圆柱齿轮加工工艺过程的分析与优化

1、庄冠军:圆柱齿轮加工工艺过程的分析与优化 145 圆柱齿轮加工工艺过程的分析与优化庄冠军(成都博德钻采设备制造有限公司,四川 成都 610207圆柱齿轮是最常用的传动零件之一。它广泛应用于各种传动机构中,其精度等级、性能要求、结构形状、材质坯料及生产批量也各不相同,因此,在制定加工工艺过程时应该根据具体加工齿轮的不同特点而采用不同的工艺方案,并在多种方案的比较中,优选出最佳工艺方案,才能达到保证质量,降低成本,高效生产的目的。1 圆柱齿轮的主要要素1.1 圆柱齿轮的主要齿轮参数圆柱齿轮的齿轮参数包括齿数、模数、压力角、螺旋角及方向、齿高、齿宽等。1.2 圆柱齿轮的主要加工面圆柱齿轮的主要加工面

2、有齿面和齿轮的基准面。1.3 圆柱齿轮的材质和坯料圆柱齿轮的材质取决于齿轮精度要求和性能要求。一般低转速,低载荷,低精度的齿轮材料有20#钢、45#钢等碳素结构钢。高转速、高载荷、高精度的齿轮常用合金结构钢,如20Cr、40Cr、38CrMoAl、20CrMnTi、20CrMnTiH等。齿轮的毛坯取决于齿轮的材料、结构尺寸、性能要求及生产批量等因素,常用的有棒料、坯、铸钢或铸铁坯等。2 圆柱齿轮的主要技术要求2.1 齿轮精度等级和齿侧间隙GBl0095渐开线圆柱齿轮精度标准,对齿轮及齿轮副规定了12个精度等级。在检验齿轮时,按照齿轮各项误差的特性及它们对传动性能的主要影响,将齿轮的各项公差和极

3、限偏差分为三个公差组。齿轮副的侧隙是指齿轮副啮合时,两非工作齿面沿法线方向的距离(即法向侧隙。齿轮副的侧隙由齿轮副的工作条件决定,而与齿轮副的精度等级无关,其数值大小的确定原则是齿轮系统发热变形时不至于卡死,同时齿轮换向时不能有太大的空行程。齿轮副的侧隙通过选择适当的齿厚极限偏差,或公法线平均长度偏差以及中心距偏差来控制和保证。2.2 齿轮齿坯基准面的精度齿坯基准面的尺寸误差和形状位置误差直接影响齿轮的加工精度。因此GBl0095附录中对齿坯公差作了相应规定。2.3 表面粗糙度齿轮齿面及齿坯基准面的粗糙度,对齿轮的寿命、传动中的噪声有一定的影响。2.4 齿轮的机械性能要求齿轮的机械性能要求取决

4、于齿轮的工况条件、载荷强度、材料等。它须通过热处理工艺来保证。3 圆柱齿轮加工的主要工艺问题3.1 定位基准面的精度与选择3.1.1 定位基准面的精度定位基准面的精度直接影响齿形加工精度,因此,必须保证基准面的尺寸误差、形位误差和表面粗糙度达到相应的精度等级。3.1.2 定位基准面的选择在加工过程中各工序加工基准面的选择应符合基准重合原则,尽可能与装配基准、测量基准一致,同时在齿轮加工的整个过程中(如滚齿、剃齿、珩齿、磨齿等应选用同一定位基准,尽量少转换基准,保持基准统一。对带孔齿轮在齿面加工时常采用以下两种定位夹紧方式:(1以内孔和端面定位;(2以外圆和端面定位;(3使用专用心轴。3.2 齿

5、轮齿面加工工艺及选择齿轮齿面的质量精度对齿轮的传动质量起着决定性作用。常用有如下几种加工工艺:3.2.1 滚齿或插齿工艺。滚齿和插齿工艺是将齿轮从齿坯实体状态加工出齿形的基本工艺手段,它可以用于中低精度等级齿轮的齿面精加工,也可以与其它齿面精加工工艺组合,作为齿面的粗加工。3.2.2 剃齿工艺。剃齿加工是利用一对交错斜轴齿轮啮合时齿面产生相对滑移的原理,使用专门的剃齿刀从被加工齿轮的齿面上2013年 第3期 化学工程与装备2013年3月 Chemical Engineering & Equipment 145146 庄冠军:圆柱齿轮加工工艺过程的分析与优化剃去一层很薄金属的精加工方法。

6、3.2.3 珩齿工艺。珩齿的原理与剃齿加工一样,都是应用交错轴斜齿轮啮合原理进行加工的,所不同的是以珩磨轮代替了剃齿刀。剃齿是在齿轮热处理前加工,珩齿是在齿轮热处理后加工。3.2.4 磨齿工艺。磨齿加工是通过磨齿机上的砂轮按展成法或成形法磨削齿轮的齿面。3.3 齿轮的热处理工艺及选择齿轮热处理质量的好坏直接决定了齿轮的强度和寿命,根据齿轮的材料和性能要求,常用的齿轮的热处理工艺有如下几种:3.3.1 正火和调质。正火和调质都是对齿轮齿坯的一种预热处理工艺。调质处理一般应用于强度要求不太高的齿轮,材料一般采用中碳钢。其作用主要时细化齿轮内部晶体组织,增加齿轮的强度和韧性。3.3.2 表面淬火。表

7、面淬火是将轮齿齿面表层淬透到一定的深度,而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火采用的快速加热方法有多种,如电感应、火焰、电接触、激光等,齿轮一般采用的是中频或高频的电感应加热法。3.3.3 渗碳淬火。渗碳是对金属表面处理的一种工艺,是将碳原子渗入到轮齿齿面的过程。圆柱齿轮的热处理工艺还有氮化、火焰淬火、碳氮共渗、压模淬火等,因为应用较少,不一一叙述。4 圆柱齿轮加工的工艺过程圆柱齿轮加工过程主要有四个阶段:(1坯料准备阶段对强度要求高的齿轮应采用锻造毛坯。锻造毛坯具有以下优点。(2齿坯加工阶段齿轮在齿坯加工阶段的主要任务是加工出齿轮的外形,并为后面的加工工序作准备。(3齿形加工阶

8、段齿轮的齿形加工根据齿轮的质量要求和热处理方式可以分为(热前软齿面加工和(热后硬齿面加工。(4最终热处理加工阶段齿轮的最终热处理加工是指将齿轮的齿形加工出来以后对齿轮进行的热处理加工。它是使齿轮的整体强度质量达到设计要求的最终加工手段。常用的最终热处理加工工艺是轮齿表面淬火和渗碳淬火。表面淬火因为是局部加热,所以变形较小。渗碳淬火因为是整体加热,且加热的时间长,温度高,所以变形大。(5热后精加工阶段热后精加工阶段主要有三部分工作: 齿轮齿面的精加工,如珩齿、磨齿等; 齿轮基准面的精加工,包括齿面精加工和齿轮装配需要的安装基面; 齿轮其他配合面的精加工。(6圆柱齿轮加工工艺路线的制定一个齿轮零件

9、的加工,从毛坯到完工需要使用很多台设备,经过很多道工序,这些工序之间相互联系,又相互影响,因此,应当根据具体零件的结构形状、质量技术要求、生产批量、现有设备条件等因素,综合全面考虑,优化选择适当的加工工艺,制定出能满足质量要求、经济高效的合理的加工。5 圆柱齿轮加工工艺实例下图是一种5吨装载机行星减速器中的行星齿轮图纸,批量生产规模。它采用低碳合金结构钢,7级精度,要求很高的表面硬度和芯部强度,因此属于中等精度的载重齿轮。5.1 制定加工工艺路线毛坯锻造(正火齿坯粗加工二次正火齿坯半精加工滚齿齿端倒棱剃齿钳工去毛刺热前检验渗碳淬火齿轮各基面配合面精加工绗齿完工检验油封包装。对上述工艺路线的解析

10、如下:(1该齿轮属于载重齿轮,对强度有较高要求,因此选用毛坯锻造,同时最终热处理采用渗碳淬火工艺,保证齿轮的表面硬度和芯部硬度要求。(2该零件的孔比较小,不易被锻造出来,因此齿坯的车加工余量大,增加“二次正火”工序以消除粗加工应力,减小最终热处理的变形。(3该齿轮主要是对强度有较高要求,精度要求为中等,因此,齿形加工采用滚齿+剃齿的组合,在剃齿工序将齿形精度提高一级,要求达到6级。(4将“齿端倒棱”工序放在剃齿工序之前,剃齿时可以将倒棱产生的齿端毛刺去掉。(5将基准面定为孔和一个端面(在齿坯半精加工工序将此端面作上标记,在所有工序中都以此面定位,保证加工基准与装配基准一致。(6在热后对齿轮各基

11、面及配合面精加工时,应先以齿轮节圆定位精加工孔,再以此孔定位精加工端面和其他配合面,以保证它们之间的形位误差要求。庄冠军:圆柱齿轮加工工艺过程的分析与优化 147 5.2 制定加工工艺过程(见表1表1工序号 工序明称 定位基面技术要求1 锻坯 正火,去飞边。2 粗车 孔 各表面留余量1.5mm。3 二次正火正火硬度HB156217。4 半精车 孔;一端面 先一次装夹加工基面,并做标记,公差为IT7。再以基面定位加工其余各面。孔留磨量0.3mm,端面留磨量0.1mm。5 滚齿 孔;一端面 齿面留余量0.1mm。6 齿端倒棱 孔;一端面 齿端倒圆7剃齿孔;一端面、公法线长度:31.97 、精度要求6级。 、表面粗糙度Ra1.6。 8 钳工去毛刺9 热前检验 按工艺检验卡要求。 10 渗碳淬火按热处理工艺要求。 11 磨孔 齿轮节圆达图。 12 磨其他各面孔达图。 13 珩齿 孔;一端面达图14 完工检验按图纸。5.3 绘制齿轮机械加工工序卡按照表1,将每一