渗碳淬火硬齿面内齿圈刮齿齿形精度提升研究

2023-11-10杨用清汪果胡余平邓燕斌

中国重型装备 2023年4期

杨用清汪果胡余平邓燕斌

(二重(德阳)重型装备有限公司,四川德阳 618000)

鼓形齿接轴是传动类关键产品,具有径向、轴向和角向等轴线偏差补偿能力,结构紧凑、回转半径小、承载能力大、传动效率高、噪声低等优点,广泛应用于冶金、矿山、起重运输等行业。渗碳淬火硬齿面内齿圈是其核心零件,渗碳淬火后硬度达到57～62HRC,其窄空刀槽齿圈齿部无法磨齿,采用插齿刮削存在加工难度大、刀具磨损快、齿形精度难以保证的共性问题。近年来,虽针对内齿圈加工方式进行了部分改进,但一直缺乏系统的工艺性研究,内齿圈产品质量稳定性较差,某钢厂使用的鼓形齿接轴在使用过程中出现鼓形齿齿面接触异常,齿面压溃,鼓形齿接轴使用寿命不满足设计要求的情况。此次依托现有插齿设备,通过改进插齿刀刃磨方式、优化插齿刀设计、优化刮削工艺参数等手段,提升硬齿面内齿圈刮齿齿形精度,提高鼓形齿接轴整体质量。

1 内齿圈结构及技术要求

某型号鼓形齿接轴直齿内齿圈外径∅380 mm,内径∅280H8,空刀槽宽25 mm,模数8 mm,齿数36,如图1所示。

图1 内齿圈结构图Figure 1 Structure of inner gear ring

内齿圈的主要技术要求如下:

(1)内齿圈材料为17Cr2Ni2Mo,抗拉强度≥1080 MPa,屈服强度≥785 MPa,具有较高的强度和韧性。

(2)内齿圈齿面需渗碳淬火处理,渗碳层硬度57～62HRC,精加工后有效硬化层深1.2～1.7 mm。

(3)齿面精加工精度为国标7级,齿面粗糙度为Ra1.6 μm。内齿圈齿根圆为∅304H9,需与齿面同时刮削加工。

2 制造难点分析

综合分析该内齿圈的结构和技术要求,其主要制造难点如下:

(1)内齿圈齿面渗碳淬火处理,渗碳层硬度57～62HRC,渗碳淬火后齿面变形导致余量不均匀,插齿刮削异常困难,加工效率低,精度难以保证。

(2)常规硬质合金插齿刀刮削时前刀面刃口磨损很快,刀具容易崩刃,刮削齿形误差较大。

(3)内齿圈左右齿面和齿根都有严格公差要求,需要三个面同时刮削,即插齿刀顶刃也要参与切削,故合理的切削参数设定是保证齿形精度的重点和难点。

3 影响齿形精度的主要因素

3.1 插齿刀前刀面刃磨精度

硬齿面插齿刀是采用抗冲击性能良好的负前角结构并用硬质合金刀片制造而成的插齿刀,对于渗碳淬火硬齿面内齿圈(齿部硬度57～62HRC)刮削性能良好。为了发挥硬齿面刮削过程高效轻快和斜角切削的优势,硬质合金插齿刀前刀面顶刃结构采用负前角形式,以确保两侧面渐开线主切削刃有良好的负刃倾角[1]。随着插齿刀顶刃负前角的增大,刀齿后面的磨损也不断减小。但是,只有插齿刀前刀面角度为零(也即平面)时,两侧面渐开线切削刃投影形成的曲线才是理论正确的齿面渐开线。前刀面负前角越大,其抗崩刃能力越强,但齿面渐开线曲线精度误差越大,所以要兼顾插齿刀的齿廓构形精度和刮削抗崩刃能力,前刀面角度一般设计为-5°[2]。

硬齿面内齿圈刮削过程中,刀具刃口逐渐磨损不再锋利,须对插齿刀-5°前刀面进行刃磨(见图2),刀具刃磨后能否保证刀具固有的参数和精度,尤其是前刀面斜向跳动误差是否合格,对加工零件的齿形精度有至关重要的影响。

图2 硬质合金插齿刀-5°前刀面刃磨示意图Figure 2 Tool grinding of the -5° rake face of the hard alloy gear shaping cutter

插齿刀可在万能工具磨床上沿前刀面刃磨,也可在外圆磨床上刃磨。直齿插齿刀是用砂轮的外圆柱面刃磨。刃磨时,万能夹头应调整一个角度,其值为插齿刀的顶刃前角,使前刀面母线与砂轮外圆柱面母线平行。

3.2 插齿刀精度和耐磨性

插齿过程是插齿刀与零件按照展成原理进行的无间隙啮合(切削)运动,插齿刀的精度直接影响零件齿面渐开线齿廓构形精度,至关重要。内齿圈渗碳淬火后齿部硬度为57～62HRC,硬度很高,常规硬质合金插齿刀切削过程中,刀具刃口极易磨损、翻边和脱落(见图3),磨损后刀具刃口齿形误差变大,导致切削加工的内齿齿形精度超差。

图3 插齿刀磨损实物图Figure 3 Physical picture of wear of gear shaper cutter

通过插齿刀磨损情况分析(如图4),硬质合金插齿刀的刀具耐磨损度与工件的齿面精度具有直接联系,且刀具耐磨度越高,刀具齿廓保持度越好,加工后零件的齿面齿形精度越高。反之,刀具耐磨度越低,刀具刃口越容易磨损、翻边,加工后零件的齿面齿形精度越差。

图4 插齿刀切削过程磨损示意图Figure 4 Wear during the cutting process of gear shaping cutter

3.3 机床精度和刮削工艺参数

插齿机的性能和精度对硬齿面内齿圈刮齿的效果影响很大。实际生产中我们应尽量选择刚性好高精度的插齿机,并适当减小传动链间的反向间隙,目前国内插齿机生产厂家中没有专门生产用于硬齿面内齿加工的刮齿专机[3]。由于硬齿面内齿圈渗碳淬火后的精刮齿过程负荷不大、冲程次数不高,故我公司在现有的数控插齿机上进行硬齿面刮削加工[4]。为提升机床精度,由公司设备部门对数控插齿机进行了维修保养,减小各运动部件之间的反向间隙,对机床主轴锥孔进行专业研磨提高锥孔精度,制作高精度的插齿刀接刀杆,确保刀具装夹后整体跳动误差小于0.01 mm。

与常规的硬齿面内齿圈不同,鼓形齿接轴内齿圈两齿面和齿根都有严格公差要求,需要三个面同时刮削,即插齿刀顶刃也要参与切削。故无法像硬齿面外齿轮那样在渗碳前用带凸角的留量滚刀提前将齿根挖根处理:即精加工时只需加工两齿面,齿根不用加工,减少刀具负荷。所以对于三面同时刮削的硬齿面内齿圈,刮削时要选择好粗、半精和精插齿时的余量分配、刀具刃磨频次、圆周进给量、主轴冲程次数、径向进给量等切削参数,确保零件高效高精度加工,刀具磨损小齿廓保持度好,从而保证内齿齿形精度。

4 加工方案优化

4.1 改进插齿刀刃磨方式

公司之前采用一台老式万能工具磨床,工人凭经验手动调整-5°修磨角度,前刀面斜向跳动误差0.2 mm,远大于要求值0.028 mm,插齿刀修磨精度很低。且该机床未配备冷却水箱,采用干磨磨刀时热量无法消除,硬质合金刀片极易产生磨削裂纹,进而产生剥落,导致刀具精度丧失,已严重影响到插齿加工质量和效率。

为提高插齿刀刃磨精度,对插齿刀刃磨方式进行改进。根据插齿刀磨削原理,制作一套组合工装用于立式MX2000数控外圆磨床进行湿磨插齿刀。针对插齿特点,设计插齿刀装夹刀杆孔为基准的装夹工装,工装由底座、压板、锁紧螺母三部分组成(见图5),采用插齿刀内孔及端面定位、螺栓把合压紧装夹方式,插齿刀装夹定位底面与底座装夹基准面贴合。

图5 插齿刀磨削装夹工装Figure 5 Grinding and clamping tooling for gear shaping cutter

对MX2000数控立式磨床的右砂轮磨头进行改造,将右磨头角度调整为5°,满足插齿刀前刀面5°锥面的修磨要求(见图6)。然后利用组合工装对插齿刀前刀面进行磨削试验,编制数控磨削程序确保前刀面刃磨角度正确,砂轮吃刀量为0.01 mm,走刀速度20 mm/min。磨削后插齿刀前刀面斜向跳动误差≤0.012 mm,粗糙度Ra≤0.6 μm,同时将磨削完成的插齿刀送刀具厂家进行齿轮检测仪计量,检测结果显示采用该磨削方法磨削的插齿刀,齿部精度均合格,表观质量良好无烧伤(见图7)。

图6 改进后插齿刀刃磨方式Figure 6 Improved grinding method of gear shaper blade

图7 新方法刃磨的插齿刀Figure 7 Gear shaping cutter with new method of grinding

4.2 插齿刀改进优化

利用硬质合金插齿刀进行硬齿面刮齿,是渗碳淬火高硬度内齿圈齿部加工的高效加工方法,对于没有加长小磨头内磨齿专机的厂家更是不错的加工方案。尤其是对于结构特殊如空刀槽很窄的内齿圈,无法对其进行齿面磨削加工,硬质合金插齿刀可发挥其独到作用,解决这一加工瓶颈。目前常规使用的硬质合金插齿刀结构为前刀面是-5°的圆锥面,刀具磨损钝化后可以对-5°前刀面进行重新刃磨。插齿刀齿顶后刀面也是圆锥面,其圆锥半角,即插齿刀顶刃后角通常取为6°,而刀齿两侧面,即刀齿侧后刀面均为渐开螺旋面,左侧为右旋,右侧为左旋。

随着插齿刀前刀面径向负前角的增大,随之其切削刃抗崩刃能力增强,但渐开线齿廓构形精度却急剧降低,因此,现有的硬质合金插齿刀前刀面通常采用不大于-5°的负前角,这使其抗崩刃能力受到了限制。尽管如此,目前这种前刀面-5°负前角的设计结构,已经对其刀具侧刃渐开线齿形精度造成一定限制,齿形精度无法进一步提高,故加工的硬齿面内齿圈也无法满足6～7级精度要求[5]。而且它在刮削大于或等于60HRC的渗碳淬火内齿圈时,其耐磨性与抗崩刃性能也有待进一步提高。

为解决目前常规硬质合金插齿刀的齿廓渐开线构形精度与采用合理切削角度之间的矛盾,以发挥刀具的最佳刮削性能,满足加工高精度硬齿面内齿圈的要求,项目组与刀具厂家一起研究讨论,提出一种抗崩刃能力更强、耐磨性和齿廓构形精度更高的硬质合金插齿刀优化方案。

方案中为减小刀具齿形误差,通过对插齿刀分度圆压力角进行修正,使刀具切削刃投影在分度圆处的切线和理论渐开线的切线重合,修正后的插齿刀刀刃水平投影与理论渐开线在分度圆处相切,将前刀面﹣5°负前角带来的刀具齿廓渐开线构形误差降低到最小[6]。通过反复试验研究,对硬质合金插齿刀刀片材质进行改进升级,采用耐磨性和抗冲击性能更好的材料和热处理方案,研制出新型AA级硬质合金插齿刀(见图8)。

图8 新AA级硬质合金插齿刀Figure 8 New Grade AA hard alloy gear shaping cutter

4.3 优化刮削工艺参数

渗碳淬火硬齿面内齿圈由于齿面硬度极高,热处理后齿圈存在整体变形,导致各齿面余量不一致,且渗碳淬火喷砂后附着在齿面的喷砂层对刀具磨损影响较大,所以硬齿面内齿圈刮齿加工与软齿面内齿圈插齿存在很大差异,需要对插齿刀具、渗碳前齿面余量、精加工齿面余量分配、磨刀频次和刮齿参数进行优化设计,才能保证精刮齿后三坐标计量合格。

渗碳淬火前半精插齿时,考虑到渗碳淬火变形和涨大量,对内齿圈齿厚(或量棒距M值)进行相应的留量,以保证精刮齿时齿面有足够的加工余量。由于图纸要求精加工后有效硬化层深1.2～1.7 mm,故热处理前齿面留量要合适,不能偏大也不能偏小,偏小则无法消除热处理变形,齿面将残留黑皮;偏大则齿面渗碳层刮削过多导致渗碳层深度减小,且导致加工量增加使插齿刀磨损加剧[7]。根据公司相关技术标准和现场记录的历史数据,该内齿圈热处理前的齿面精加工留量控制为单边0.6 mm,由于精加工齿根圆有严格公差要求,所以渗碳淬火前齿根按比例相应留量1.2 mm。

限制插削速度的主要因素是被插齿轮的材料硬度,在保持切削参数相同的条件下,切削相同件数的同种齿轮,当被加工齿坯的硬度增加10%,刀具的磨损将增加40%。插削速度是以冲程次数和插削的行程长度来体现的。故在插削行程长度确定后,将切削速度换算成冲程次数,以用于插齿机的调整。切削速度按下面公式计算:

L=1.5+1.1W+πMtsinα

式中,nr为粗插的冲程次数;nf为精插的冲程次数;Vr为粗切的切削速度(m/min);Vf为精切的切削速度(m/min);L为插削的行程长度(mm);W为齿轮的齿面宽度(mm);Mt为齿轮的端面模数;α为齿轮分度圆螺旋角(°)。

通过系列刮齿实验,渗碳淬火硬齿面内齿圈插齿采用粗插齿—半精插齿—精插齿加工方案,优化后加工参数为:

(1)粗插齿时先修正热处理变形量,先不加工齿根。额定圆周进给量0.35 mm/冲程,粗插齿时,适当增加圆周进给量可提高插齿效率。主轴冲程次数25～30次/min,径向进给量0.5～0.3 mm,随加工冲程减少。

(2)半精插齿时,两齿面和齿根都要刮削,切削抗力加大,额定圆周进给量适当减小,控制为0.30 mm/冲程,主轴冲程次数20～25次/min,径向进给量0.25～0.15 mm,随加工冲程减少。

(3)精插齿时,额定圆周进给量0.25 mm/冲程,主轴冲程次数20～25次/min,径向进给量0.1～0.15 mm,随加工冲程减少,按余量设置[8]。精插齿过程中,要密切观察刀具磨损情况,增加插齿刀前刀面刃磨频次,确保插齿刀刃口锋利且齿廓正确。

5 方案实施及效果

渗碳淬火内齿圈安排在Y58数控插齿机进行刮齿加工(如图9)。依据图纸参数、刀具工装号,选择优化后的硬质合金插齿刀。刮削插齿刀需准备3把刀,1号粗刀用于粗加工,因加工时刀具损伤较快,且齿面还有加工余量,可以选择合金刀片有损伤的旧插齿刀加工;2号半精刀、3号精刀都必需选择完整的合金插齿刀。

图9 硬齿面内齿圈刮齿加工Figure 9 Scraping of hard tooth surface inner gear ring

依据插齿参数和工艺留量,用内径千分尺检查齿部余量及变形量,找到余量最大的齿作为对刀基准齿。需要在圆周方向上均布选取不少于6处位置进行测量,并且需测量同一齿齿槽的上下两处。设置粗插齿切削参数为:冲程25次/min,进刀速度0.05 mm/冲程,圆周进给率0.35 mm/冲程[9],每刀吃刀量0.3 mm,粗加工齿厚留量0.4 mm。设置精插齿切削参数为:冲程20次/min,进刀速度0.03 mm/冲程,圆周进给率0.25 mm/冲程,每刀吃刀量0.1～0.15 mm。根据加工过程中测量齿根上下数据差值,差值较大就需要刃磨插齿刀,刃磨刀具在新改进的数控立磨上进行,保证插齿刀的刃磨精度和刃口锋利。

加工完成的内齿圈通过三坐标计量齿形、齿向、齿距和径向跳动误差,精度完全达到图纸要求的7级精度,三坐标齿形检测数据见表1。