肖 芳 梅自元 鐘 維

(格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330013)

1 齒輪材料的選取

齒輪材料的選擇是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，目前在通用普遍的齒輪才有以下幾種：

1.1 鋼

鋼的性質(zhì)耐沖擊、韌性好，表面經(jīng)過特定的熱處理后大大提升其的硬度，為最適用制造齒輪的材料。

1.2 鍛鋼

合金鋼根據(jù)所含金屬的成分及性能，可分別使材料的韌性、耐沖擊、耐磨及抗膠合的性能等獲得提高，也可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善材料的力學(xué)性能及提高齒面的硬度。所以對于既是高速、重載又要求尺寸小、質(zhì)量小的航空用齒輪，就都用性能優(yōu)良的合金鋼來制造。

1.3 鑄鐵

鑄鋼耐磨性比較好，故用于大型的齒輪。

1.4 非金屬

非金屬材料可以大大地降低齒輪傳動過程中的噪音，但缺陷也比較明顯，耐磨性較差，只適用于部分傳動齒輪。

2 機械加工工藝

2.1 粗/精車

車削加工的實質(zhì)就是按照零件圖紙的尺寸要求[1]，在確保尺寸質(zhì)量合格的情況下，保證切削高效性、穩(wěn)定性、安全性。在進(jìn)行精車加工的過程中，我們必須了解注意以下幾點：刀具的選取、切削路徑及參數(shù)的設(shè)定、產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 滾齒

滾切齒輪屬于展成法，可將看作無嚙合間隙的齒輪與齒條傳動。當(dāng)滾齒旋轉(zhuǎn)一周時，相當(dāng)于齒條在法向移動一個刀齒，滾刀的連續(xù)傳動，猶如一根無限長的齒條在連續(xù)移動。當(dāng)滾刀與滾齒坯間嚴(yán)格按照齒輪于齒條的傳動比強制嚙合傳動時，滾刀刀齒在一系列位置上的包絡(luò)線就形成了工件的漸開線齒形。隨著滾刀的垂直進(jìn)給，即可滾切出所需的漸開線齒廓[2]。

2.3 熱處理

熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。

2.4 磨齒

利用磨齒機對齒輪的輪齒進(jìn)行磨削加工的過程叫做磨齒。分為圓柱形齒輪的內(nèi)齒磨削和外齒磨削；圓柱斜齒輪的內(nèi)齒磨削和外齒磨削，以及傘齒輪的磨削。磨齒機，是一種齒輪精加工用的金屬切削機床。用砂輪作為刀具來磨削已經(jīng)加工出的齒輪齒面，用以提高齒輪精度和表面光潔度，這種加工方法稱為“磨齒”。適用于精加工淬火后硬度較高的鋼料齒輪。是一種齒輪精加工用的金屬切削機床。用砂輪作為刀具來磨削已經(jīng)加工出的齒輪齒面，用以提高齒輪精度和表面光潔度，這種加工方法稱為“磨齒”[3]。適用于精加工淬火后硬度較高的鋼料齒輪。

2.5 磨錐面/磨內(nèi)孔

通過磨床進(jìn)行表面或內(nèi)孔進(jìn)行加工，也包括珩磨機、超精加工機床、砂帶磨床、研磨機和拋光機等設(shè)備。

2.6 裝配

裝配是一個漢語詞語，指將零件按規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來，并經(jīng)過調(diào)試、檢驗使之成為合格產(chǎn)品的過程，裝配始于裝配圖紙的設(shè)計。產(chǎn)品都是由若干個零件和部件組成的。按照規(guī)定的技術(shù)要求，將若干個零件接合成部件或?qū)⑷舾蓚€零件和部件接合成產(chǎn)品的勞動過程，稱為裝配。前者稱為部件裝配，后者稱為總裝配。

3 工藝選擇

3.1 材料選擇

3.1.1 輕載、低速或中速、沖擊力小、精度較低的一般齒輪

選用中碳鋼，如Q235、Q275、40、45、50、50Mn等鋼制造，常用正火或調(diào)質(zhì)等熱處理制成軟齒面齒輪，正火硬度HBS160～200，一般調(diào)質(zhì)硬度HBS200～280。因硬度適中，精切齒廓可在熱處理后進(jìn)行，工藝簡單，成本低。齒面硬度不高則易于磨合，但承載能力也不高。這種齒輪主要用于標(biāo)準(zhǔn)系列減速箱齒輪、冶金機械、中載機械和機床中的一些次要齒輪。

3.1.2 中載、中速、承受一定沖擊載荷、運動較為平穩(wěn)的齒輪

選用中碳鋼或合金調(diào)質(zhì)鋼，如45、50Mn、40Cr、42SiMn等鋼，也可采用55Tid、60Tid等低淬透性鋼。其最終熱處理采用高頻或中頻淬火及低溫回火，制成硬齒面齒輪，可達(dá)齒面硬度HRC50～55，齒輪心部保持正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)，具有較好的韌性。由于感應(yīng)加熱表面淬火的齒輪變形小，若精度要求不高(如7級以下)，可不必再磨齒。機床中絕大多數(shù)齒輪就是這種類型的齒輪。對表面硬化的齒輪，應(yīng)注意控制硬化層深度及硬化層沿齒廓的合理分布。

3.1.3 重載、高速或中速，且受較大沖擊載荷的齒輪

選用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼，如20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等鋼。其熱處理采用滲碳、淬火、低溫回火，齒輪表面獲得HRC58～63的高硬度，因淬透性較高，齒輪心部有較高的強度和韌性。這種齒輪的表面耐磨性、抗疲勞強度和齒根的抗彎強度及心部抗沖擊能力都比表面淬火的齒輪高，精度要求較高時，最后一般要安排磨削。它適用于工作條件較為惡劣的汽車、拖拉機的變速箱和后橋齒輪。碳氮共滲與滲碳相比，熱處理變形小，生產(chǎn)周期短，力學(xué)性能高，而且還應(yīng)用于中碳鋼或中碳合金鋼，所以許多齒輪可用碳氮共滲來代替滲碳工藝。內(nèi)燃機坦克、飛機上的變速齒輪的負(fù)載和工作條件比汽車的更重、更惡劣，要求材料的性能更高，應(yīng)選用含合金元素高的合金滲碳鋼，以獲得更高的強度和耐磨性。

3.1.4 精密傳動齒輪或磨齒有困難的硬齒面齒輪(如內(nèi)齒輪)

主要要求精度高，熱處理變形小，宜采用氮化鋼，如35CrMo、38CrMoAlA等鋼。熱處理采用調(diào)質(zhì)及氮化處理，氮化后齒面硬度高達(dá)HV850～1200(相當(dāng)于HRC65～70)，熱穩(wěn)定性好(在500～550℃仍能保持高硬度)，并有一定的抗蝕性。其缺點是硬化薄，不耐沖擊，故不適用于載荷頻繁變動的重載齒輪，而多用于載荷平穩(wěn)、潤滑良好的精密傳動齒輪或磨齒困難的內(nèi)齒輪。近年來，由于軟氮化和離子氮化工藝的發(fā)展，使工藝周期縮短，選用鋼種變寬，選用氮化處理的齒輪逐漸廣泛。

3.2 車銑加工

3.2.1 車銑設(shè)備

數(shù)控車床是一種高效的加工設(shè)備，可以對齒輪的軸向/徑向尺寸進(jìn)行粗加工與精加工。

3.2.2 刀具類型

在進(jìn)行數(shù)控車削的過程中，我們需要有幾大因素需要掌握，刀具的選擇、工裝的確認(rèn)、切削參數(shù)的設(shè)定。其中最重要的環(huán)節(jié)就是刀具選擇。在選擇車削刀具的過程中需考慮刀具的材質(zhì)、加緊方式、刀桿形狀、刀片形狀、刀片后角、刀桿方向、內(nèi)切圓直徑、刀片切削刃長等。刀具類型一般取決于加工工件區(qū)域的不同，加工內(nèi)孔一般使用鏜孔刀。加工工件外圓尺寸一般使用常規(guī)外圓車刀；加工槽的過程中一般使用特種成型刀具。

3.2.3 刀具裝夾

快速松開的加緊方式可以減少換刀時間，剛性加緊的方式可以減少振動、延長刀具壽命。

3.3 滾齒加工

滾齒設(shè)備是一種進(jìn)行齒輪成型的設(shè)備，滾刀是加工過程中的重中之重，常用的加工外嚙合支持和斜齒圓柱齒輪的刀具。加工時，滾刀相當(dāng)于一個螺旋角很大的螺旋齒輪，其齒數(shù)即為滾刀的頭數(shù)，工件相當(dāng)于另一個螺旋齒輪，彼此按照一對螺旋齒輪空間嚙合，以固定的速比旋轉(zhuǎn)，由依次切削的各相鄰位置的刀齒齒形。刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)﹐齒輪繞本身軸線轉(zhuǎn)過一個齒﹔多頭滾刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)﹐齒輪轉(zhuǎn)過的齒數(shù)與滾刀頭數(shù)相等。值得說明的一點是用硬質(zhì)合金制造滾刀﹐可以顯著提高切削速度和切齒效率。整體硬質(zhì)合金滾刀已在鐘表和儀器制造工業(yè)中廣泛地用于加工各種小模數(shù)齒輪。

3.4 熱處理

對工件表面進(jìn)行強化的金屬熱處理工藝。它廣泛用于既要求表層具有高的耐磨性、抗疲勞強度和較大的沖擊載荷，又要求整體具有良好的塑性和韌性的零件，如曲軸、凸輪軸、傳動齒輪等。表面熱處理分為表面淬火和化學(xué)熱處理兩大類。

3.4.1 表面淬火

通過不同的熱源對工件進(jìn)行快速加熱，當(dāng)零件表層溫度達(dá)到臨界點以上(此時工件心部溫度處于臨界點以下)時迅速予以冷卻，這樣工件表層得到了淬硬組織而心部仍保持原來的組織。為了達(dá)到只加熱工件表層的目的，要求所用熱源具有較高的能量密度。根據(jù)加熱方法不同，表面淬火可分為感應(yīng)加熱(高頻、中頻、工頻)表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電子束表面淬火等。工業(yè)上應(yīng)用最多的為感應(yīng)加熱和火焰加熱表面淬火。

3.4.2 表面熱處理化學(xué)熱處理

將工件置于含有活性元素的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層或形成某種化合物的覆蓋層，以改變表層的組織和化學(xué)成分，從而使零件的表面具有特殊的機械或物理化學(xué)性能。通常在進(jìn)行化學(xué)滲的前后均需采用其他合適的熱處理，以便最大限度地發(fā)揮滲層的潛力，并達(dá)到工件心部與表層在組織結(jié)構(gòu)、性能等的最佳配合。根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、滲硼、滲硅、滲硫、滲鋁、滲鉻、滲鋅、碳氮共滲、鋁鉻共滲等。

3.5 磨削加工

砂輪一般用于齒輪的磨齒/磨錐面設(shè)備上，砂輪通過結(jié)合劑將普通磨料固定在一起，并具有一定的強度和耐久性。使用面最廣的一種，使用時高速旋轉(zhuǎn)，可對金屬或非金屬工件的外圓、內(nèi)圓、平面和各種型面等進(jìn)行粗磨、半精磨和精磨以及開槽和切斷等。

4 齒輪加工具體工藝流程

以下將具體敘述DCT300自動變速箱三五七擋從動齒輪加工工藝流程。

圖1 齒輪加工工藝

4.1 選材

選材上選取了20MnCrs5滲碳鋼，此材料的優(yōu)勢在于強度與韌性非常高，耐磨性好，淬火后性能表現(xiàn)優(yōu)異。熱處理后效果要強于一般20Cr。多用于中等負(fù)載，沖擊較小的中小零件，非常適合用于汽車行業(yè)使用。但缺陷在于焊接效果不理想，適合整體齒輪。

4.2 精車工藝

精車設(shè)備上，選用EMAG車床(Fanuc系統(tǒng))。刀具方面選用SANDVIK 20×20常規(guī)外圓車刀、成型槽刀、及內(nèi)孔刀桿。刀片選擇通用D型號或V型號刀片，槽刀使用PENTA系列成型槽刀片，加工最大轉(zhuǎn)速3500R/MIN、進(jìn)給速度3.5mm/R。在加工過程中會出現(xiàn)震刀(震紋)、翻邊、鐵環(huán)(線圈)等問題，可以用過更改切削參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正。

4.3 滾齒工藝

滾齒設(shè)備選用FELSMAT滾齒設(shè)備，刀具采用世界頂尖品牌藍(lán)幟滾齒刀桿，通常滾刀轉(zhuǎn)速為≤400r/MIN，進(jìn)給速度為≤3.5mm/R，可以通過控制產(chǎn)品的壓力角，滾齒時切削齒坯的刀具為滾刀，由于滾刀的螺旋升角較大，所以外形象一個蝸桿，滾刀在垂直于螺旋槽方向開槽，形成若干切削刃，其法向剖面具有齒條形狀。因此當(dāng)滾刀連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，刀齒可視為一個無限長的齒條的移動，同時刀齒由上而下的進(jìn)行切削，保持齒條(滾刀)和齒坯之間的嚙合關(guān)系，滾刀就可在齒坯上加工出漸開線齒形。

4.4 熱處理工藝(圖2)

4.5 硬車工藝

因熱處理過后，齒輪表面存在厚實的滲碳層，需使用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行車削加工。切削用量選擇是否合理，對硬車削影響很大，工件材料硬度越高，其切削速度應(yīng)越小。硬車削精加工合適的切削速度為50～200m/min，常用范圍為100～150m/min。當(dāng)采用大切深或斷續(xù)切削時，切速應(yīng)保持在50～100m/min，通常切深為0.1～0.3mm；當(dāng)加工表面粗糙度要求高時，可選小的切削深度，進(jìn)給量通常選擇0.025～0.25mm/r，具體根據(jù)表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。由于PCBN和陶瓷刀具材料的耐熱性和耐磨性好，可選用較高的切削速度和較大的切削深度以及較小的進(jìn)給量。而切削用量對硬質(zhì)合金刀具磨損的影響比PCBN刀具要大些，故用硬質(zhì)合金刀具就不宜選用較高的切削速度和切削深度。

4.6 磨齒工藝

加工過程中要考慮存在加工誤差的情況，因為加工方法采用具有刀傾角的漸開線刃單面砂輪盤作為加工刀具以近似等效標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒輪刀具，由于所采用的具有刀傾角的漸開線刃并不能完全與標(biāo)準(zhǔn)漸直齒輪刀具等效，因此在加工過程中將產(chǎn)生加工原理誤差，即砂輪盤刀具與標(biāo)準(zhǔn)直尺輪刀具之間的形狀誤差經(jīng)過傳遞在加工后的直齒輪上產(chǎn)生相應(yīng)齒面誤差。加工過程中可以通過合理的選擇砂輪刀具錐角和砂輪半價R的值調(diào)控鼓形量誤差的大小，達(dá)到合理規(guī)劃接觸軌跡而提高加工質(zhì)量。

圖2 熱處理工藝

4.7 成品示例(圖3)

圖3 成品示例

5 結(jié)語

全球現(xiàn)在對汽車性能的需求和節(jié)能減排的需求在不斷提高，自動變速箱也呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢，齒輪更是在其中扮演著十分重要的角色，通過本文的簡單介紹，對研究齒輪材料及工藝、齒輪運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面提供指導(dǎo)方向，其對變速箱結(jié)構(gòu)及扭矩控制的原理有更深的研究，為日后變速器的設(shè)計和開發(fā)提供理論依據(jù)。