高精度硬齿面齿轮的加工工艺现状分析
2017-7-10 来源： 西门子机械传动（天津）有限公司 作者：李国明
引言
齿轮传动，作为一种高效的动力传输方式，被广泛应用于各行业。随着加工工艺的日趋更新，软齿面齿轮已经被逐渐的淘汰，取而代之的是渗碳淬火硬齿面齿轮。它在更小的体积内，实现了更大的扭矩传递，并且在齿部的弯曲强度和接触强度上，得到很大的提高。硬齿面齿轮传动因其较高的承载能力和更长的使用寿命被各行业所认可。
硬齿面齿轮是指硬度在 HRC40 以上的齿轮，通常都需要热处理进行淬火或者渗碳淬火，在热处理之后，由于热处理会使工件产生变形，其热前加工的精度会普遍降低 1-2 级，所以热后需要进行精加工。这样较高精度的硬齿面齿轮较普遍的加工方式为先进行滚齿，然后进行渗碳淬火，最后再进行齿面磨削，这样的工艺可以使整个齿面得到相同的组织以及渗碳层深度，齿面最终硬度可以达到HRC58-HRC62，并且获得很高的齿面几何精度及表面光洁度。这也是现在行业内的主导工艺，其核心工序为滚齿和磨齿。
1 、热前滚齿
由于成本原因，较小模数工件用整体滚刀加工，材质一般为带涂层的高速钢或者粉末冶金，头数为 1-3，在刀具使用窜刀完毕后，需要进行修磨，并返回专业的厂家重新进行涂层，整体硬质合金的滚刀因为性价比较低，使用较少；较大模数的齿轮由于滚刀体太大，成本太高，一般都设计为镶刀片滚刀，这样的滚刀需要定期检查每一个刀片的磨损程度，并将已磨损或崩刃的刀片换掉；对于特大模数齿轮（一般为 M>22），一般都用齿轮铣刀加工。
滚齿作为粗加工工序，国内的生产厂家如南京第二机床厂，秦川机床厂的滚齿机都可以达到 7-8 级的加工精度。欧洲知名的滚齿机生产厂家如 Pfauter、Liebherr 等，其机床的滚齿精度可以达到 6-7级，并且在加工稳定性及寿命方面有较大优势。随着机械行业自动化程度的提高，自动上下料传送带以及多工位上下料系统也被应用于滚齿工序，配合高精度的自动涨紧夹具。使机床更换工件的时间将至最低，实现了加工-去毛刺-倒角同时进行。更大的增加了机床的使用效率。
2 、热后磨齿
磨齿是获得齿面高精度的最有效和最可靠的方法，将滚齿余量及其变形量磨掉。为了使齿轮在负载状态下受力及啮合更加合理，齿轮会在标准渐开线齿形和齿向上做一定的修正。CNC 磨齿机通过预设的参数，将齿部形状磨削为要求的几何精度。并且通过选择匹配的砂轮及修整参数，磨削达到最终的粗糙度要求，行业内普遍的要求为 Ra0.8，也有一些特殊应用，如风力发电齿轮箱等，需要达到Ra0.6 甚至更高。其加工方法分为展成磨和成型磨。
（1）展成磨
为展成法加工，与滚齿原理相似。瑞士 Reishauer 公司最先发明并将其应用，磨削过程中，由于砂轮与被磨削的齿部连续啮合，从而展成齿部的渐开线形状，并且在磨削过程中无中断，所以其加工效率很高。实际加工中，由于砂轮尺寸原因，展成磨适用于加工较小模数齿轮（一般为 M<=12）。
磨削过程中，可使用氧化铝材质的砂轮，需要根据设定好的磨损寿命长度及串刀方式加工，较为优化的串刀方式为，粗磨过程中对角线窜刀，即在磨削过程中窜刀，以砂轮的不断更新来达到最高的材料去除效率；在精磨过程中为步进窜刀，用砂轮的同一位置磨削以达到齿面质量的稳定性。对单一品种齿轮的大批量生产，也可以使用高精度 CBN 蜗杆砂轮，可以更大的提高磨削效率，但是成本相应较高。
展成磨对机床的精度及稳定性有较高的要求，目前知名的机床公司有瑞士的 Reishauer，德国的 Liebherr，加工齿轮精度可以达到4-5 级甚至更高，国内较为领先的厂家为秦川机床厂，加工精度可以达到 5-6 级。并且这些机床都具备了配套自动上下料系统的能力，并广泛应用于汽车制造行业和小型减速机制造行业，使硬齿面齿轮的精加工效率得到很大提升。
（2）成型磨
砂轮被金刚轮修整成与齿形相同的形状，逐个齿进行磨削。这种生产方式较为柔性，在更换齿轮型号时，只需要将砂轮修整为与其对应的形状即可。整个修整与加工过程由预设的 CNC 轴进行控制。这项加工技术在国际上比较领先的公司有 Gleason、Hoefler 等，其生产的成型磨机床加工精度可以达到 3 级，而且由于整个齿面的形状是由成型的砂轮一次连续磨削而成，所以整个齿面粗糙度可以达到 Ra0.4-Ra0.8。
在实际生产过程中，太高的表面质量要求，以及高的磨削进给量，都会产生更高的烧伤风险。不同的企业也都采取更为精细化的磨削参数进行加工，来保持成本优势。随着科技的进步，一些新的工艺也正在出现来满足市场需求，比如在成型模后进行超精磨，这样工件的表面光洁度可以达到 Ra0.2；或者用双磨头加工，其中一个磨头用于粗磨，另一个磨头安装特殊的砂轮用于精磨，来达到效率和质量的双赢。
3 、技术方向
对于高精度硬齿面齿轮的加工，主要技术方向为：（1）滚刀材质和涂层技术，可提高滚齿的效率和机床利用率。（2）砂轮技术，随着微控制技术的进步，砂轮的磨料排列方式及形状将更为可控，更为优化的砂轮将实现更高的磨削效率与更高的工件质量。（3）加工智能化，机床在自动抓取工件的基础上，对工件进行辨认和识别，对有质量问题的工件进行预先判定。（4）绿色加工，机床的能源利用效率将会更高；油气分离技术将降低机床对空气的污染；新的干切技术，也会大量降低油品的使用量，使加工过程更为环保。
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