軸套齒輪機(jī)械加工工藝及刀具的選擇

軸套齒輪機(jī)械加工工藝及刀具的選擇 若遇淬火件難加工問(wèn)題 刀具技術(shù)方面咨詢 歡迎致電 15638121553 吳百利 鄭州華菱市場(chǎng)部

齒輪的常用材質(zhì)無(wú)非是 45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr 這些材質(zhì)20CrMnTi滲碳淬火后 40cr熱處理后 45號(hào)鋼淬火后 均可才采用鄭州華菱bn-h20牌號(hào)刀片車削加工淬火件（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr），亦可精加工以車代磨（間斷切削）單邊余量控制在0.30mm以內(nèi)均可加工。Bn-h20牌號(hào)刀片抗沖擊性強(qiáng)、韌性好、硬度高。也可選用bn-s20牌號(hào)整體式刀片 大余量車削單邊余量控制在1-5mm范圍內(nèi)。

軸套齒輪在軋鋼機(jī)中與壓下傳動(dòng)螺紋相配合，調(diào)節(jié)輥縫大小，傳遞軋制力或軋制力矩，起到導(dǎo)正、限位、止轉(zhuǎn)及定位的作用。通過(guò)使用數(shù)控機(jī)床改進(jìn)其傳統(tǒng)的加工工藝，保證質(zhì)量精度要求及提高加工效率，對(duì)保證機(jī)器的穩(wěn)定運(yùn)行及降低生產(chǎn)成本有著重要的意義。

1 零件的結(jié)構(gòu)分析

　　該零件屬于軸套類零件如圖1所示，由外圓、齒輪、軸肩、內(nèi)孔、鍵槽等不同形式的幾何表面及幾何實(shí)體組成。軸套齒輪的精度要求較高，加工難度大，必須對(duì)軸套齒輪加工過(guò)程中的一些重要問(wèn)題，如材料、基準(zhǔn)選擇、裝夾方法、熱處理方法、齒形加工等做出正確的選擇和分析，才能保證產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求。

2 材料的選用

　　傳動(dòng)機(jī)械中齒輪常選用中碳材料，如45鋼、40Cr等，通過(guò)調(diào)制處理獲得良好的綜合機(jī)械性能。高速重載的齒輪一般選用中低碳合金， 如20CrMnTi等，增強(qiáng)齒芯韌性以抵抗較大的彎曲應(yīng)力及剛性沖擊，再經(jīng)過(guò)齒面滲碳及高頻感應(yīng)淬火等熱處理工藝加強(qiáng)齒面的硬度，以提高齒面的耐磨性。此零件用于低速中載，故選用的材料為40Cr。

3 毛坯的選擇

　　由于軸套齒輪機(jī)械強(qiáng)度要求較高，各階梯直徑相差較大，為減少材料消耗和機(jī)械加工的勞動(dòng)量，此零件選用鍛坯。

4 工藝過(guò)程的安排及基準(zhǔn)的選擇

　　工藝過(guò)程的安排要綜合考量零件的設(shè)計(jì)要求、生產(chǎn)類型及生產(chǎn)部門的實(shí)際生產(chǎn)能力等問(wèn)題，制定出最為合理的工藝方案。具體工藝過(guò)程見(jiàn)表1。

 各道工序的要求及工藝分析

　　5.1 正火

　　由于此零件采用的是中碳合金鋼40Cr，為避免其切削時(shí)因?yàn)橛捕忍投l(fā)生粘刀和產(chǎn)生積屑瘤的現(xiàn)象，故在粗車前安排正火，以適當(dāng)提高硬度，改善材料的切削性能，為之后調(diào)質(zhì)等熱處理工序做好組織準(zhǔn)備。本例中正火溫度為960℃，硬度控制在HB170~207。

　　5.2 荒車、鉆孔

　　由于此零件選用的是自由鍛毛坯，毛坯尺寸偏差較大，故在粗加工前安排一步荒車工序。荒車選用外圓為定位基準(zhǔn)，粗車外圓各部及端面留3 mm余量，并鉆中心孔，為鉆通孔做好準(zhǔn)備。鉆通孔，留2～3 mm余量。在工藝系統(tǒng)剛性允許的條件下，背吃刀量可以盡量取大，以減少走刀次數(shù)，提高加工效率。

　　5.3 粗車、半精車、半精鏜

　　由于此零件外圓與內(nèi)孔有Φ0.015 mm 的同軸度要求，并考慮到數(shù)控加工中的工序集中的特點(diǎn)，故使用內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，上芯軸，使用雙頂尖的裝夾方式，運(yùn)用左、右走刀的方法，在一次裝夾中完成整個(gè)外圓輪廓的粗加工及半精加工，并且使定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相統(tǒng)一，消除了基準(zhǔn)不重合誤差。在粗車工序后留1 mill左右雙邊余量，半精車后Φ0．5 mill左右精車雙邊余量。在外圓半精車后，可以再利用外圓作為定位基準(zhǔn)半精鏜內(nèi)孔，內(nèi)孔與外圓互為基準(zhǔn)，有利于提高加工精度。

　　5.4 精鏜，精車

　　精加工的目的在于保證加工精度，即尺寸精度及表面質(zhì)量。此例中外圓及內(nèi)孑L尺寸精度為IT8，表面粗糙度為Ra1.6，故應(yīng)用互為基準(zhǔn)的原則，以內(nèi)孔和外圓分別作為各自的精基準(zhǔn)，保證定位精度，并需要選擇較高的切削速度(800～1200 r／min)及較小的進(jìn)給量來(lái)保證其表面質(zhì)量。

　　5.5 調(diào)質(zhì)處理

　　軸及齒輪類零件為了獲得良好的綜合機(jī)械性能，常用采用調(diào)質(zhì)處理這種熱處理方法，其原理是淬火加高溫回火，獲得回火索氏體，硬度質(zhì)控制在HRC25~30。

　　5.6 滾齒，剃齒，磨齒

　　在此例中齒輪的精度為7級(jí)，為了能在保證精度的前提下，盡可能得提高加工效率，故安排滾齒-剃齒-齒面高頻淬火-磨齒這種加工順序。滾齒，剃齒，磨齒三道工序均采用內(nèi)孔及一端面作為定位基準(zhǔn)，由于內(nèi)孔和端面都經(jīng)過(guò)精加工，故有很高得定位精度。

　　5.7 齒面高頻感應(yīng)淬火

齒面高頻感應(yīng)淬火是利用電磁效應(yīng)，在極短的時(shí)間內(nèi)加熱金屬零件表層達(dá)到奧氏體溫度，并迅速冷卻淬火的熱處理工藝。由于只在零件的表層進(jìn)行了淬火，故在表層形成了一層硬度很高的淬硬層，而零件的內(nèi)部仍然保持了原有的高韌性，這樣做的好處是，在受到?jīng)_擊及較大壓力時(shí)，內(nèi)部能保證足夠的韌性，表面的高硬度又使輪齒在長(zhǎng)時(shí)間嚙合中保持高耐磨性，這便是我們常說(shuō)的使齒輪“外硬內(nèi)韌”的效果。本例中選用的材料為40Cr，經(jīng)過(guò)表面高頻淬火后完全能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故選用此種熱處理方式。

加工淬火件（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）刀具的選擇

齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）淬火、滲碳淬火后后變形嚴(yán)重，特別是對(duì)于大型齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr），淬火、滲碳淬火后外圓和內(nèi)孔尺寸變形量一般都很大，而對(duì)于淬火、滲碳淬火后后的齒輪外圓車削，一直沒(méi)有合適的刀具，“華菱超硬”研制的用于強(qiáng)斷續(xù)車削淬火鋼的HLBN-H20刀具，對(duì)淬火、滲碳淬火后齒輪外圓內(nèi)孔及端面的變形進(jìn)行車削修正找到了合適的斷續(xù)切削加工刀具，并在BN-H20刀具斷續(xù)切削加工領(lǐng)域取得世界性的突破。
       齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）淬火、滲碳淬火后變形：齒輪淬火、滲碳淬火后變形主要是由于工件在機(jī)加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及工件自重變形等共同作用而產(chǎn)生的。特別是大型齒圈和齒輪，大型齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）由于模數(shù)大、滲層深，滲碳時(shí)間較長(zhǎng)，并受到自重影響，也會(huì)增加淬火、滲碳淬火后后的變形量。 大型齒輪軸變形規(guī)律：齒頂圓外徑呈明顯收縮趨勢(shì)，但一根齒軸的齒寬方向上，中間呈縮小，兩端略有脹大 。齒圈變形規(guī)律：大型齒圈經(jīng)淬火、滲碳淬火后后，其外徑均脹大，齒寬大小不同時(shí)，齒寬方向呈錐形或腰鼓形。
       齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）淬火、滲碳淬火后后車削加工：齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）淬火、滲碳淬火后變形可以在一定程度上加以控制和減小,但是不能夠完全避免.對(duì)于淬火、滲碳淬火后后的變形校正不再贅述，下面是淺談淬火、滲碳淬火后后車削加工及刀具的可行性。
       淬火、滲碳淬火后后車削加工外圓，內(nèi)孔，端面：對(duì)于淬火、滲碳淬火后齒圈齒輪的外圓和內(nèi)孔變形量的修正，車削是最簡(jiǎn)單的辦法，以前任何刀具包括國(guó)外BN-H20刀具都不能解決強(qiáng)斷續(xù)切削淬火后齒輪外圓，華菱超硬受邀對(duì)此進(jìn)行刀具研發(fā)，“間斷切削加工淬硬鋼一直是個(gè)難題，何況是動(dòng)輒HRC60左右的淬硬鋼，而且變形余量大，在高速車削淬硬鋼時(shí)，如果工件有間斷切削，刀具在間斷切削淬硬鋼時(shí)會(huì)以每分鐘100次以上的沖擊來(lái)完成加工，對(duì)刀具的抗沖擊性能是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。”中國(guó)刀協(xié)專家如是說(shuō)。華菱超硬經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)一年之久的反復(fù)試驗(yàn)，推出強(qiáng)斷續(xù)車削淬硬鋼的BN-H20刀具牌號(hào)；并在淬火、滲碳淬火后后的齒輪外圓進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)。

       齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）淬火、滲碳淬火后后車削加工外圓試驗(yàn)
       大型齒輪（齒圈）淬火、滲碳淬火后后變形嚴(yán)重，齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）外圓變形量高達(dá)2mm，淬火后的硬度為HRC60-65，客戶當(dāng)時(shí)很難找到大直徑磨床，而且加工余量大，磨削效率太低，最終對(duì)淬火、滲碳淬火后齒輪進(jìn)行外圓車削。
       bn-s20牌號(hào)刀片切削線速度：50--70m/min， 吃刀深度1.5--2mm   走刀量0.15-0.2mm/每轉(zhuǎn)（根據(jù)粗糙度要求調(diào)整）

       車淬火齒輪外圓時(shí)，一次走刀加工完成，原來(lái)用的進(jìn)口陶瓷刀具只能多次加工才能把變形量切掉，而且崩刃嚴(yán)重，刀具使用成本非常高。
       刀具試驗(yàn)結(jié)果：比原來(lái)用的進(jìn)口氮化硅陶瓷刀具抗沖擊，在吃刀深度增大三倍的情況下壽命是氮化硅陶瓷刀具的6倍！切削效率整整提高3倍（原來(lái)是三次走刀，現(xiàn)在是一次走到完成）。工件表面粗糙度也達(dá)到用戶要求，最難能可貴的是刀具的最終失效形式并不是讓人擔(dān)心的崩刀刃，而是正常的后刀面磨損。此次斷續(xù)車削淬火齒輪外圓實(shí)驗(yàn)，打破了業(yè)內(nèi)BN-H20刀具不能用于強(qiáng)斷續(xù)車削淬硬鋼的神話！在刀具學(xué)術(shù)界引起很大的轟動(dòng)！
       齒輪淬火后硬車削內(nèi)孔的表面光潔度
以斷續(xù)切削帶油槽的齒輪內(nèi)孔為例：試切刀具壽命達(dá)到8000米以上，光潔度Ra0.8以內(nèi)；如果使用帶修光刃BN-H20刀具，淬硬鋼車削光潔度達(dá)到Ra0.4左右。并能取得很好的刀具壽命
       齒輪淬火、滲碳淬火后后車加工端面
齒輪熱后硬車端面時(shí)，能有效代替磨削加工，作為“以車代磨”的典型應(yīng)用，立方氮化硼刀片已經(jīng)很普及的應(yīng)用在齒輪端面熱后硬車的生產(chǎn)實(shí)踐中，硬車削與磨削加工相比，確實(shí)大大提高了工作效率。
綜述：
       對(duì)于淬火、滲碳淬火后后車削問(wèn)題，對(duì)于端面車削，普通的焊接復(fù)合式立方氮化硼刀具已經(jīng)得到普及，但對(duì)于大型齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）淬火、滲碳淬火后的外圓和內(nèi)孔尺寸變形，大余量車削掉變形量一直是加工難題。 華菱超硬HLBN-H20立方氮化硼刀具斷續(xù)車削淬火鋼是刀具行業(yè)的一大進(jìn)步，有利于齒輪行業(yè)“以車代磨”工藝的廣泛推廣，也為困擾多年的淬硬齒輪外圓車削用刀具問(wèn)題找到了答案，對(duì)縮短齒輪（45號(hào)鋼、20CrMnTi、40cr）的制造周期，降低生產(chǎn)成本也都具有重要意義 ；HLBN-H20系列刀具被業(yè)界稱為強(qiáng)斷續(xù)車削淬火鋼的世界典范。

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