弧齒錐齒輪熱后硬齒面刮削工藝試驗(yàn)

汽車驅(qū)動(dòng)橋作為汽車的重要傳動(dòng)部件，對(duì)整車的承載能力和舒適性有很大影響，其中主被動(dòng)錐齒輪是驅(qū)動(dòng)橋中最重要的零件。傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工流程為制坯—軟齒面切削（干切或濕切）—熱處理—熱后研齒或磨齒。

常規(guī)的加工工藝過程中，在熱前將齒面接觸區(qū)修正完成后，由于材料或其他方面的原因，熱處理變形的存在，導(dǎo)致熱處理后齒面接觸區(qū)形狀與位置發(fā)生很大變化。為此，熱后對(duì)齒面接觸區(qū)修正成為必不可少的工序，目前國內(nèi)應(yīng)用較普遍的是研齒或磨齒工藝。

磨齒工藝的開展需要花費(fèi)巨資引進(jìn)弧齒磨齒機(jī)，與弧齒銑齒機(jī)相比較，弧齒磨齒機(jī)工藝復(fù)雜，機(jī)床調(diào)整繁瑣，修要經(jīng)常對(duì)砂輪進(jìn)行修正。并且由于磨削過程中切削液的存在，不可避免會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。研齒工藝的開展，也需要引進(jìn)研齒設(shè)備，并且機(jī)床調(diào)整較為復(fù)雜，由于研齒工藝無法修正變形較大的齒面接觸區(qū)，只能對(duì)其做小部分修正。因此，研齒后的齒輪副其本身幾何精度并無太大提高。

基于以上原因，需求更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保有效的熱后加工工藝成為必然選擇。隨著刀具材料技術(shù)和淬硬切削技術(shù)的進(jìn)步，淬硬工件的加工已得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。為此，決定嘗試在弧齒錐齒輪銑齒機(jī)上，利用新型切削刀具，進(jìn)行硬切削試驗(yàn)。

1.熱后硬切削應(yīng)用的可行性分析
本次工藝試驗(yàn)決定使用PCBN復(fù)合焊接刀具進(jìn)行試驗(yàn)。PCBN即聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）作為利用人工方法合成的硬度僅次于天然金剛石的新型刀具材料，是目前高速切削鐵系金屬最合適的刀具材料。

根據(jù)相關(guān)資料介紹，用PCBN刀具加工淬硬鋼時(shí)，要求工件淬火硬度高于60～65HRC，加工硬鑄鐵時(shí)，只要硬度達(dá)到中等硬度水平(45HRC)，就會(huì)取得良好的加工效果。目前公司內(nèi)被動(dòng)錐齒輪熱后內(nèi)孔精加工即使用CBN刀片，切削余量為0.3mm，使用效果良好。而目前我公司內(nèi)錐齒輪副熱處理后硬度范圍為58～62HRC，完全滿足該類型刀具的使用條件，對(duì)其進(jìn)行工藝試驗(yàn)完全可行。

PCBN刀具的制造主要通過CBN粉末和結(jié)合劑經(jīng)超高壓高溫?zé)Y(jié)而成.大致步驟有;混合粉末--模壓成型/與硬質(zhì)合金底層組裝成整體--超高壓高溫?zé)Y(jié)--深加工。在CBN聚晶體中也可以不加粘結(jié)劑直接燒結(jié)而成聚晶立方氮化硼。CBN在燒結(jié)時(shí)發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大過程，燒結(jié)后的CBN多晶體的晶粒已不是原來的CBN單晶體顆粒。這種PCBN刀具耐磨性好，壽命長，但較脆且溫度條件苛刻，難以制成高韌性及大尺寸的刀片。 故本次試驗(yàn)中采用焊接式結(jié)構(gòu)，將刀齒做成三部分結(jié)構(gòu)。

本次工藝試驗(yàn)采用AC16被動(dòng)錐齒輪進(jìn)行，使用12英寸銑刀盤，其刀齒參數(shù)主要借鑒目前所使用的熱前精切刀齒參數(shù)。刀齒由三部分組成：高速鋼刀具基體、硬質(zhì)合金基體、PCBN切削刃。各部分間焊接成型。





圖1 復(fù)合式焊接刀具

2.熱后硬切削切削參數(shù)的確定

根據(jù)相關(guān)資料介紹，PCBN刀具適合的切削速度為80-120m/min，結(jié)合刀具直徑，算出的刀具轉(zhuǎn)速應(yīng)為：
n=1000*V/(3.14*d)=104r/min-125r/min

本次試驗(yàn)在格里森NO.26機(jī)床上進(jìn)行，所選取的速度掛輪為：20/70*28/62，刀具主軸轉(zhuǎn)速為114r/min。
PCBN刀具的吃刀量范圍為0.15-0.25mm，本次切削試驗(yàn)中所采用的切削余量為0.2mm左右。進(jìn)給量選擇在0.03r/min。

3.熱后硬切削工裝設(shè)計(jì)

由于熱處理前后的重復(fù)裝夾，不可避免會(huì)在熱后加工時(shí)出現(xiàn)亂齒現(xiàn)象，為此，對(duì)切齒工裝更改了設(shè)計(jì)，增加一套對(duì)齒機(jī)構(gòu)。此外，將定位碟簧尺寸進(jìn)行了更改，使用了熱后研配用碟簧，提高了工裝整體的剛性。

4.熱后硬切削加工情況

在本次工藝試驗(yàn)中，采用大輪雙精刀盤進(jìn)行加工，通過對(duì)齒機(jī)構(gòu)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了凹面與凸面的單獨(dú)切削。切削過程中，機(jī)床無明顯震動(dòng)，刀具無損壞，加工中出現(xiàn)明顯火花。由于切削熱大部分被切屑帶走，切屑顏色為微藍(lán)色，因此，切削后工件僅有微熱感。



圖2 切削情況



圖3 切削后齒輪齒面

切削后工件表面發(fā)亮，粗糙度達(dá)到Ra0.5左右，高于外圓磨粗糙度。

5.熱后硬加工質(zhì)量情況

經(jīng)過熱后硬加工的零部件進(jìn)行檢測(cè)，齒圈跳動(dòng)可達(dá)0.05，遠(yuǎn)低于產(chǎn)品圖紙成品要求。與小輪研配后的齒面接觸區(qū)如下：




圖4 成品接觸區(qū)圖片

距離嚙合點(diǎn)0.5米時(shí)，檢測(cè)噪音結(jié)果如下：



按常規(guī)工藝加工的齒輪副檢測(cè)結(jié)果為：



由此可以看出，熱后切削加工的齒輪副其質(zhì)量水平較正常加工零件質(zhì)量要高。

6.結(jié)論

1.目前在國內(nèi)，對(duì)于硬度超過HRC50的錐齒輪產(chǎn)品，大部分采取的為熱后磨削工藝或者研齒工藝，熱后硬切削加工方法和裝備在中國重卡制造領(lǐng)域?qū)儆诳瞻住?duì)于我公司，此次為首次引進(jìn)熱后硬切削技術(shù)，屬于公司內(nèi)首創(chuàng)，且在國內(nèi)重卡行業(yè)處于領(lǐng)先地位。

2.通過進(jìn)行工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱后弧齒錐齒輪硬齒面刮削工藝的可行性，為以后生產(chǎn)高精度齒輪副奠定了基礎(chǔ)，加工后的齒輪副質(zhì)量狀況完全滿足要求，從根本上消除了熱處理變形對(duì)接觸區(qū)的影響。