20°压力角滚刀加工25°压力角齿形的工艺

□ 马建润 □ 石利军 □ 江 渊 □ 蒋习锋 □ 岳念举

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齿轮指轮缘上有齿,连续啮合传递运动和动力的机械元件,在机械传动及整个机械领域中应用极其广泛。现代齿轮技术模数已达到0.004～100 mm,直径为1 mm～150 m,最高圆周速度达300 m/s。当前,我国齿轮制造业与发达国家相比,还存在自主创新能力不足、新品开发慢、市场竞争无序、企业管理薄弱、信息化程度低、从业人员综合素质有待提高等问题。笔者针对20°压力角滚刀加工25°压力角齿形的问题,提出一种特殊加工工艺。

1 齿轮加工工艺现状

齿轮加工是利用机械方法获得齿轮特定结构和精度的加工工艺过程,齿轮齿部加工可以分为滚齿、插齿、剃齿、珩齿、磨齿、挤齿等。现阶段,对于精度要求不高的低速齿轮,可以采用热前滚齿或剃齿,热后不再加工的加工工艺。对于精度要求高的齿轮,可以采用热后珩齿和磨齿两种方式。珩齿成本低,但齿形修正能力弱。磨齿成本高,精度也高,并且可以采用沿齿高方向的齿顶修缘工艺和沿齿长方向的齿向修形工艺,能够显著降低齿轮啮合噪声,提高传动性能。

随着机械工业的快速发展,现阶段对齿轮精度的要求越来越高,尤其是风力发电、机车、冶金、煤炭、船舶等行业。对于精度要求高的齿轮,一般采用如下加工工艺:① 原材料锻件;② 预处理,包括正火+回火或调质处理;③ 半精加工,包括半精车、钻孔或攻孔等;④ 滚齿;⑤ 热处理,包括渗碳淬火、感应淬火或氮化处理等;⑥ 精加工,包括精车、磨加工等;⑦ 磨齿;⑧ 终检。对于以上加工工艺而言,滚齿加工属于齿部粗加工,齿面留有磨量,热处理、精加工后再磨齿加工齿面,最终形成成品齿形。热处理能够提高齿面硬度,热处理后齿面洛氏硬度(HRC)可以达到60以上,磨齿时很容易产生裂纹,因此磨齿时齿面磨削量一般在0.01 mm左右。如果磨削到齿根处,那么磨削量需要达到0.03 mm左右,同样磨齿磨削到齿根很容易产生裂纹。对此,滚齿时所用滚刀均为留磨滚刀,滚齿会在齿根形成挖根,这样磨齿时就不会磨到齿根。留磨滚刀齿形如图1所示,滚齿挖根如图2所示。

一般常用齿轮均为20°压力角齿形,所以一般的留磨滚刀也均为20°压力角留磨滚刀。如果突然要加工25°压力角齿形,就不适用20°压力角留磨滚刀,需要根据齿轮参数订制25°压力角留磨滚刀,周期长,并且非标滚刀价格昂贵,由此延长了加工周期,增加了制造成本。

2 新加工工艺

针对25°压力角齿形,提出采用以下加工工艺:

(1) 锻件,对原材料进行锻造处理,保证合理的锻造比,满足锻造要求;

(2) 预处理,对锻件进行正火+回火或调质处理;

(3) 半精加工,对预处理后的零件进行半精车、无损探伤、划线、钻孔等加工;

(4) 滚齿,采用20°压力角留磨滚刀或标准滚刀按滚齿加工工艺要求进行滚齿加工,并根据齿轮参数留相应齿面余量;

(5) 磨齿,在数控磨齿机上按20°压力角齿形参数进行磨齿机设置,留相应齿面余量进行磨齿加工,直至齿根圆到位,再按25°压力角齿形参数进行磨齿机设置,留相应齿面余量进行磨齿加工,齿根处不会磨到,齿根挖根保留;

(6) 热处理,齿部可以采用渗碳淬火、感应淬火或氮化处理等;

(7) 精加工,包括精车、划线、钻孔、磨外圆、加工键槽等;

(8) 磨齿,按成品图纸要求进行磨齿机设置,磨齿到成品,磨齿时不会磨到齿根,避免磨削裂纹的产生;

(9) 探伤,对齿轮齿部进行无损探伤检测;

(10) 终检,全面检测或验证各部位尺寸、精度,并做好记录。

以上加工工艺不需要订制滚刀,大大缩短了制造周期,降低了制造成本。

3 实例

若压力角为20°,则计算得公法线长度为93.197 mm,齿顶圆厚度为7.628 mm,齿顶圆齿槽宽为34.252 mm。

通过计算可知,压力角为25°和20°时,齿顶圆直径、分度圆直径、齿根圆直径、分度圆弦齿厚均相等。压力角为20°时的齿顶圆厚度大于压力角为25°时的齿顶圆厚度,差值为2.116 mm。压力角为20°时的齿顶圆齿槽宽小于压力角为25°时的齿顶圆齿槽宽,差值为2.115 mm。压力角为25°时,越接近齿根圆齿厚越大,最大约为2.1 mm。压力角为25°和20°时,公法线长度相差0.312 mm,若热处理前滚齿公法线留余量1.3 mm,则采用20°压力角留磨滚刀滚齿时,公法线长度为96.9 mm。按20°压力角齿形参数进行磨齿机设置,磨齿至公法线长度为95mm±0.05 mm,齿根圆到位。然后按25°压力角齿形参数进行磨齿机设置,磨齿至公法线长度为94.8 mm±0.05 mm,公法线长度留余量1.3 mm。渗碳淬火、精加工后,按成品图纸要求磨齿至成品。

4 结束语

采用所介绍的加工工艺,由20°压力角留磨滚刀加工25°压力角齿形,只利用现有设备,不订制专用非标滚刀,加工工序简单,可以节省费用和时间,缩短加工周期,降低制造成本。