关于高精度硬齿面齿轮制造技术的发展

关于高精度硬齿面齿轮制造技术的发展

王侠清

（陕西长空齿轮有限责任公司，陕西省汉中市723102）

摘要：许工业加工期间，机械设备平稳运行以及传输工作，都密切的相关于齿轮的应用。为了充分保障机械设备安全可靠性的、高效率的运行，就要重视以及加强齿轮加工工艺技术的改进以及增强。伴随经济的发展，当前工业领域也在不断的获得进步，所以对于硬齿面齿轮加工工艺也逐渐的提出了高要求标准。本文对于在减速机中应用硬齿面齿轮加工工艺进行分析，对于关键性的技术进行探究。

关键词：硬齿面；齿轮加工；工艺技术

硬齿面齿轮加工制造工艺一般主要分成两种：一是以齿轮、剃齿、热处理为主，我们通常将其称为剃齿工艺。另一种则是以滚齿、磨齿和热处理为主，我们通常称之为磨齿工艺。通过将两种方式进行对比，我们发现，磨齿工艺加工设备相对来讲投入比较大，不仅是因为磨齿的价格比较昂贵，同时也是因为磨齿机床的结构和工艺相对比较复杂，生产的效率不理想，因此我们要对其预留出相应的磨削余量以便磨齿磨削加工的时候进行使用，这种方式加大了能源和材料的消耗，不建议使用在大批量、低成本同时对质量要求较高的齿轮制造需求中。剃齿工艺具备加工过程灵活、生产效率高，同时机械化自动程度高等优势，因此在在实际进行加工的过程中我们也经常对这项工艺进行使用。但是在齿轮经过热处理以后淬火形成了硬齿面，因此将产生变形的情况，使得齿轮的整体精度大大地下降，通常会下降1到2级左右，另一方面，在剃齿的过程中也极易产生凹凸的想象。通过实际的应用和时间证明，采用剃齿工艺的方法对高级齿轮进行制造，关键在对热处理问题进行解决，防止其精度降低情况的产生和出现，并且也要有效的将剃齿过程中产生凹凸齿形的难题进行合理的解决，保证工艺制造业的有效发展和进步。

1.硬齿面齿轮概念

硬齿面齿轮概念相对于软齿面而言，具有较好的机械性能，寿命更长，适用范围更广。随着机械学的不断发展，硬齿面齿轮的设计制造技术开始在设计领域与加工领域更加广泛，通过一定的热处理方式与材质使用不断提高齿轮的齿面硬度，不断降低齿轮的使用尺寸。[1]从经济角度上来讲，硬齿面齿轮的价格相对于软齿面齿轮降低了20%左右，安全系数保持不变或提高10%，具有良好的经济效益。

2.硬齿面齿轮结构型式

目前市场上出现的硬齿轮主要有几种类型，分别为锻造齿轮、镶圈组合式齿轮与焊接齿轮三种主要的形式。整体锻造齿轮发展较早，但它的应用范围相对窄一些，尺寸较大，适用在一些机械性能要求不高的场合，而且它的设计成本与制造成本并不低。目前较良好的结构型式为焊接、镶圈组合结构。焊接硬面齿轮主要由三部分组成，齿圈是其中的重要部分，多是采用渗碳合金钢，而其他的幅板与轮毂分别采用调质钢与高质量的碳素钢形式。焊接硬齿面齿轮的重量相对锻造齿轮更轻，需要的支承结构更简洁，同时它的制造成本与设计成本都有所降低，得到了更多机械工程企业的认可。[2]但焊接硬齿面齿轮在大部分生产加工过程中，却体现出了一些不足，主要在焊接工艺与热处理方面存在着一些不足，从而导致齿轮在加工后发生一些变形问题，无法更进一步加工处理，从而对整体的齿轮结构造成了严重影响，通过应力不均，导致使用寿命大大降低，甚至直接不能使用。

镶圈组合齿轮主要有两部分组成，外齿圈多采用渗碳合金钢的材质，轮心材料主要由铸铁、铸钢与碳钢组成，二者通过盈联结式结构进行组合，结构更加紧凑，成本也更加降低。同时镶圈组合齿轮也有其特定的缺点，它的结构相对紧凑，造成了密度大，重量更大，在运输过程中与安装过程中需要特定的设备辅助，从而增加难度，在其他机械结构承载负荷不够的场合中，使用效率大大降低。[3]

3.硬齿面齿轮加工技术

3.1滚齿加工

滚齿是一种高效的应用广泛的齿廓加工方法，是依照交错轴斜齿轮啮合原理进行加工的，过去主要用于软齿面加工。目前，通过提高滚齿机刚性，采用高性能高速钢、硬质合金和先进的刀具涂层技术，硬齿面滚齿工艺已广泛用于模数为2～40、齿面硬度为HRC40―64的硬齿面圆柱齿轮的半精滚和精滚加工，可作为磨前预加工，可以去掉淬火变形量，缩短磨齿工时，降低磨齿加工成本，且无磨削烧伤或裂纹，还可硬化齿面，提高齿轮的疲劳强度。国外硬齿面滚齿精度可达6级，国内可达7～8级，硬齿面滚齿表面粗糙度可达Ra0.63～1.25μm甚至更低。滚齿的缺点是不能切制内齿轮及多联齿轮。硬齿面滚齿齿形修正靠修正刀具来完成。齿向修形靠滚齿机数控系统控制工件或刀具两坐标联动实现圆弧插补。

3.2剃齿加工

剃齿是一种齿轮精加工方法,可以加工直齿或斜齿轮，采用剃齿刀加工出的齿轮质量较好。一般可达到5～7级精度,而且剃齿刀的耐用度和生产效率都比较高。普通剃齿法加工时接触压力大，一般只适用于软齿面的精加工，不能用于硬齿面加工。近几年推出了一种硬齿面剃齿法.是德国Hurth公司20世纪80年代初研究开发的齿轮精加工方法.是利用精密齿轮状基体涂镀金刚石的刀具与热处理后的齿轮作高速啮合运动。它不同于普通剃齿是此时刀具与工件不是自由啮合，而是高速同步运动。此技术是复杂基体精密涂镀金刚石技术、数控高速同步技术、剃磨机床技术的综合运用。加工中所产生的齿形中凹问题靠刀具修形来解决。这种方法主要用于硬度为HRC50左右的中硬齿面精加工，剃齿刀材料选用高性能高速钢进行表面化学处理。

3.3插齿加工

插齿也是广为采用的切齿方法，它用形状为齿轮或齿条的插齿刀具。它与被加工齿轮按一定的速度作啮合运动的同时刀具沿齿长方向作往复运动形成切削加工，特别适合于加工内齿轮和多联齿轮。硬齿面齿轮的精插削是指采用硬质合金插齿刀精加工热处理后、硬度为HRC45～64的硬齿面齿轮。硬齿面插齿刀的研制，国外起步较早，现已进入应用阶段。国内开始于20世纪80年代中期。例如我国内蒙古第一机械制造厂采用758刀片制造的压配式插齿刀（采用平前刀面）加工硬度HRC60的齿轮达到8级精度：成都工具研究所采用AA级硬质合金插齿刀加工HRC45-62的硬齿面齿轮，加工精度可达6～7级，Ra达0.4～0.8μm。硬齿面插齿加工具有下列优点：对于硬齿面的直齿外齿轮、内齿轮、双联（三联）或带台肩齿轮都能方便地进行加工；工艺过程简单、操作方便、效率高、成本低。

3.4合理选择中硬齿面齿轮用钢的材料及相关热处理工艺

要达到较高的机械性能，齿轮需要不断提高硬度与强度，合金元素如Cr、Mo、等都可以形成弥散碳化物，有效增强弥散强化效果，不但会提高齿轮的强度，同时也会增强塑性与韧性。[6]尤其是一些大型零件，为了避免在回火冷却慢后出现的高温回火脆性，需要选择Mo钢，它的淬透性较好。在调质处理时，不可一味对硬度进行关注，还需要对淬火与回火的温度参数进行关注，才能保持强度与韧性双重效果。淬火的淬硬性决定着齿轮的最终使用综合性能。在齿轮进行设计计算时，如果需要的弯曲应力大，就说明要求硬度高一些，此时便需要淬透性高的齿轮材料，成本相对会高一些，但使用效果可以得到最大保证。

参考文献

[1]雒晋峰，高宇.硬齿面齿轮加工工艺及其在减速机中的应用探析[J].科技创新与应用，2016，（32）：128.

[2]李国明.高精度硬齿面齿轮的加工工艺现状分析[J].科技创新与应用，2016，（23）：141.

[3]韦世明，韩亚娜.橡塑机械镶嵌式硬齿面齿轮机械加工工艺设计与分析[J].橡塑技术与装备，2016，（08）：47-50.