磨齒加工齒面黑皮原因分析及對(duì)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(duì)齒輪傳動(dòng)噪聲、傳動(dòng)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(wàn)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(jié)為以下三點(diǎn)：首先，使我們能找準(zhǔn)問題所在，從而及時(shí)調(diào)整，避免后續(xù)的廢品產(chǎn)生;其次，為現(xiàn)場(chǎng)廢品的責(zé)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(duì)各種原因給出了對(duì)策，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)批量驗(yàn)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(duì)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(dá)到國(guó)標(biāo)8級(jí)，現(xiàn)在多數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)可達(dá)到此精度，因此滾齒齒形齒向精度超差導(dǎo)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(cè)頻次低，如果精度超差往往是批量出現(xiàn)，而且實(shí)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(bào)告中fHα超出工藝要求，這類零件黑皮情況為每個(gè)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(bào)告中fHβ超出工藝要求，這類零件黑皮情況為每個(gè)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(bào)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(diǎn)。

2.對(duì)策

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

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

(3)嚴(yán)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(duì)刀誤差對(duì)齒面黑皮的影響

1.黑皮生成機(jī)理分析

在磨齒機(jī)運(yùn)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(duì)機(jī)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(xiàng)：一是砂輪齒中心與零件齒槽中心不重合，即存在對(duì)刀誤差;二是零件中心與機(jī)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(zhuǎn)，砂輪隨主軸旋轉(zhuǎn)并沿零件軸向進(jìn)給完成磨削運(yùn)動(dòng)(見圖2)，砂輪齒形截面為齒條，通過機(jī)床聯(lián)動(dòng)包絡(luò)切削出齒形。為簡(jiǎn)化分析，我們將零件固定，砂輪相對(duì)零件旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行加工狀態(tài)模擬。

(1)正常加工狀態(tài)

此時(shí)對(duì)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(duì)刀誤差情況

此時(shí)零件徑跳誤差在合格范圍內(nèi)，對(duì)刀點(diǎn)相對(duì)機(jī)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(cè)。

(3)只存在徑跳誤差-b，對(duì)刀點(diǎn)在零件中心遠(yuǎn)端

此時(shí)零件對(duì)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(duì)機(jī)床中心偏置-b。若對(duì)刀點(diǎn)在零件中心遠(yuǎn)端，由圖5可知，齒輪將出現(xiàn)黑皮，黑皮由對(duì)刀點(diǎn)所在齒槽開始對(duì)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(duì)刀點(diǎn)在零件中心近端

我們?cè)俜治龅?種情況中對(duì)刀點(diǎn)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(duì)刀點(diǎn)所在齒槽開始對(duì)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(shí)存在徑跳誤差b和對(duì)刀誤差a，且b

由圖7可知，齒輪將出現(xiàn)黑皮，黑皮從某個(gè)齒槽開始對(duì)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(shí)可能出現(xiàn)兩面都有黑皮的齒。

(6)同時(shí)存在徑跳誤差b和對(duì)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(gè)齒槽開始對(duì)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(shí)可能出現(xiàn)兩面都有黑皮的齒。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的黑皮零件進(jìn)行分類分析結(jié)果符合上述規(guī)律，匯總?cè)绫硭尽?/p>

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(cè)則只存在對(duì)刀超差，需要尋找影響對(duì)刀超差的因素及對(duì)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(shí)有對(duì)刀超差和徑跳超差，這時(shí)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(cè)，則零件同時(shí)有對(duì)刀超差和徑跳超差。

2.容易造成零件黑皮的原因及對(duì)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?qū)?nèi)孔有磕碰劃傷;片齒輪熱處理時(shí)橢圓;軸齒熱處理時(shí)彎曲嚴(yán)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(shí)未吹干凈孔內(nèi)毛刺及雜物。

(2)消除零件徑跳誤差對(duì)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(hù)。

③零件熱處理后定位端面的跳動(dòng)應(yīng)控制在0.04?mm以內(nèi)，齒圈徑跳應(yīng)控制在0.08?mm以內(nèi);對(duì)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(shè)計(jì)夾具校準(zhǔn)件，換工裝時(shí)保證夾具內(nèi)孔跳動(dòng)在0.005?mm以內(nèi)，頂尖跳動(dòng)在0.01?mm以內(nèi)。

⑤目前大多數(shù)的磨齒設(shè)備帶有自動(dòng)對(duì)刀檢測(cè)系統(tǒng)，具有檢測(cè)毛坯零件徑跳誤差的功能，零件磨削時(shí)可設(shè)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(biāo)識(shí)后可返回上游工序返修，減小工序廢品率。

3.對(duì)刀誤差影響因素及對(duì)策

雖然現(xiàn)在的數(shù)控磨齒機(jī)都帶有自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)，但由于對(duì)齒傳感器靠零件齒頂部的上升和下降趨勢(shì)來產(chǎn)生電磁感應(yīng)脈沖，零件旋轉(zhuǎn)一周后對(duì)每個(gè)齒的脈沖進(jìn)行平均分度，再選擇任意一個(gè)齒槽進(jìn)入磨削嚙合，因此自動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)刀時(shí)，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(jī)床坐標(biāo)并計(jì)算中心坐標(biāo)，工件磨削時(shí)砂輪將從此齒槽中心進(jìn)入嚙合，無分度誤差，對(duì)刀精度較高。

磨齒機(jī)在更換砂輪或夾具后，必須重新手動(dòng)對(duì)刀。對(duì)于加工精度要求較高的零件，尤其斜齒零件，應(yīng)采用手動(dòng)對(duì)刀。由于磨齒設(shè)備受溫度及系統(tǒng)誤差的影響，對(duì)刀點(diǎn)在工作過程中會(huì)慢慢偏移，磨削過程中應(yīng)實(shí)時(shí)觀察零件齒根沉切狀況，若連續(xù)出現(xiàn)一側(cè)沉切明顯大于另一側(cè)，則及時(shí)重新手動(dòng)對(duì)刀，避免偏移過大造成齒面黑皮。

熱處理齒部變形對(duì)零件齒面黑皮的影響

在分析徑跳對(duì)齒面黑皮的影響時(shí)指出，零件熱處理時(shí)的橢圓和彎曲變形在后續(xù)工序無法校正時(shí)，磨削易產(chǎn)生齒面黑皮?，F(xiàn)在分析另一項(xiàng)熱變形導(dǎo)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(yàn)，低碳合金鋼齒輪滲碳淬火后一般齒形壓力角增大，檢測(cè)報(bào)告顯示頂部下塌，左右齒面fHα變負(fù)，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(dá)0.03～0.04。

2.齒向的變化

直齒輪(螺旋角為0°)熱處理時(shí)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(bào)告上為一側(cè)齒面的fHβ變負(fù)，一側(cè)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(bào)告，一側(cè)fHβ平均值由熱前的+0.03變?yōu)闊岷蟮?0.003，另一側(cè)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(dá)0.025～0.035。

3.綜合分析

可以看出，對(duì)于斜齒零件熱處理齒形齒向綜合變形達(dá)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(shè)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(duì)策

由于熱處理設(shè)備及熱處理工藝相對(duì)穩(wěn)定，每批次各個(gè)零件間和各個(gè)批次零件間的變形趨勢(shì)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(kù)，根據(jù)零件的變形量在熱前滾齒工序預(yù)先補(bǔ)償。

現(xiàn)介紹齒形齒向在滾齒工序的補(bǔ)償方法。對(duì)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(duì)于fHα補(bǔ)償值與滾刀壓力角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，刀具設(shè)計(jì)人員已推導(dǎo)出成熟公式，此處不再贅述。對(duì)于齒向補(bǔ)償近似如下：

β'=±ΔfHβm°

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

注意在工藝中設(shè)定fHβ補(bǔ)償方向和值時(shí)，我們必須設(shè)定零件的精測(cè)擺放狀態(tài)，并標(biāo)明左右齒面。如圖9所示，一般要求精測(cè)擺放方向與加工方向相同，否則加工時(shí)容易將fHβ補(bǔ)償方向與要求弄反，造成零件報(bào)廢。

仍以前面提到的軸齒零件為例，零件螺旋角β=14.111，補(bǔ)償值ΔfHβm為0.035時(shí)，β'=0.035°，滾齒機(jī)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(shí)測(cè)值為0.033，經(jīng)過驗(yàn)證，上述補(bǔ)償方法合理。經(jīng)過滾齒齒向補(bǔ)償后的零件，熱后齒面黑皮廢品率降至1%以內(nèi)。

結(jié)語(yǔ)

磨齒工序通常是齒輪工藝流程中的最后一道機(jī)加工工序，意味著在磨齒工序報(bào)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(duì)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(gè)工藝流程中，對(duì)可能會(huì)影響齒面黑皮的原因做了系統(tǒng)分析并提出了對(duì)策，總結(jié)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(shí)際生產(chǎn)中能夠幫助我們找到問題點(diǎn)，從而進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和廢品責(zé)任區(qū)分。