磨齒加工齒面黑皮原因分析及對策

齒輪磨削加工是目前淬硬齒輪齒面精加工的主要方法，隨著汽車行業(yè)對齒輪傳動噪聲、傳動效率和使用壽命的要求越來越高，我公司磨削加工齒輪數(shù)量逐年攀升，年產(chǎn)10萬只以上。由于齒面黑皮產(chǎn)生的廢品率在5%～8%(見圖1)，因此分析零件齒面黑皮的原因十分必要，理由可總結為以下三點：首先，使我們能找準問題所在，從而及時調(diào)整，避免后續(xù)的廢品產(chǎn)生;其次，為現(xiàn)場廢品的責任劃分提供了依據(jù)，避免產(chǎn)生廢品后互相扯皮無法追蹤;最后，針對各種原因給出了對策，經(jīng)過現(xiàn)場批量驗證大幅降低了因齒面黑皮產(chǎn)生的廢品率。

齒坯齒形齒向精度對零件齒面黑皮的影響

磨齒齒坯一般為熱前滾齒加工，要求齒形齒向精度達到國標8級，現(xiàn)在多數(shù)數(shù)控滾齒機可達到此精度，因此滾齒齒形齒向精度超差導致齒面黑皮的發(fā)生概率較小。但由于滾齒加工齒部精度檢測頻次低，如果精度超差往往是批量出現(xiàn)，而且實際生產(chǎn)中也遇到過，所以仍然值得重視。

1.黑皮特征

(1)齒形傾斜誤差大，滾齒報告中fHα超出工藝要求，這類零件黑皮情況為每個齒的齒頂或齒根出現(xiàn)并沿著齒向方向延伸。

(2)齒向傾斜誤差大，滾齒報告中fHβ超出工藝要求，這類零件黑皮情況為每個齒的兩端出現(xiàn)沿著齒形方向延伸。

(3)齒形齒向形狀誤差大，滾齒報告中ffα超出工藝要求，這類零件黑皮情況為齒面鼓形最大區(qū)域出現(xiàn)分散的凹點。

2.對策

(1)嚴格按照滾齒工序作業(yè)指導書要求，檢查刀具里外的刀臺徑向跳動，其跳動里邊和外邊均不大于0.015?mm，且跳動方向一致。

(2)嚴格按照滾刀壽命管理要求及時更換新刀，若新刀加工的齒精度超差則及時聯(lián)系廠家返修。

(3)嚴格按照工藝要求的滾齒切削參數(shù)加工。

零件齒坯徑跳誤差及磨齒對刀誤差對齒面黑皮的影響

1.黑皮生成機理分析

在磨齒機運行正常且砂輪修整無異常情況下，齒輪磨削齒面黑皮主要是由零件相對機床各軸的偏心(中心不重合)引起的。為方便研究，我們將偏心分解為兩項：一是砂輪齒中心與零件齒槽中心不重合，即存在對刀誤差;二是零件中心與機床主軸中心不重合，即存在徑跳誤差。

根據(jù)齒輪磨削原理，零件繞自身中心旋轉，砂輪隨主軸旋轉并沿零件軸向進給完成磨削運動(見圖2)，砂輪齒形截面為齒條，通過機床聯(lián)動包絡切削出齒形。為簡化分析，我們將零件固定，砂輪相對零件旋轉，進行加工狀態(tài)模擬。

(1)正常加工狀態(tài)

此時對刀誤差和徑跳誤差都在工藝要求的范圍內(nèi)。由圖3可知，砂輪齒與零件齒均等充分接觸，零件不產(chǎn)生黑皮。

(2)只存在對刀誤差情況

此時零件徑跳誤差在合格范圍內(nèi)，對刀點相對機床中心超差a。由圖4可知，齒輪將出現(xiàn)黑皮，且黑皮分布在所有齒面的同一側。

(3)只存在徑跳誤差-b，對刀點在零件中心遠端

此時零件對刀誤差在合格范圍內(nèi)，但由于零件徑跳超差使零件中心相對機床中心偏置-b。若對刀點在零件中心遠端，由圖5可知，齒輪將出現(xiàn)黑皮，黑皮由對刀點所在齒槽開始對稱分布，零件一部分齒的左齒面有黑皮，而另一部分齒的右齒面有黑皮，部分齒兩面都有黑皮。

(4)只存在徑跳誤差b，對刀點在零件中心近端

我們再分析第3種情況中對刀點在零件中心近端的磨削狀態(tài)。由圖6可知，齒輪將出現(xiàn)黑皮，黑皮由對刀點所在齒槽開始對稱分布，零件一部分齒的左齒面有黑皮，而另一部分齒的右齒面有黑皮，無兩面都有黑皮的齒。

(5)同時存在徑跳誤差b和對刀誤差a，且b

由圖7可知，齒輪將出現(xiàn)黑皮，黑皮從某個齒槽開始對稱分布，零件一部分齒的左齒面有黑皮而另一部分齒的右齒面有黑皮，b值過大時可能出現(xiàn)兩面都有黑皮的齒。

(6)同時存在徑跳誤差b和對刀誤差a，且b>a

由圖8可知，齒輪將出現(xiàn)黑皮，黑皮從某個齒槽開始對稱分布，零件一部分齒的左齒面有黑皮而另一部分齒的右齒面有黑皮，b值過大時可能出現(xiàn)兩面都有黑皮的齒。

對現(xiàn)場的黑皮零件進行分類分析結果符合上述規(guī)律，匯總如表所示。

該表為我們分析齒輪出現(xiàn)黑皮原因提供了思路，若零件所有齒的黑皮在同一側則只存在對刀超差，需要尋找影響對刀超差的因素及對策。若零件部分齒的黑皮在左面，部分在右面，則可能只存在徑跳超差，也可能同時有對刀超差和徑跳超差，這時我們先尋找影響徑跳超差的因素，消除徑跳超差后，若零件不出現(xiàn)黑皮，則零件只存在徑跳超差;而消除徑跳超差后，若零件出現(xiàn)黑皮且所有齒的黑皮在同一側，則零件同時有對刀超差和徑跳超差。

2.容易造成零件黑皮的原因及對策

(1)零件徑跳誤差的影響因素包括：車工走刀路徑不合理，造成定位內(nèi)孔有翻邊;零件熱前滾齒徑跳超差;磨前工序對內(nèi)孔有磕碰劃傷;片齒輪熱處理時橢圓;軸齒熱處理時彎曲嚴重，后續(xù)校直加工徑跳不滿足工藝要求;磨齒工序夾具和上頂尖未校正;磨齒工序裝夾時未吹干凈孔內(nèi)毛刺及雜物。

(2)消除零件徑跳誤差對策

①滾齒工序零件徑跳必須滿足工藝給定的公差要求。

②磨前各工序必須做好定位孔的防護。

③零件熱處理后定位端面的跳動應控制在0.04?mm以內(nèi)，齒圈徑跳應控制在0.08?mm以內(nèi);對于熱變形較大無法控制的零件，熱后增加定位端面和內(nèi)孔的精加工工序。

④磨齒工序設計夾具校準件，換工裝時保證夾具內(nèi)孔跳動在0.005?mm以內(nèi)，頂尖跳動在0.01?mm以內(nèi)。

⑤目前大多數(shù)的磨齒設備帶有自動對刀檢測系統(tǒng)，具有檢測毛坯零件徑跳誤差的功能，零件磨削時可設置合理的偏差過濾值，將徑跳誤差太大的零件提前過濾，過濾后的零件隔離標識后可返回上游工序返修，減小工序廢品率。

3.對刀誤差影響因素及對策

雖然現(xiàn)在的數(shù)控磨齒機都帶有自動對刀系統(tǒng)，但由于對齒傳感器靠零件齒頂部的上升和下降趨勢來產(chǎn)生電磁感應脈沖，零件旋轉一周后對每個齒的脈沖進行平均分度，再選擇任意一個齒槽進入磨削嚙合，因此自動對刀精度易受零件齒部精度的影響，往往分度偏差較大。在采用手動對刀時，操作者將砂輪與齒槽兩面分別接觸至有微量火花，記錄齒槽兩面的機床坐標并計算中心坐標，工件磨削時砂輪將從此齒槽中心進入嚙合，無分度誤差，對刀精度較高。

磨齒機在更換砂輪或夾具后，必須重新手動對刀。對于加工精度要求較高的零件，尤其斜齒零件，應采用手動對刀。由于磨齒設備受溫度及系統(tǒng)誤差的影響，對刀點在工作過程中會慢慢偏移，磨削過程中應實時觀察零件齒根沉切狀況，若連續(xù)出現(xiàn)一側沉切明顯大于另一側，則及時重新手動對刀，避免偏移過大造成齒面黑皮。

熱處理齒部變形對零件齒面黑皮的影響

在分析徑跳對齒面黑皮的影響時指出，零件熱處理時的橢圓和彎曲變形在后續(xù)工序無法校正時，磨削易產(chǎn)生齒面黑皮?，F(xiàn)在分析另一項熱變形導致齒面黑皮的主要因素，即齒部變形。

1.齒形的變化

根據(jù)熱處理變形經(jīng)驗，低碳合金鋼齒輪滲碳淬火后一般齒形壓力角增大，檢測報告顯示頂部下塌，左右齒面fHα變負，零件模數(shù)越大變形量越大，造成齒坯精度下降，磨齒齒頂易出現(xiàn)黑皮。以某一軸齒零件為例，法向模數(shù)Mn=4.305，壓力角20.5°，螺旋角14.111°，經(jīng)過批量跟蹤零件熱變形，fHα平均值由熱前修正的+0.04，變?yōu)闊岷笮拚?0.004，齒頂下塌量達0.03～0.04。

2.齒向的變化

直齒輪(螺旋角為0°)熱處理時齒向變形較小，而斜齒低碳合金鋼齒輪滲碳淬火后螺旋角變小，螺旋角越大齒輪變形量越大，表現(xiàn)在齒向報告上為一側齒面的fHβ變負，一側齒面fHβ變正，造成齒坯精度下降，磨齒齒向兩端易出現(xiàn)黑皮。仍以前面提到的軸齒零件為例，根據(jù)齒向報告，一側fHβ平均值由熱前的+0.03變?yōu)闊岷蟮?0.003，另一側平均值由fHβ熱前的-0.03變?yōu)闊岷蟮?0.007，齒向整體傾斜量達0.025～0.035。

3.綜合分析

可以看出，對于斜齒零件熱處理齒形齒向綜合變形達0.055～0.075，滾齒齒形齒向偏差在0.03，熱處理后齒部偏差最大至0.1，而正常齒輪齒厚單邊磨量在0.10～0.15，加上零件定位及設備系統(tǒng)誤差后極易出現(xiàn)齒面黑皮，廢品率在8%以上。

4.對策

由于熱處理設備及熱處理工藝相對穩(wěn)定，每批次各個零件間和各個批次零件間的變形趨勢及偏差值差別不大，我們通過批量跟蹤抽樣，建立每種零件的變形數(shù)據(jù)庫，根據(jù)零件的變形量在熱前滾齒工序預先補償。

現(xiàn)介紹齒形齒向在滾齒工序的補償方法。對于齒形可采用小壓力角滾刀加工，即熱前左右齒面齒形均要求fHα偏正值。對于fHα補償值與滾刀壓力角的對應關系，刀具設計人員已推導出成熟公式，此處不再贅述。對于齒向補償近似如下：

β'=±ΔfHβm°

式中，β'為螺旋角補償值，±規(guī)定為與β符號相同，ΔfHβm為齒向傾斜補償值。滾齒加工時直接將滾齒機零件參數(shù)的β設定為β+β'，則可得到補償后的齒向。

注意在工藝中設定fHβ補償方向和值時，我們必須設定零件的精測擺放狀態(tài)，并標明左右齒面。如圖9所示，一般要求精測擺放方向與加工方向相同，否則加工時容易將fHβ補償方向與要求弄反，造成零件報廢。

仍以前面提到的軸齒零件為例，零件螺旋角β=14.111，補償值ΔfHβm為0.035時，β'=0.035°，滾齒機零件參數(shù)中的β輸入14.111°+0.035°=14.15°，得到的滾齒齒向fHβm實測值為0.033，經(jīng)過驗證，上述補償方法合理。經(jīng)過滾齒齒向補償后的零件，熱后齒面黑皮廢品率降至1%以內(nèi)。

結語

磨齒工序通常是齒輪工藝流程中的最后一道機加工工序，意味著在磨齒工序報廢的零件成本是最高的，接近成品成本，因此控制磨齒工序的廢品率對降低生產(chǎn)成本意義重大。本文從零件齒坯的熱前工序到熱后磨齒工序的整個工藝流程中，對可能會影響齒面黑皮的原因做了系統(tǒng)分析并提出了對策，總結出了根據(jù)齒面黑皮的分布情況判斷引起黑皮原因的方法。這些方法在實際生產(chǎn)中能夠幫助我們找到問題點，從而進行持續(xù)改進和廢品責任區(qū)分。