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螺旋锥齿轮干切加工技术研究

摘要:干切加工是未来金属切削加工发展趋势之一。近年来,特别是工业发达国家,非常重视干式切削,为了贯彻环境保护政策,更是大力研究开发和实施这种新型加工方法。本文针对457E1H等高齿制产品,通过优化产品设计、材料质量控制、加工过程调整及试验,实现了目标产品干切加工工艺的稳定应用。干切工艺主要特点:生产投资少,无需冷却液,辅助成本减少,有利于环保;切削速度高,大幅度提高加工效率;采用硬质合金表面AlCrN涂层的刀具,可重磨次数以及每次重磨刀具寿命均高于传统高速钢刀具;单件制造成本低于湿切加工;有利于改善齿轮表面加工质量。

关键词:螺旋锥齿轮 干切加工 绿色制造 生产效率

中图分类号:TG506;U463.218+.1 文献标识码:A

螺旋锥齿轮干切加工技术研究

中国第一汽车股份有限公司技术中心 李冬妮 袁照丹 高志勇 高洪彪

传统螺旋锥齿轮的切齿通常采用湿切方法。随着机床、刀具、材料的发展,高效、高精度、节能、环保、低成本后桥齿轮制造成为现实。20世纪80年代末期,美国格里森公司推出螺旋锥齿轮干切技术,自此以后,国外围绕螺旋锥齿轮切齿技术进行了大规模的技术改进,使该技术在国外得到了广泛的应用。一汽技术中心引进切齿设备以来,一直致力于针对生产厂现有齿轮产品开发国产刀具、实现干切制造技术稳定应用的研究工作。到目前为止,已经完成了批量生产应用考核,并在提高加工效率、提升产品质量、降低制造成本方面取得了阶段性成果。

1 影响螺旋锥齿轮干切齿稳定实现的主要因素

1.1 工件材料

为满足产品使用性能需求,零件材料有多方面的质量控制指标,包括化学成分、淬透性、纯净度(氧含量)、晶粒度、硬度、金相组织等,这些控制指标都直接影响齿轮热处理变形和最终产品疲劳性能。其中,对干切过程产生重要影响的主要因素如下。

a.原材料的低倍组织级别。

b.齿坯的硬度及其均匀性、一致性。

c.齿坯的带状组织级别及粒度。

1.2 刀具

刀具是实现干切过程的要素之一。国外干切技术的推广应用也得益于当前工具及其相关技术的发展。

螺旋锥齿轮干切过程要求应用刀具具备优良的抗冲击性和高温耐磨性,这需要几方面性能匹配。

a.刀具设计:在满足产品性能基础上,最大化提高刀具寿命,包括增加刀尖圆角半径、加大刀顶宽设计等。

b.刀具材料:采用硬质合金材料,在选择刀具材

料牌号、成分配比、晶粒度方面要考虑切齿过程断续加工冲击性以及满足干切条件相适应的刀具红硬性特点。

c.刀具涂层:干切加工时将近300 ℃高温的切屑会高压流过刀具的前刀面,为降低刀具磨损,前刀面必须涂有涂层。刀具表面的涂层可以降低切屑和前刀面之间的摩擦,保护多孔的硬质合金表面。不同涂层材料获得的刀具性能差别很大,这需要经过试验确定。

d.刀具刃磨:包括一盘刀条精度一致性、刃口直线度、倒钝以及微观裂纹缺陷容差。

e.刀具安装与调整。

1.3 切削参数及切削过程控制

切削速度、进给量以及加工过程中内、外切刀具受力平衡与改善可以保证干切过程稳定,降低切入过程的冲击和切削过程的磨损,保证正常生产节拍。

2 试验研究

2.1 对象

试验样品采用4.875速比的457桥主、从动锥齿轮,材料采用22CrMoH,齿制为等高齿设计,工艺过程为切齿→热处理→研齿。

2.2 产品设计

(1)机床调整参数计算

对于相同的齿轮产品设计计算,干切加工和湿切加工是一致的,都需要根据设计基本参数选择刀盘直径,调整主、从动锥齿轮强度平衡,修形改善接触区等。干切和湿切获得的理论齿貌是相同的,因此机床调整的各项参数也是相同的。

(2)刀具寿命保证

为提高刀具使用寿命,设计尽量遵循最大刀尖圆角半径、刀顶宽占齿槽宽度80%以上、最终实际加工的精切刀顶宽大于1 mm的原则。产品设计结果如表1。

2.3 工件材料控制

(1)材料一般要求

根据图纸设计要求准备毛坯材料。公司后桥齿轮一般采用满足A08 M-11.3-2002渗碳钢技术条件的Cr-Mo系列优质低碳合金渗碳钢。针对干切过程,其淬透性、纯净度(氧含量)、晶粒度等指标不再做特别规定。

(2)干切加工的过程控制

a.带状组织控制

严重的带状组织会使毛坯组织硬度不均匀和产生粒状贝氏体,直接影响齿轮加工、渗碳均匀性和热处理变形。试验要求毛坯锻造后采用等温退火工艺,保证锻件具备均匀的硬度。金相组织为珠光体加铁素体、极少量粒状贝氏体。

b.毛坯硬度控制

对车削过程进行模拟试验,比较同种材料不同硬度条件下切削力的变化情况。结果表明,毛坯材料硬度在164 HBW左右时其切削力、走刀抗力都相对较小,这对加工过程的切削状态控制是有益的。因此,初步确定试验材料的毛坯硬度控制在160 170 HBW,并要求同一零件硬度不均匀度在5 HBW 之内。

2.4 干切刀具

为实现刀具的国产化,针对进口刀具进行解析,开发并制造国产刀具进行试验比较。

(1)刀具安装面精度

为保证安装精度,各表面的形状位置精度在0.002 mm以内,表面粗糙度R a0.4 μm;为保证切屑流出,前刀面进行镜面磨削,表面粗糙度保证在R a0.1 μm以内。

(2)刀具材料

刀具材料选K类硬质合金H10F,按照90%的WC 和10%的Co配比制造刀坯。为保证耐磨性,硬质合金颗粒尺寸选择0.6~0.8 μm。

(3)刀具表面涂层

试验采用AlCrN涂层。

(4)刀具刃磨

根据产品设计进行刀具刃磨,刃磨后在显微镜下

观察刃口缺陷不大于5 μm。

用400号含Si颗粒磨料的尼龙毛刷对刃口进行倒钝处理,刃口半径控制在10~20 μm。

(5)刀具安装

为保证齿轮的表面加工质量和避免个别刀齿的早期磨损,刀条安装后其切削刃径向跳动应控制在0.005 mm以内。

2.5 干切过程参数优化

(1)切削速度选择

国外普遍应用的干切速度一般为259 m/min。针对试验产品和国产材料状况,将切削速度控制在190 m/min以下进行比照。

(2)进给量

主、从动锥齿轮进给量分别见表2、表3。

3 试验结果

3.1 干切加工质量保证

采用国产刀具加工主动锥齿轮,齿轮的精度变化如图1,齿轮表面质量保证如图2。

可见,在连续加工的100个零件中,齿轮精度指标全部稳定控制在DIN 3965 5级(大部分在4级)之内。随着加工件数增加,表面质量有所下降,但在都

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满足设计要求的R a 1.6 μm以内。3.2 热处理变形规律

干切加工齿轮的热处理变形如图3。试验表明,干切加工齿轮的热处理变化不仅产生在主动锥齿轮,在从动锥齿轮上的表现也非常明显,其中以反车面最为突出。在进行接触区反向调整的时候,必须考虑

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主、从动锥齿轮综合变化的影响。

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注:滚切法加工主动锥齿轮(粗切切入,精切滚切)。

注:成形法加工从动锥齿轮。

a.通常主动锥齿轮正车面的螺旋角变化大于从动锥齿轮,反车面的螺旋角变化小于从动锥齿轮,变化规律都是减小,这将导致正、反车面的接触区热后都向小端变化。

b.反车面主、从动锥齿轮压力角变化都很大,而且都是有从接触区向齿根移动的趋势。

c.热后齿高方向接触区会变窄。

d.热后有内对角都变大的趋势。

可见,对于干切加工齿轮热处理的反向调整,需要考虑主、从动锥齿轮的综合变化。考虑到从动锥齿轮一批零件的热处理变化基本一致,为降低调整工作量,通常会在从动锥齿轮变化基础上,补偿主动锥齿轮的热处理变形,这样做的效果非常好。3.3 加工效率比较

主、从动锥齿轮不同加工方法的加工时间对比如表4。

可见,干切和湿切相比加工效率有明显提高,且进口刀具的效果优于国产刀具。3.4 制造成本比较

(1)刀具成本

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图1 主动锥齿轮干切加工精度变化(连续统计100个零件) 图3 干切加工齿轮的热处理变形

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图2 干切加工齿面表面质量(连续统计100个零件)

主、从动锥齿轮不同刀具的成本比较见表5。a.干切等高齿进口刀具单件成本为18.33元。b.湿切等高齿刀具单件成本为15.03元。c.干切等高齿国产刀具单件成本为14.45元。(2)分析

对于同样齿制,采用国产刀具干切成本低于湿切

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成本。

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4 结论

通过合理控制材料、工艺计算、刀具设计参数、刀具刃磨质量控制、机床调整参数和切削用量优化,可以稳定实现中重型载货车后桥齿轮的干切加工。

a.生产投资少,机床占地面积减少50%以上。

b.无需冷却液,辅助成本减少,有利于环保。

c.切削速度高,生产效率大幅度提升。

d.合理选择刀具材料、表面涂层及优化设计可以提高刀具寿命,降低单件成本。

e.加工过程零件精度保证稳定,表面质量大幅度

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改善。

(上接第29页)

结晶度直接关系到发动机气缸罩盖的物理特性。因此,在注塑成型制品的过程中必须使模具保持在恒定的温度。

c.PA66+GF35的流动性差、熔融温度高,因此,在注塑成型发动机气缸罩盖产品的过程中,其加热温度和注射压力都要高。

鉴于PA66+GF35材料上述的一些特殊性,该材料对注塑工艺有很高的要求。具体的注塑工艺参数指

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标见表2~表6。

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注:1 bar=105

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Pa。

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