分段成形磨削技术在超大型模数齿轮加工中的应用

随着工业技术的发展和产业结构的调整，矿山设备向超大型化方向发展，为了满足齿轮高承载能力的要求，齿轮也需要向超大型模数、高齿面硬度、高精度的方向发展。

模块50mn135的齿轮称为超大型模块齿轮。 普通齿形加工时，其齿面硬度为220~300 HB，齿轮加工精度为9~10级，齿面粗糙度在Ra6.3以上。

1 常规齿形加工

普通模块mn&lt； 50个渗碳淬火齿轮的齿形加工，常用数控成形磨齿机磨削加工，其齿形加工工艺流程如下。

1)锻造齿轮毛坯锻造成形。

2)粗加工粗车坯，使之具有零件的外形。

3)探伤检查及保证牙本质内质量。

4)正火改善坯料内部组织结构，是后续工艺的基础。

5)半修整器寻找正牙的前端圆和端面。

6)齿形预加工模块mn36时，如图1所示，采用磨削前滚齿； 模块； 在36的情况下，如图2所示，选择指形刀具的铣刨。

图1滚刀铣刨机

图2成型指磨机的半铣头

7)渗碳淬火保证齿面高硬度和渗碳层深度要求。

8)喷丸清理表面及改善牙根表面状态。

9)精车加工齿顶圆和齿轮两端面等基准面。

10 )齿形滚切(半精加工纠正渗碳淬火变形，同时局部留有余量切除。 

11 )磨削齿如图3所示，用双斜边砂轮对齿形成形磨削进行精加工，对双面或单面进行成形磨削。

12 )磁粉探伤的检查和牙齿精度的检查。

2 超大模数齿轮加工

自升式海洋平台升降系统用齿轮轴，模数mn=62.667，齿面渗碳淬火，精度要求5~6级，及齿面粗糙度要求Ra0.4~0.8。 该齿轮具有大模数、高精度、高硬度等特点，齿轮加工为极限加工，技术含量高，是平台升降系统制造中的挑战性难题。 为了解决这一制造难题，笔者舍弃了常规工艺，采用ZP50成形磨床的单面分段成形研磨法进行超大模数硬齿面加工，为这种非定型齿形加工提供了一种新的解决方法。 齿形精加工采用铸造-修磨、线切割/火焰切割-修磨、刨削/镶刀修磨、铣削-修磨等常规方法，齿轮精度和齿面粗糙度不能满足图纸要求； 另外，采用SH1200梳齿机对齿形进行精炼，精度可以满足要求，但由于齿面硬度高，齿面粗糙度不能满足要求； 齿轮齿槽深，齿槽宽，渐开线展开长度非常长，受数控成形磨齿机ZP50加工能力的限制，也不能采用普通渗碳淬火齿轮齿形磨削精加工技术。

普通磨削齿采用双斜角砂轮，一次磨削槽的双面或单面。 超大模数(mn=62.667 )齿轮磨削受磨削机床能力的限制，一次磨削不能完成槽的双面磨削或单面磨削。 为此，将齿轮渐开线齿面分n级编制程序，程序调试合格后，与ZP50成形磨齿机链接调试，合格后输入图纸参数进行仿真加工，然后进行超大模数渗碳淬火齿如图4所示。 即把齿的一侧齿形分n段成形磨削后，再将另一侧齿面分n段成形磨削，每一侧齿面分粗磨、半精磨、精磨，达到图纸要求的精度和齿面粗糙度。 整个磨削过程由数控程序控制。 另外，由于齿轮模数大，磨削过程中产生的成形磨削力大，为了提高磨削砂轮的刚度，磨削时采用单斜边砂轮而不是双斜边砂轮进行磨削。

图4单斜边砂轮单面分段磨削示意图

模数mn=62.667硬齿面齿轮热加工工艺由模数mn&lt； 与50齿轮工艺相同，不同之处在于齿形磨削前的加工和齿形磨削需要采用非常规的手段，其齿形加工的工艺流程如下。

1)锻造齿轮毛坯锻造成形。

2)粗加工粗车坯，使之具有零件的外形。

3)探伤检查及保证牙本质内质量。

4)正火改善坯料内部组织结构，是后续工艺的基础。

5)半修整器找正齿的前端圆和端面。

6)齿形预加工可采用四种加工方法。 使用同为超大模数的指形铣刀，用卧式或立式滚齿机切削单分铣齿； 在镗铣床上用球头铣刀沿齿面分段铣削，然后用数控镗铣床程序制作插补铣刀； 在镗铣床上采用球头立铣刀沿齿面分段铣削，然后采用数控加工中心铣齿梳齿机梳齿加工齿形。

7)渗碳淬火要求保证齿面高硬度和渗碳层深。

8)喷丸清理表面及改善牙根表面状态。

9)精车加工齿顶圆和齿轮两端面等基准面。

10 )齿形滚切半精加工可采用三种方法。 使用数控镗铣床的程序插补齿形； 选择数控加工中心铣削齿形； 梳齿机梳齿加工齿形。

11 )截齿使用高效精密数控成形截齿机床，同时配备高光泽精磨轮分段成形磨削，完成齿形磨削精加工，达到图纸要求的高精度和低粗糙度。 实施)根据超大模块mn50参数将渐开线齿面分为n段(n2 )，编制程序调试，调试合格后与数控成形磨齿机程序链接，实施模拟加工； 磨削时，按照齿面渐开线段程序修正砂轮，使砂轮轮廓满足磨削段的齿形轮廓，首先磨削各齿槽同侧被磨削段的齿形，等待第一段齿形磨削完成，再根据下一段被磨削齿形放入砂轮，同样磨削各齿槽另一侧同位素被磨削段的齿面，直至整个齿面磨削完毕； 磨削顺序是从牙根到牙齿前端，按粗磨、半精加工、精加工的顺序进行。 每次磨削工序结束后都要修正砂的轮廓形状。

12 )磁粉探伤的检查和牙齿精度的检查。

3 齿轮加工

3.1 主要参数及要求

齿轮轴的齿轮齿为标准渐开线直齿，其主要几何参数如表1所示； 齿轮轴材料采用低碳合金渗碳钢，其材料品种、热处理方式及相关要求见表2； 齿面公差及粗糙度的要求如表3所示。

表1齿轮的主要几何参数

表2齿轮材料和热处理技术要求

表3牙齿的齿面公差和粗糙度要求

3.2 齿形加工

坯料加工按常规加工工艺执行，热处理按热处理工艺执行(此处不再赘述热加工工序)。 模量mn=62.667的渗碳淬火齿轮轴齿形加工具体步骤如下。

3.2.1齿形预加工

根据表1的数据，可以计算出所有齿的深度为150.401 mm，齿槽的最大宽度为200.650 mm。 渐开线的展开长度已经远远超出现有滚齿机的加工能力，需要采用非常规的截齿技术。

(1)采用模块mn=50的指形铣刀，制作出单分度粗开槽。

(2)使用模块mn=62.667段指形铣刀，分成两段预加工齿形，如图5所示。 齿轮上半部分和下半部分的齿形分别用指形铣刀进行加工，在两段加工期间需要重新调整机床。 需要注意的是，齿轮下半部的齿槽深度和齿根过渡圆弧如图铣削，所有齿面均按加工标准留有4 mm。

图5牙铣齿机模型

(3)如图6所示，将齿块放置在梳齿机(SH1200 )上。 采用高速钢材料梳齿刀具加工齿轮齿廓，修正齿距，以消除Y36125卧式滚刀截齿机单齿铣削引起的齿距误差，按技术规范规定齿单面余量为1 mm。

图6梳齿工序

3.2.2齿形半精加工

齿轮渗碳淬火后，齿轮轴重新装上梳齿机，采用粉末冶金涂层梳齿刃开展梳齿半精加工，在纠正渗碳淬火热处理引起的齿轮齿变形的同时，消除齿面余量，提高刷牙效率。 按工艺标准在牙齿单面留取磨削余量0.4~0.5 mm。

3.2.3齿形磨削精加工

ZP50精密数控成形牙膏机如图7所示。 将齿轮轴安装在ZP50上，根据齿轮轴参数，对每个单齿面进行两步编程、调整及试运行，合格后进行分步模拟磨削精加工。 加工流程如下。

图7 ZP50成形牙膏机

(1)工件的对位、夹紧

(2)选择单斜边砂轮，修正砂轮平衡，修正后安装在ZP50磨床上；

(3)输入绘图参数；

(4)按步骤根据齿根渐开线修正砂轮轮廓，成形磨削各单齿面的齿根部；

(5)按步骤根据齿顶渐开线修正砂轮轮廓，成形磨削同齿面各齿顶；

(6)重新调整砂轮，重复步骤4、5，对另一齿面进行成型磨削；

(7)粗磨、半精磨、检验合格后精加工成齿形。

3.3 精度检测

模量mn=62.667的渗碳淬火齿轮轴进行铣削粗加工及梳齿加工半精加工，在ZP50成形卷板机上进行单面分段成形磨削法精加工，完成整个齿形，加工后轮齿精度检测结果如表4所示。

表4牙齿精度检查结果

4 结语

笔者充分利用现有设备实现了超大模数硬齿面齿轮的高精度齿形加工。 首先，在齿轮加工中，将Y36125普通卧式滚齿机、SH1200梳齿机和ZP50磨床相结合，充分发挥机床的加工优势； 其次，采用扇形指磨机扇形粗铣齿和专用磨削砂轮扇形精研磨新技术，采用数控仿真技术，保证了超大模数硬齿面齿轮的齿形加工精度，提高了加工效率，扩展了现有机床的加工能力。 通过实例加工论证，分步成形磨削技术不仅适用于超大模数硬齿面齿轮的高精度齿形加工，也适用于调质或调质齿面淬火的高精度超大模数齿轮的齿形精加工，以及大模数齿轮超过现有数控成形磨床磨削深度限制的齿形精加工。