高精度硬齒面齒輪的加工工藝現狀分析
2017-7-10 來源： 西門子機械傳動（天津）有限公司 作者：李國明
引言
齒輪傳動，作為一種高效的動力傳輸方式，被廣泛應用于各行業。隨著加工工藝的日趨更新，軟齒面齒輪已經被逐漸的淘汰，取而代之的是滲碳淬火硬齒面齒輪。它在更小的體積內，實現了更大的扭矩傳遞，并且在齒部的彎曲強度和接觸強度上，得到很大的提高。硬齒面齒輪傳動因其較高的承載能力和更長的使用壽命被各行業所認可。
硬齒面齒輪是指硬度在 HRC40 以上的齒輪，通常都需要熱處理進行淬火或者滲碳淬火，在熱處理之后，由于熱處理會使工件產生變形，其熱前加工的精度會普遍降低 1-2 級，所以熱后需要進行精加工。這樣較高精度的硬齒面齒輪較普遍的加工方式為先進行滾齒，然后進行滲碳淬火，最后再進行齒面磨削，這樣的工藝可以使整個齒面得到相同的組織以及滲碳層深度，齒面最終硬度可以達到HRC58-HRC62，并且獲得很高的齒面幾何精度及表面光潔度。這也是現在行業內的主導工藝，其核心工序為滾齒和磨齒。
1 、熱前滾齒
由于成本原因，較小模數工件用整體滾刀加工，材質一般為帶涂層的高速鋼或者粉末冶金，頭數為 1-3，在刀具使用竄刀完畢后，需要進行修磨，并返回專業的廠家重新進行涂層，整體硬質合金的滾刀因為性價比較低，使用較少；較大模數的齒輪由于滾刀體太大，成本太高，一般都設計為鑲刀片滾刀，這樣的滾刀需要定期檢查每一個刀片的磨損程度，并將已磨損或崩刃的刀片換掉；對于特大模數齒輪（一般為 M>22），一般都用齒輪銑刀加工。
滾齒作為粗加工工序，國內的生產廠家如南京第二機床廠，秦川機床廠的滾齒機都可以達到 7-8 級的加工精度。歐洲知名的滾齒機生產廠家如 Pfauter、Liebherr 等，其機床的滾齒精度可以達到 6-7級，并且在加工穩定性及壽命方面有較大優勢。隨著機械行業自動化程度的提高，自動上下料傳送帶以及多工位上下料系統也被應用于滾齒工序，配合高精度的自動漲緊夾具。使機床更換工件的時間將至最低，實現了加工-去毛刺-倒角同時進行。更大的增加了機床的使用效率。
2 、熱后磨齒
磨齒是獲得齒面高精度的最有效和最可靠的方法，將滾齒余量及其變形量磨掉。為了使齒輪在負載狀態下受力及嚙合更加合理，齒輪會在標準漸開線齒形和齒向上做一定的修正。CNC 磨齒機通過預設的參數，將齒部形狀磨削為要求的幾何精度。并且通過選擇匹配的砂輪及修整參數，磨削達到最終的粗糙度要求，行業內普遍的要求為 Ra0.8，也有一些特殊應用，如風力發電齒輪箱等，需要達到Ra0.6 甚至更高。其加工方法分為展成磨和成型磨。
（1）展成磨
為展成法加工，與滾齒原理相似。瑞士 Reishauer 公司最先發明并將其應用，磨削過程中，由于砂輪與被磨削的齒部連續嚙合，從而展成齒部的漸開線形狀，并且在磨削過程中無中斷，所以其加工效率很高。實際加工中，由于砂輪尺寸原因，展成磨適用于加工較小模數齒輪（一般為 M<=12）。
磨削過程中，可使用氧化鋁材質的砂輪，需要根據設定好的磨損壽命長度及串刀方式加工，較為優化的串刀方式為，粗磨過程中對角線竄刀，即在磨削過程中竄刀，以砂輪的不斷更新來達到最高的材料去除效率；在精磨過程中為步進竄刀，用砂輪的同一位置磨削以達到齒面質量的穩定性。對單一品種齒輪的大批量生產，也可以使用高精度 CBN 蝸桿砂輪，可以更大的提高磨削效率，但是成本相應較高。
展成磨對機床的精度及穩定性有較高的要求，目前知名的機床公司有瑞士的 Reishauer，德國的 Liebherr，加工齒輪精度可以達到4-5 級甚至更高，國內較為領先的廠家為秦川機床廠，加工精度可以達到 5-6 級。并且這些機床都具備了配套自動上下料系統的能力，并廣泛應用于汽車制造行業和小型減速機制造行業，使硬齒面齒輪的精加工效率得到很大提升。
（2）成型磨
砂輪被金剛輪修整成與齒形相同的形狀，逐個齒進行磨削。這種生產方式較為柔性，在更換齒輪型號時，只需要將砂輪修整為與其對應的形狀即可。整個修整與加工過程由預設的 CNC 軸進行控制。這項加工技術在國際上比較領先的公司有 Gleason、Hoefler 等，其生產的成型磨機床加工精度可以達到 3 級，而且由于整個齒面的形狀是由成型的砂輪一次連續磨削而成，所以整個齒面粗糙度可以達到 Ra0.4-Ra0.8。
在實際生產過程中，太高的表面質量要求，以及高的磨削進給量，都會產生更高的燒傷風險。不同的企業也都采取更為精細化的磨削參數進行加工，來保持成本優勢。隨著科技的進步，一些新的工藝也正在出現來滿足市場需求，比如在成型模后進行超精磨，這樣工件的表面光潔度可以達到 Ra0.2；或者用雙磨頭加工，其中一個磨頭用于粗磨，另一個磨頭安裝特殊的砂輪用于精磨，來達到效率和質量的雙贏。
3 、技術方向
對于高精度硬齒面齒輪的加工，主要技術方向為：（1）滾刀材質和涂層技術，可提高滾齒的效率和機床利用率。（2）砂輪技術，隨著微控制技術的進步，砂輪的磨料排列方式及形狀將更為可控，更為優化的砂輪將實現更高的磨削效率與更高的工件質量。（3）加工智能化，機床在自動抓取工件的基礎上，對工件進行辨認和識別，對有質量問題的工件進行預先判定。（4）綠色加工，機床的能源利用效率將會更高；油氣分離技術將降低機床對空氣的污染；新的干切技術，也會大量降低油品的使用量，使加工過程更為環保。
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