大模数粉末冶金齿轮磨齿工艺

郝建勇，岳剑龙，刘勇，许利利

中国航发西安动力控制科技有限公司 陕西西安 710077

1 序言

粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金材料是用粉末冶金工艺制得的多孔、半致密或全致密材料（包括制品）。随着对新材料应用的不断探究，航空发动机齿轮类零件越来越多地采用粉末冶金材料。但是，由于粉末冶金材料特殊的成形方法及材料本身所具有的特殊性能，因此使得在磨齿时会出现尺寸不稳定、烧伤等现象。高精度齿轮精度要求在国标4～5级时，只能用磨齿、珩齿的方法来保证其加工精度。大模数齿轮（模数m≥5）磨齿时，齿根转接处和根径烧伤十分严重。

2 零件及材料性能分析

图1 所示齿轮零件加工要求：模数＝6、齿数＝11、压力角＝28°、齿圈径向圆跳动公差＝0.028mm、公法线长度变动量公差＝0.02mm、齿距极限偏差＝±0.011mm、齿形总偏差＝0.01mm、齿向偏差＝0.01mm以及单个齿距偏差＝0.008mm，达到了5级精度，属于高精度大模数齿轮，在加工中必须依靠磨齿来保证最终精度。

图1 齿轮零件示意

该零件模数虽较大，但只有11个齿，属于根切齿轮。零件的变位系数为0，没有变位，这就意味着在零件的齿根转接处会形成很大的转接半径R及内凹，在成形磨齿加工中，齿根转接处的散热性较差，容易产生烧伤。另外，在磨齿过程中由于模数较大，因而砂轮与齿面的接触面积也较大，散热受阻，严重影响了齿轮加工精度。

零件材料为AHP10V粉末冶金高钒工具钢，材料中碳化物多，在渗氮处理后，其硬度高达65～70HRC，材料耐磨性高，其多孔性及高硬度直接影响了磨齿精度。

3 磨齿时齿根转接处烧伤分析

经多次实际加工发现，此种大模数少齿数粉末冶金齿轮磨齿时，烧伤大多发生在齿根转接处，分析其原因，主要有以下几个方面。

1）粉末冶金材料本身具有难磨削性，渗氮处理后，其硬度高达65～70HRC，高硬度使得材料磨削困难。

2）由于模数大、齿数少以及没有变位，因而齿轮本身就会有严重的根切，在齿根转接处会产生内凹，这样一来，磨齿时就会在转接处积累大量的磨削热，导致散热性不好。

3）由于在转接处切削液很难进入磨削区域，所以齿根转接处冷却不充分。

4）零件经过渗氮处理后，齿根转接处容易应力集中，导致此类齿轮在磨齿时，齿根转接处烧伤以致产生烧伤裂纹。

4 线切割对齿根转接处进行预处理

针对齿根处烧伤的原因，在加工时可以采用割齿的方法对齿根转接处（见图2）进行预先处理，提前去除加工余量，避免磨齿时此处烧伤。根据齿轮的啮合原理，在不影响齿轮副正常啮合的情况下，对齿根转接处进行预处理，由齿轮参数可以计算出转接处位于基圆以下，按共轭齿轮啮合时的工作圆计算出工作圆半径为

图2 齿根转接处示意

式中，m是模数；z是齿数；δ是相啮合齿轮顶圆上的压力角（°）。

经计算得出齿轮工作圆尺寸，如图3所示。

图3 齿轮工作圆尺寸

根据计算结果，可在齿轮工作圆φ56.7mm以下到齿根圆φ52.6mm部分进行0.15mm的过切偏移。这是因为该部分没有渐开线，不参与零件的啮合，对齿轮副的啮合不会产生影响。齿根转接处偏移量如图4所示。进行线切割割齿时，在此处的偏置容易实现。当最后进行磨齿加工时，所加工部分仅仅是齿轮的渐开线工作齿廓，不对齿根转接处进行磨削加工，既保证了齿轮的加工精度，又避免了局部烧伤。

图4 齿根转接处偏移量

5 磨齿砂轮的选择

对于大模数齿轮，由于磨齿砂轮和齿面在磨削时接触面较大，而粉末冶金材料在渗氮后组织会发生显著变化，材料本身的多孔性会导致砂轮表面出现微观疲劳，所以当砂轮从孔到固体颗粒往复移动时，磨料持续受到冲击，持续的小冲击导致砂粒脱落；多孔性还会降低零件的导热性，最后导致砂轮切削刃微崩，砂轮不锋利，磨削过程中尺寸不稳定，致使零件发生烧伤现象。材料的高硬度成了制约磨削精度的主要因素，在砂轮的选择上应考虑特殊磨料及粒度、材料硬度以及砂轮气孔的变化。

渗氮处理后的粉末冶金材料磨削时容易黏附，堵塞砂轮，造成磨削过热，表面完整性降低。要选择黏附性小、磨损小以及不易堵塞的砂轮。因为成形磨齿机不同于展成磨齿机，其进给垂直于加工工件，即径向进给，成形砂轮的形状等于最终齿形，所以成形磨齿机砂轮的形状比较复杂，切削量在各点不尽相同，它需要更好的保形性能，因而所选砂轮应具有较高的硬度，加之磨削容易烧伤，故砂轮需有气孔。

综上分析，经加工试验，得出粉末冶金磨齿砂轮的选择建议如下。

1）砂轮磨料选择特殊陶瓷刚玉5SG磨料。

2）由于表面粗糙度值Ra=0.4μm，所以砂轮粒度通常以100#为宜。

3）陶瓷结合剂热稳定性与化学稳定性好，防水、耐热、耐腐蚀、磨损小且可长时间保持磨削性能，具有多孔性、不易堵塞以及生产率高的优点，因此粉末冶金齿轮磨削首选陶瓷结合剂砂轮。

4）在保证齿面表面粗糙度的前提下，尽可能选择较软的砂轮。但是由于磨削原理不同，成形磨齿机的砂轮硬度要稍高于展成磨齿机的砂轮硬度，因此砂轮硬度为G较好。

5）选用的砂轮型号为5SG100-G15VS3P，规格为300mm×20mm×50.8mm（外径×厚度×孔径）。

6 磨齿加工参数的调整

成形磨齿机为双面磨削，即砂轮对一个齿槽的左右齿面同时进行切削，冲程进给缓慢，不利于散热和切削液的进入，因此成形磨齿机对齿面容易造成表层回火及二次淬火烧伤。磨削过程一般分为粗磨、半精磨和精磨三个阶段。粗磨过程进给速度为3000mm/min，进给量为0.02～0.03mm/r；半精磨过程进给速度为2000mm/min，进给量为0.01～0.015mm/r；精磨过程进给速度为1000mm/min，进给量为0.008mm/r。对加工后的齿轮进行检测，得到齿形公差均值为0.0048mm，齿向公差均值为0.0053mm，公法线变动量为0.01mm，能够满足图样要求。因为零件齿数较少、模数较大，所以砂轮齿形修得较大，在磨削过程中砂轮的保持性较好。但是由于零件材料较硬，导致砂轮的锋利性差，磨削时容易烧伤。经试验得出，在进行完一次磨削之后，需进行一次砂轮的修整，以保持砂轮的锋利性，减少磨削烧伤。

7 结束语

针对大模数粉末冶金齿轮的磨齿工艺进行分析和研究，总结出合适的加工方案，磨齿前对齿根转接处进行线切割偏置加工，磨齿时仅加工齿轮的渐开线工作齿廓，通过砂轮和磨削参数的调整，最终解决了该类齿轮的加工难题。

专家点评

本例中的粉末冶金齿轮属于大模数少齿数根切齿轮，在齿根转接处会形成很大的圆弧及内凹，磨齿过程中砂轮接触面积较大，散热受阻，容易造成表面烧伤。作者通过工艺分析，采用线切割与磨齿相结合的加工方案，通过线切割齿形的局部偏置，过切齿根部位至设计要求，磨齿工序仅加工齿轮的渐开线工作齿廓，不再对齿根转接处进行磨削，巧妙地解决了齿根部位的烧伤难题。这种避难就易、独开蹊径的加工方法很值得推广学习。