汽车齿轮珩齿加工缺陷的工艺改进新方法

冯春亮

（青岛胶东临空经济示范区管委会，胶州 266300）

在汽车、机械与航天等多个领域中，许多用于生产制造的机械设备均包含齿轮轴这一部件。在一些小规模生产企业中，因为所用的机械设备较为分散，生产力较低，在齿轮珩齿加工中常常存在工艺缺陷，所以需要根据设计要求对加工工艺进行改进创新，以此来提高珩齿加工质量，避免出现预检不合格、珩磨轮打齿等情况，促进提升整体加工水平，取得理想的工艺应用成效。

1 汽车珩齿加工技术原理

在汽车制造业中，强力珩齿的应用较为广泛，以德国大众的MQ 与DQ 系列变速器为例，其高速档位多采用珩齿与磨齿相互啮合的方式传动。变速器是动力汽车中的主要部件之一，其传动性能对整车运动效果具有直接影响，若变速器传动性能良好，且变速器整体具有噪声效应低、可承载冲击力强、传动速度快等特点，则需要使用精度较高的齿轮。现阶段，多采用强力珩齿、蜗杆砂轮磨齿工艺来提高传动性能。但因为个别齿轮结构复杂，且蜗杆砂轮在经济性方面存在劣势，所以强力珩齿工艺的应用频率较高。其加工技术原理主要为交错轴齿轮内啮合，加工时，珩磨轮安装在外侧，设置在机床珩磨头的位置，被加工对象安装在内侧，设置在主轴上，珩磨轮中心与工件中心预留一定角度，即轴交角，如图1 所示。由图1可知，轴交角为β1与β2之和，其中β1与β2分别为工件和珩磨轮的螺旋角。零件齿轮与砂轮不但具有径向切削力，且刀具砂轮还可顺着轴向方向循环直线运动，使轴向与径向切削互相配合，从而构成错综复杂的交错网纹面，使齿轮啮合更加稳定，并延长该部件的使用寿命[1]。

图1 强力珩齿技术原理图

2 汽车齿轮珩齿加工缺陷成因与处理方式

2.1 预检不合格

预检对待加工工件精度的要求较高，但是在工件加工期间难免有一些杂质附着在表面，有时还会粘在检测轮上，此时可利用高压风枪进行清理；若检测轮磨损严重，同样会影响预检结果，此时可通过更换检测轮的方式解决。另外，由于前几道工序的偏差累积，而导致部分待加工工件自身质量较差，也会导致预检不合格，针对这种情况，可根据跨棒距尺寸、预检跳动值等判断这一工件能否使用，若径向跳动值超过设定标准，或者临近下限，则应报废；反之则可在对其进行加工改进后，继续投入使用。针对待加工件齿厚较薄的情况，此类工件很容易产生废品，基本没有加工意义，可直接报废处理。若工件齿厚较厚，加工时珩磨齿顶位置可能与齿根处相互干扰，从而使珩轮打齿风险提升，因此也需要报废处理。

2.2 珩磨轮打齿

珩磨轮材质较为脆弱，在加工期间很容易出现打齿情况，且以整圈打齿为主，主要原因如下。一方面，滚刀设计不够合理，滚齿在珩齿之前开展，此时若滚齿加工的产品与珩齿加工不匹配，如凸角设计偏小等，珩齿工件的渐开线根部便会产生较大的台阶，从而导致珩磨轮打齿。对此，应在滚刀图纸设计阶段进行优化，如适当放大滚刀凸角等。另一方面，砂轮参数设置不准确，在珩磨轮修正期间，若修正后齿长过长，在加工中齿顶势必会与产品根部发生接触，从而引发打齿。对此，可调整齿面参数，适当减少修正工具中“齿长修正”的数值即可。

3 汽车珩齿加工工艺与缺陷改进的实例分析

3.1 工艺特点

以MQ200 与MQ250 两种类型的变速器齿轮为例，二者的加工形式基本相同，以滚齿倒棱、珩齿加工为主，但在具体加工工艺上有所区别。例如：MQ200使用滚齿倒棱一体技术，通过粗滚—倒棱—精滚的方式，有效剔除了倒棱在齿面上的高点，从而提高加工效率；MQ250 采用热处理前焊接工艺，将齿轮、齿座与齿环相结合，构成整个换挡齿轮。MQ250 所采用的工艺优势在于成本较低，缺陷在于结合齿环没有后续加工，在热处理后容易出现变形。珩齿工艺的特点在于增加一项“硬车加工”环节，即在热处理完毕后，对配合面进行车削加工，从而使精度满足要求，这种方式的优势在于齿环不会在热处理作用下发生变形，可使齿座与齿环充分配合，不足在于使用该工序会使投入成本增加[2]。

3.2 缺陷问题

在汽车齿轮精加工领域，珩齿加工属于关键环节之一，它对珩前零件净尺寸具有严格要求。因此，在正式加工之前，需要采用预检系统对零件齿轮、预检轮进行双向滚动测试，依靠中心距离预测偏心径跳、高点等是否位于合理范围。在大批量生产期间，与磨齿相比，珩齿加工缺陷的发生率更高，如预检不合格、砂轮打齿等等，具体成因如下。

3.2.1 预检不合格

导致该问题的原因主要是齿面存在高点，经过热处理后发生变形，从而使径跳增加，加工余量过多或者不足。主要表现为MQ200 与MQ250 的不合格率分别为0.2%与30%。

3.2.2 砂轮打刀

导致该问题的原因主要是在加工期间切削力度过大、设备精度较低、刀具存在质量问题等。主要表现为砂轮异常受损[3]。

3.2.3 齿面黑皮

导致该问题的原因主要是加工余量较少、设备精度较低、热处理后变形不够均匀。该问题导致的缺陷比例近似为0.1%。

3.2.4 尺寸不符合标准

导致该问题的原因主要是设备精度较低、刀具存在质量缺陷、热处理后变形不够均匀。该问题导致的缺陷比例近似0.1%。

3.3 改进方法

根据上文可知，MQ250 变速器的主要不足在于预检不合格，缺陷不合格率在30%左右，主要成因在于齿面存在毛刺高点，从而导致在挤压倒棱中难免在端面、齿面等处形成高点，如图2 所示。对于端面上的高点，可采用毛刺刀将其剔除，但齿面上的高点仍然很难去除。一般在生产大批量产品时，针对预检不合格情况，需要采取返修方式处理；针对较为严重的高点，可由技术人员手动去除；对于不严重的高点，可适当增加预检范围，使不合格的零件也能够达到预检标准，但此举很可能出现珩齿砂轮打刀情况。对此，本文提出两种改进方案，有效消除了该工艺存在的弊端[4]。

图2 挤压倒棱示意图

3.3.1 方案一

针对预检不合格的情况，可优化标准工艺，在滚齿与倒棱的基础上，利用剃齿机去掉齿面上的高点，再经过热处理后珩齿。此举并不能彻底实现剃齿加工的目标，只是在表面用剃齿设备缓慢地将齿面两侧的倒棱毛刺去除。滚齿倒棱后将零件送检，根据检测报告可知，齿轮两侧面均带有毛刺高点，且毛刺较为显著，高度在0.02 mm 左右；剃齿设备辅助去除高点后进行送检，根据检测报告可知，齿面两侧的毛刺高点被彻底消除。前者未能顺利通过预检，在预检设备中发出报警，并在检测界面弹出“齿面高点”的提示；而后者顺利通过预检，这意味着剃齿设备的应用可充分发挥辅助作用，充分剔除毛刺高点。在使用这种操作工艺后，MQ250 变速器的缺陷比例下降到了1%，预检问题得到了妥善解决[5]。

3.3.2 方案二

此方案是优化珩前毛坯质量与加工余量，由此降低加工缺陷比例，具体措施如下：在热处理之前实施剃齿工艺粗加工齿面，再利用滚齿倒棱、热处理、珩齿加工。虽然剃齿与珩齿均属于精加工，实际操作时选择其中一种即可，但在珩齿之前实施剃齿可使粗加工效率更高，从而有效避免产生珩齿缺陷，具体操作如下。一方面，优化珩齿余量。先利用剃齿工艺粗加工齿面，再对零件进行两次精加工，并重新划分加工余量，使珩齿余量与常规值相比单侧降低0.02～0.04 mm，剃齿余量与常规值相比单侧降低0.02～0.05 mm。根据大量生产实践可知，针对砂轮打刀问题可通过减少加工余量的方式解决，珩齿打刀不但会造成设备故障，还会降低生产设备的运行效率，进而减少生产量，若未能及时处理，还会增加刀具与维修方面的成本投入。通过减少珩齿余量的方式，可使生产节拍提高3 s，从而使生产效率与产量得到极大提升。另一方面，优化齿轮参数。针对齿形角、鼓形量、齿向角偏差等，可通过热处理变形进行校正，这种方式对珩前毛坯质量也将产生一定影响，若变形过度，便会影响加工期间的切削力与预检结果，从而使零件齿面形状发生改变；若齿形角的偏差过度，还可能使零件黑皮，从而导致装配后变速器会产生啮合噪声，但由于滚齿预修行能力较弱，只能使齿向角朝着偏差相同的方向调整[6]。

3.3.3 两种方案对比

针对上述两种应用方案，通过质量、效率与成本等方面的对比，可为汽车企业的生产工作提供参考依据。对于方案一来说，可妥善解决齿面倒棱高点、珩齿砂轮异常磨损、零件测量缺陷以及珩齿黑皮等问题，并降低打刀频率，且珩齿效率不会受到过多影响，采用旧剃齿设备便可实现，刀具成本为每台0.2 元；对于方案二来说，珩齿余量可降低0.02～0.04 mm，在修正余量与热变形后，每年可使打刀砂轮数量降低0～5 片，并且避免了珩齿黑皮情况，生产节拍可提高3 s，每年处理打刀故障停台的时间可缩短为1 200 min，成本每台只增加2.1 元，若剃齿刀磨床中的零件能够共用，则成本可进一步降低。从整体来看，方案二在质量、效率与成本方面更具优势，值得投入到实际生产之中。

4 结语

综上所述，珩齿是汽车齿轮精加工方面的关键工序之一。为提高加工质量与效率，本文提出两种改进方式，一种是在热处理前利用剃齿设备辅助去除高点，另一种是用剃齿设备粗加工珩前毛坯齿面，两种方式均可解决预检不合格及砂轮打刀等问题。根据应用结果可知，方案二在成本、质量与效率方面更具优势，企业可根据实际情况酌情调整，使生产效率达到最大化。