電火花線切割在淬硬齒輪加工中的應(yīng)用
2019-11-14 來源：山推工程機械股份有限公司 作者：權(quán)中華 翟展新 宮濤 李炎
在齒輪加工領(lǐng)域，齒輪齒形表面根據(jù)硬度可分為軟齒面、中硬齒面和硬齒面三種。其中軟齒面硬度在280HBW以內(nèi)，中硬齒面硬度在280～400HBW，硬齒面硬度在45～64HRC。
1、硬齒面齒輪的特點
提高齒輪齒面硬度，可以顯著提高齒輪的承載能力。當齒輪齒形的表面硬度提高至滲碳淬火硬度（硬齒面）時，與一般調(diào)質(zhì)齒輪（中硬齒面）相比，其傳遞的扭矩可提高三倍左右。在傳遞扭矩不變時，齒輪副的質(zhì)量可降低至原來的40%。提高齒輪齒面硬度，同時還可顯著提高齒面的耐磨性。
2、公司硬齒面齒輪制造現(xiàn)狀
推 土 機 是 一 種 低 速 重 載機械，其終傳動及中央傳動部件中的齒輪表面硬度多在58～62H R C，屬于硬齒面齒輪。傳統(tǒng)加工方式為磨齒，工藝效率低、成本高。20世紀80年代，我公司引進了大負前角整體硬質(zhì)合金焊接刮削滾刀，硬質(zhì)合金刀片焊接在高速鋼刀體上，采用硬齒滾面齒工藝代替磨齒工藝，提高了加工效率，降低了成本。
隨 著 推 土 機 產(chǎn) 品 的 升 級 換代，推土機終傳動結(jié)構(gòu)由原來的兩級外齒傳動改進為行星傳動，行星傳動內(nèi)齒圈的淬火后加工成為一個新的工藝難題。國內(nèi)外企業(yè)對于該類型齒輪大多在滲碳淬火后，不對齒面處理或采用磨削加工。在公司現(xiàn)有工藝能力下，無法進行淬硬內(nèi)齒圈齒面加工，而受制于熱處理水平因素，滲碳淬火后齒部變形，無法達到圖樣要求。
以公司某型號內(nèi)齒圈為例，模數(shù)9、齒數(shù)76、壓力角20°，圖樣要求精度國標8級，齒面粗糙度值Ra=3.2μ m，其材質(zhì)為低碳鋼，圖樣要求齒面硬度為58～6 2 H R C ，其現(xiàn)行加工工藝路線為：鍛造→正火→粗車→半精車→插齒→滲碳淬火→精車。
3、采用電火花線切割加工淬硬內(nèi)齒圈的工藝方案
電火花加工是在一定的液體介質(zhì)內(nèi)，利用脈沖放電對導(dǎo)電材料的電蝕現(xiàn)象來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達到預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法。其特點是加工過程不受工件硬度的影響。
電火花線切割加工是利用移動的細金屬絲作工具電極，按預(yù)定軌跡進行脈沖放電切割。按線電極移動速度的大小分為高速走絲和低速走絲線切割。
采用電火花線切割在淬火后對齒面進行加工，其加工工藝路線為鍛造→正火→粗車→半精車→插齒→滲碳淬火→精車→線切割，在線切割工序?qū)?nèi)齒圈齒部精加工。該工藝方案的難點主要在于線切割的工序余量，從以下3 方面對線切割工序余量進行確認：
（1） 硬 化 層 深 度 。 圖 樣對 齒 面 硬 化 層 深 度 要 求 為 2 ～3m m，齒根部硬化層深度為1.5～2.5m m。而在公司現(xiàn)有熱處理水平下，齒面硬化層深度最深可到（4±0.3）mm，齒根部最深可達（2.3±0.2）mm。為保證線切割過程中的切削連續(xù)性，齒面及齒根部應(yīng)被同時切割，以余量較小的齒根部余量來確定線切割工序余量，最大不應(yīng)超過0.6mm（齒面單邊），換算為跨棒距M值余量約3.1mm。
淬火后齒圈M值變化量
（2）熱處理變形量。為保證線切割能完全切出齒面，線切割工序余量應(yīng)大于熱處理變形量。從現(xiàn)場任取3件該齒圈，在淬火后對齒圈的M值分別進行測量，數(shù)據(jù)如附圖所示。
從測量數(shù)據(jù)可以看出，淬火后M值的最大縮量為0.61mm，最小縮量為0.28mm，淬火后齒圈M值自身最大變動量為0.6mm。為保證所有齒圈均能被完全切出齒面，以淬火后齒圈M值自身最大變動量為參考，在此基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗加0.6mm，將數(shù)據(jù)中的最小縮量0.28mm預(yù)留到淬火之前，綜合確定M值余量應(yīng)≥0.92mm。
（3）線切割用鉬絲直徑。為保證線切割時鉬絲可完全進入金屬內(nèi)部，齒面單邊余量不應(yīng)小于鉬絲直徑，公司現(xiàn)用的鉬絲直徑一般為0.18mm。由此確定的線切割工序余量，最小應(yīng)＞0.18mm（齒面單邊），換算為M值余量約為0.7mm。
根據(jù)以上3方面的數(shù)據(jù)分析，確定以M值評價的線切割最小余量為0.92mm。
利 用 電 火 花 線 切 割 對 該齒圈加工后，齒圈精度可達到國 標 7 級 ， 齒 面 粗 糙 度 值 可 達Ra=3.2μ m，精度超過了圖樣要求。
4、結(jié)語
該工藝方案實施后，淬硬內(nèi)齒圈齒面加工問題得到了解決。該方案尤其適用于新產(chǎn)品開發(fā)階段中的單件試制及小批量試制。在電火花線切割淬硬內(nèi)齒圈工藝方案成功實施后，我們將其推廣至硬齒面內(nèi)花鍵的加工上，同樣取得了成功。
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