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小模數齒輪插齒加工工藝研究

發布時間: 2018-12-26 07:12:46

新聞來源: 無錫瑞朗科技有限公司

小模數齒輪插齒加工工藝研究

通過使用硬質合金插齒刀,刮削感應淬火後的小模數内花鍵,消除熱處理變形,保證花鍵M值、齒形、齒距等精度要求。

我公司新機型推土機變速箱、終傳動中多處使用淬硬漸開線花鍵(硬度50~60HRC),其具有承載能力強、花鍵使用壽命長、齒面自定心的優點。據相關資料介紹,與調質花鍵相比,淬火花鍵(50~60HRC)其傳動轉矩可提高約3倍,質量可降低到原來的40%,使用壽命可達10年。但淬火後花鍵會産生變形,若無法消除變形,會影響花鍵接觸面積,減少承載能力,嚴重時會導緻無法正常裝配。對于淬硬外花鍵,可使用磨花鍵、剃齒等工藝手段,消除變形,但這些常規工藝手段無法應用與内花鍵的加工。為此我們進行工藝研究,使用焊接硬質合金插齒刀刮削淬硬後内花鍵,保證各項精度要求。

1. 工藝路線制定

(1)工件要求。該工件包括内花鍵和外齒,要求内花鍵感應淬火,與另一工件的外花鍵配合,傳遞動力,工件如圖1所示。内花鍵參數為:模數2.5、壓力角30°、齒數74、變位系數0.6。

(2)現有工藝路線。現有工藝路線為:鍛造→正火→粗車→調質→半精車→插花鍵→内花鍵感應淬火→精車→滾外齒。感應淬火後不再對内花鍵進行加工,通過預留M值反變形。由于淬火變形不可控,經常出現M值超差,配作外花鍵的情況。

(3)優化工藝路線。工藝路線改為:鍛造→正火→粗車→調質→半精車→粗插花鍵→内花鍵感應淬火→精車→硬插齒→滾外齒。

内花鍵感應淬火前需使用專用刮前插齒刀粗插花鍵,預切出齒形,保證:①硬插齒時有适量餘量,過多會降低硬插齒刀壽命,增加成本,過少無法消除淬火變形,經過大量跟蹤,最終确定硬插齒餘量為單側齒厚0.15mm。②保證硬插齒刀不切削内花鍵齒根圓,避免刀具崩刃。

圖1 工件示意圖

2. 插齒刀設計和刃磨

(1)插齒刀材質選擇。刀具材料包括:高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、CBN、金剛石。刮前插齒刀選用性價比較高的M35高速鋼。

對于硬插齒刀,高速鋼因硬度低,無法承受淬火内花鍵的切削力,而CBN難以刃磨,無法保證刀齒漸開線形狀,金剛石與碳易發生反應,因此可選刀具材料僅為硬質合金、金屬陶瓷,金屬陶瓷雖然硬度更高、但韌性差,容易崩刃,綜合對比選擇硬質合金。

(2) 插齒刀結構選擇。刮前插齒刀采用常用的碗型結構。而硬插齒刀,有兩種結構方案:①整體硬質合金,單價約3~4萬元。②焊接硬質合金插齒刀,将硬質合金刀片焊接在高速鋼刀體上,單價約0.8萬元。考慮成本、壽命,選擇第二種方案,刀具制造工藝如下:粗磨高速鋼刀體→粗磨硬質合金刀片→刀體和刀片焊接→精磨刀體内徑和端面→精磨硬質合金刀片。刀具實例如圖2、圖3所示。

圖2 刮前插齒刀

圖3 硬插齒刀

(3) 插齒刀齒形計算。插齒刀實質上就是個變位齒輪,其基本齒形和齒輪一樣,有分度圓、基圓、齒頂高及全齒高。因此,可以通過漸開線極坐标方程 rk=rb/cosαk、θk=tanαkαk,變位齒輪齒厚s=(πm)/2+2xmtanα等計算公式得出基本齒形。其中刮前插齒刀刀齒較長,并留有觸角,預切齒根圓。刀具基本齒形如圖4、5所示。

圖4 刮前插齒刀基本齒形

圖5 硬插齒刀基本齒形

(4)插齒刀刃磨。插齒刀切削一定材料後會在後刀面上形成磨損,為保證加工質量,必須重磨前刀面将刀齒磨損部分全部磨去。插齒刀重磨後必須保證:①前刀面軸向跳動在0.02mm以内。②前角偏差±8′。③齒面的表面粗糙度值Rz=1.6μm。

我們使用萬能外圓磨床刃磨插齒刀,方法是将插齒刀緊固在心軸上并裝入機床床頭箱主軸孔内,然後旋轉床頭箱,使其與磨床砂輪成一定角度,角度為插齒刀前角。

刃磨高速鋼材料的刮前插齒刀時,可使用普通白剛玉砂輪,但刃磨硬質合金插齒刀時,必須使用金剛石砂輪。若金剛石砂輪工作面堵塞後,可使用油石,手動輕輕的修整。

3. 加工設備選擇

硬插齒加工特點為切削功率低、切削力較小,但對振動很敏感。沖擊振動過大,會導緻硬質合金插齒刀在加工時崩刃,影響生産進度、增加成本。我公司新購一台宜昌長機科技有限公司生産的YKD5150插齒機(見圖6),加工能力:内齒工件直徑≤600mm,模數≤10,最大齒寬≤140mm。雖然功率較小,但運動間隙小,滿足使用要求。

圖6 插齒機YKD5150

4. 插齒工裝設計

由于硬插齒對振動敏感的特點,因此對工裝剛性要求高,盡量在花鍵處進行支承和壓緊。我們根據工件特點設計專用工裝,支承花鍵底端,壓闆壓緊工件,四周通過輔助支承。工裝實例如圖7所示。

5. 切削參數制定

插齒與普通車削、銑削不同,切削參數為:沖程速度、圓周進給量、徑向進給量。

(1)沖程速度選擇。沖程速度n指每分鐘插齒刀上下往複次數,與切削速度v、沖程長度l有直接關系,n=(1 000v)/(1×2)(r/min)。切削速度v對刀具壽命、齒面的表面粗糙度均有較大影響,一般建議切削速度10~20 m/min,工件較大、硬度較高、留量較多及機床性能較差時,應選用較低的切削速度,綜合上述原因,我們選用15m/min。沖程長度l需超過内花鍵齒厚,并留有安全距離。以模數2.5内花鍵計算n=(1 000×15)/(75×2) =100(r/min)。

圖7 插齒工裝

1.壓闆 2.工件 3.支承座 4.輔助支承

(2)圓周進給量選擇。圓周進給量fr指每沖程插齒刀沿着内花鍵分度圓旋轉的距離,直接影響花鍵表面粗糙度和加工效率。建議在0.15~0.4mm/s,模數大、材料硬、表面粗糙度要求高,進給量要選擇小一些,此次我們選用圓周進給量為0.2mm/s。

(3)徑向進給量選擇。徑向進給量fr指每沖程插齒刀徑向進刀量,插齒刀一次進刀至最終尺寸易崩刃,必須通過徑向進給緩慢進刀至切削位置,對切削效率和加工精度影響較小。一般為0.01~0.15mm/s,此次我們選用0.01mm/s。

6. 硬插齒對刀

硬插齒時需保證插齒刀與預切齒形對中,否則會造成一側花鍵過切,另一側殘餘氧化皮的現象,導緻工件報廢。我們采用的方法為:目測插齒刀與花鍵對中→少量進給試切→觀察兩側氧化皮殘餘→旋轉工作台調整對刀位置→正常切削至圖紙M值要求。

7. 結果分析

通過制定詳細的方案,順利完成内花鍵加工。對切削後内花鍵進行檢測,内花鍵精度達GB10095-2008中8級要求(見圖8)。

圖8 插齒過程

8. 結語

通過實施硬插齒工藝改善,能保證花鍵齒形、齒向、M值精度達圖樣要求。該項目實施後,提高了公司内花鍵加工能力,提升産品競争力。

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