工工艺技术研究、齿轮数控铣削仿真技术研究工作，解决上述齿轮加工工艺技术难题。

1.高精度硬齿面齿轮的加工

转速表双齿轮为双联盘齿轮结构，该零件材料为合金钢12CrNi3A，两个相邻齿轮之间的间隙仅为4mm，两个齿轮的精度均为5级，并且齿面经过渗碳淬火处理，要想保证齿面精度，必须在渗碳热处理后重新对齿面进行精加工。渗碳后齿面硬度为HRC≥60，大齿轮由于无干涉部位，齿部可以应用磨齿机进行精磨，但小齿轮由于空刀仅有4mm，即使应用能够应用最小砂轮的磨齿机，仍会与大齿轮端面产生较大干涉，导致无法应用磨削方式进行精加工。

目前，小齿轮的加工采用珩齿的加工方式，在珩齿机上应用珩磨轮进行精加工，但由于珩磨齿面的工艺方法受珩磨轮精度、珩磨机精度、珩磨夹具精度等综合影响，导致珩磨后小齿轮齿部各项精度指标均无法达到设计图纸要求，仅能够达到六级，并且齿面粗糙度也无法达到要求。珩齿时间也长达12小时/件，加工效率较低。

1.1工艺选择

使用成型磨进行加工时不仅序号考虑砂轮直径干涉问题，还需要考虑安装砂轮的刀杆及磨头端面与零件的空间关系，否则会出现磨头与零件大齿轮干涉的情况。因此，需要保证刀杆的有充分的长度。

由于砂轮受到零件结构的限制，直径要修整得较小，则在保证磨削时合适的线速度的前提下，砂轮的转速必然要很高，但是，刀杆的长度却要相对较长。在这两个客观因素的影响下，加工时，当砂轮高速旋转时，在离心力的作用下，必然会使刀杆发生弹性变形，导致砂轮产生振动。

加工中砂轮的振动对齿面的加工状态会产生极其不利的影响，表面粗糙度会变差，容易导致齿形公差、齿向公差不合格，公法线的尺寸一致性差，齿面还可能产生 “啃刀”现象，严重时甚至会导致零件报废。

该双联齿轮由于两个相邻齿空刀过小，无法实现磨削加工，珩磨方式无论是加工的精度还是效率，均无法满足设计和生产交付进度，由于齿面渗碳后硬度达 HRC≥60，插齿方式刀具无法加工该硬度齿部，采用上述方式均无法解决该零件小外齿的加工工艺难题。

由于之前开展过高精度硬齿面数控铣齿的工艺试验，通过对该小齿轮精度的综合分析，决定采用高精度硬齿面数控铣齿的加工方式，通过应用小齿轮精确建模技术、高精度硬齿面铣削数控编程技术、刀具选型技术、数控加工仿真技术、工艺过程控制技术、参数优化技术，解决高精高硬小齿轮加工工艺难题。

1.2高精密硬齿面铣削加工设备

在加工该高精度硬齿面齿轮时，需要兼顾机床的通用性、加工成本、加工精度和加工效率几个方面，主轴最高转速必须达到10000r/min，满足高效加工要求，机床的定位和重复定位精度必须控制在0.003之内，系统能够快速响应和预读，加减速功能。

因此在选择机床时，必须选择满足上述机床，才能够满足要求。通过对车间现有设备调查，选择德马吉公司DMU80P五轴加工中心进行加工。

1.3高精度齿轮精确建模

高精度的齿轮模型是决定齿轮精度的先决条件。由于数控铣齿的加工精度受

零件材料、硬度、机床精度、编程精度、装夹找正精度、基准精度、刀具精度、刀具对刀精度、刀具磨损变化程度、机床运行温度变化精度、装夹刚性和让刀量、切削参数、测量误差等诸多因素综合影响，上述综合误差与齿部模型精度误差之和不能大于设计精度，因此，必须在建模时，保证齿轮具有足够高的精度（比设计要求的精度高2个等级以上），才能够在加工后最终满足设计图纸的要求。

为了提高建模精度，必须首先提高模型的精度等级，我们从UG软件的用户默认设置窗口→建模→常规→距离公差，将距离公差设置为0.0005，来提高齿部模型的加工精度。

应用UG齿轮建模模块，根据小齿轮各项参数，建立小齿的高精度模型。

1.4  数控加工工艺及刀路设计

由于在加工前，齿面已经进行粗插齿和渗碳热处理，并且受热处理变形和基

准偏差的综合影响，余量不均匀。余量不均匀会导致加工时让刀量产生差异，影响齿面加工精度。因此，在编制程序时，为了保证最终精加工时余量均匀，编程时将铣齿分为粗铣齿和精铣齿两个阶段，粗铣完成后，保证余量均匀，再进行精铣齿，这样不仅能够保证精铣齿时余量和切削抗力均匀，而且经过粗铣齿后，将齿面最难加工的表层去除，能够有效减小精铣刀具的磨损程度，提高

精铣齿刀具寿命和加工精度。

同时，铣齿刀路采用固定轮廓铣中的曲面加工方式，刀路采用往复式加工方式，减少进退刀次数，仅需一次进、退刀就可完成一侧齿面加工，不仅刀路简洁，而且能够极大减小刀路长度，提高加工效率。

2.加工仿真

在正式加工前，为了保证编制程序的正确性，避免加工时出现程序错误导致

撞刀、过切或欠切等问题导致零件超差报废，应用VERICUT仿真软件对数控加工过程进行了仿真验证。

3.加工操作

3.1夹具拼装

在五轴上数控铣齿时，需要将零件垫到足够的高度，才能够保证加工时不会与工作台产生干涉。由于该工序无夹具，采用拼装夹具的方式，将零件垫高。最初的拼装夹具无定心的心轴，直接将零件压在拼装垫块上，并且垫块长度较大，导致加工时需要频繁敲击零件，才能够保证与C轴回转中心重合，非常费时费力，并且无心轴的装夹方式也容易在加工过程中，零件产生轻微位移，影响零件加工精度和加工的安全稳定性，装夹刚性不足，为避免干涉刀具悬深达26mm，刀具装夹刚性一般，导致加工时让刀量较大，加工不稳定。

为了解决首次拼装夹具存在的上述问题，在拼装夹具上增加了心轴，并且重新对垫块进行拼装，减小垫块长度，这样仅需一次找正心轴中心即可，极大缩短了找正时间，提高了找正效率。同时，减小垫块长度使得刀具的悬长缩短，悬长仅14mm，极大提高零件和刀具的装夹刚性，提高加工过程的安全性和工艺过程的稳定性，减小了让刀量，从装夹方式上保证了齿部的高效、高精度加工。

3.2夹具装夹

夹具装夹前，清洁夹具端面和心轴配合表面，将夹具定位端面找正至0.005之内，然后将夹具心轴中心找正至与C轴回转中心重合，千分表跳动在0.005之内。

3.3零点设置

在选取工件加工零点时，为了避免引入五轴3+2定轴加工方式的零点变换误差，提高加工精度，在进行零点设置时，将齿轮回转中心轴线与五轴C轴回转中心重合，在编程进行分度加工各个齿时，直接采用转动C轴方式，而不是3+2指令格式，这样影响齿部精度的因素就只有C轴回转精度和三个线性轴的重复定位精度，解决了五轴3+2定轴分度加工方式引入变换公差的问题，提高了加工精度。

3.4角向找正

在加工前，必须将一个齿槽对准Y轴方向，这样就需要我们对小齿轮的角向进行找正。找正方法为将两个直径为φ5的滚棒分贝固定在两个齿槽内，两个滚棒之间间隔的齿槽数应为奇数，然后在X轴方向拉直两个滚棒，这样就能够保证齿的其中一个齿槽对准Y轴方向;

最初找正时，我们采用黄油固定两个滚棒，在固定的两个齿槽内存在大量黄油，非常难以清除。由于加工时采用干切削方式，加工时黄油粘附在刀具切削部位，切屑粘结在黄油上，切削时易导致切屑参与切削，划伤已加工工件表面，并且粘结的切屑与刀具刃带易产生挤压，造成刀具损坏。

为了解决黄油固定滚棒找正的问题，我们采用皮筋固定的方式，将皮筋固定在齿轮外圆，利用皮筋的弹性，固定滚棒。该固定滚棒方式不仅灵活高效，固定滚棒稳定性好，并且不会对齿部产生污染，巧妙的解决了黄油固定滚棒找正角向的诸多问题

3.5加工刀具及参数选择

由于该齿轮材料为合金钢12CrNi3A，并且齿面硬度达HRC≥60，必须选择适合加工高硬度材料刀具，该刀具必须具有高耐磨性，优良的高硬切削性能，高制造精度，才能够满足高精度硬齿面加工要求。

通过对国际各大知名刀具品牌的试用，最终德国SCHNELL纳米涂层刀具远超其他竞争对手，完全满足高硬、高精度保持架窗口铣削加工要求，从而最终确立了该品牌刀具在高硬、高精材料加工的不可替代的地位。因此在加工该零件时，我们直接选择该品牌刀具。该齿轮齿根圆弧为R1±0.2，结合车间现有刀具情况，选择SCHNELL公司目前加工保持架的φ2球头铣刀进行加工。

加工高硬度的纳米涂层刀具要求在加工时，采用高转速、高进给、小切深的加工方式，切削方式为干式切削，冷却方式采用风冷，才能够最大的发挥该刀具的切削性能。

通过在现场对参数进行优化，确定如下切削参数：

主轴转速：10000r/min

进给速度：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）

冷却方式：风冷

3.6 加工结果

现场加工完成后，在齿轮测量机上对齿轮各项参数进行测量，无论是尺寸精度、形位精度还是粗糙度，都達到了设计图纸要求，实现了高精度硬齿面的铣削加工。

4.结束语

通过开展上述技术研究工作，并通过实际加工验证，加工的齿轮精度完全满足设计图纸要求，实现了高精度高硬度齿面的精密铣削加工，为齿轮加工提供了更为解决方案。

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作者简介：王作鹏（1977.03-），男，汉族，黑龙江省哈尔滨市，大学本科学历，职称：高级工程师，中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，研究方向：机械加工

叶君（1988.05--），男，汉族，黑龙江省哈尔滨市，大学本科学历，职称：工程师，中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，研究方向：机械加工制造