王熔 周輝 宋碧秋

摘要：起動齒輪為薄壁件，機加過程中變形大，而且表面淬火的變形更大，難以消除，通過近兩年年時間的加工和摸索，并積極協(xié)調(diào)設(shè)計圖紙的調(diào)整，能夠加工出滿足設(shè)計要求的零件，裝配試車也符合發(fā)動機的性能要求。

關(guān)鍵詞：起動齒輪;組合制造工藝研究

1 前言

起動齒輪為典型的薄壁盤形零件，需整體滲碳淬火，首批研制批共加工8件，熱處理后零件內(nèi)孔變形大，內(nèi)孔橢圓達1.6mm，端面不平度近3mm，無法進行校正，整批零件全部報廢。因此安排攻關(guān)項目，確定合理的工藝路線和加工方法，保證起動齒輪滿足交付要求。

2 零件特點及加工難點分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)特點：起動齒輪為典型的薄壁、環(huán)形零件。其外圓直徑? φ317.7（0，-0.3），內(nèi)孔φ290 H7（+0.052，0），厚度11±0.1，端面對內(nèi)孔基準φ290H7的垂直度要求為0.04，零件齒數(shù)為149齒，在分度圓上齒圈對內(nèi)孔跳動0.15，且零件端面需開了149個35°和25°的齒輪嚙合引導(dǎo)槽。

2.2 零件材料及熱處理。零件材料為45A，齒部高頻淬火，齒表面硬度HRC≥50，心部硬度HB200-246。

2.3 加工難點分析

2.3.1起動齒輪為保證零件心部硬度及齒面硬度要求，需進行調(diào)質(zhì)和高頻淬火。由于高頻淬火溫度900℃左右，若熱處理時零件受熱不均勻及零件加工熱應(yīng)力釋放易造成零件變形、裂紋、齒形無法修復(fù)。

同時起動齒輪盤組合時起動齒輪與起動齒輪盤配合過盈量為0.6～0.43，因此必須進行加熱后進行組合。

根據(jù)零件材料線膨脹系數(shù)計算：按室溫25℃，加熱至200℃度零件內(nèi)孔φ290的膨脹量為：12.32*290*（200-25）*10-6=0.625.因此若零件熱處理導(dǎo)致零件內(nèi)孔φ290+0.052? 0變形、橢圓將導(dǎo)致零件無法組合。

通過以上分析不難看出合理安排熱處理工序、解決零件熱處理變形問題是此零件加工是否滿足設(shè)計要求的關(guān)鍵。

2.3.2 零件需加工齒數(shù)為149齒，在分度圓上弦齒厚僅3.29，而齒圈對內(nèi)孔跳動0.15，且端面需開149個35°和25°的齒輪嚙合引導(dǎo)槽，為保證發(fā)動機工作時起動齒輪與對象件的正確嚙合，零件齒形面與引導(dǎo)槽應(yīng)一次裝夾加工完成以保證其相互角向位置關(guān)系。因而零件齒形面與引導(dǎo)槽的加工難點在于精度要求高、加工齒數(shù)多、工序復(fù)雜。

2.3.3 設(shè)計要求零件組合定位端面對內(nèi)孔基準φ290H7的垂直度要求為0.04由于零件基準φ290H7長度短僅11mm，而測量面直徑達φ371.7mm，存在較大測量誤差，垂直度0.04很難保證。

2.4 機械加工工藝路線簡介

毛坯—粗車外形面— 銑齒及齒面倒角——高頻淬火——車工（半精車內(nèi)孔及端面）——磨工（精磨內(nèi)孔及端面）——檢驗

3 加工難點及原因分析：

在零件的首批試制加工中主要存在以下幾個方面加工難點：

3.1 材料。首批零件加工時按原設(shè)計圖要求零件材料為20CrNiMo，設(shè)計要求整體滲碳淬火，滲層深度要求0.5-0.7，表面硬度HRA80±2、心部HRC≥30，在進行滲碳淬火后零件變形大，內(nèi)孔橢圓達1.6mm，端面扭曲變形近3mm，整批零件全部報廢。造成該現(xiàn)象的原因是進行滲碳、淬火溫度高，滲碳溫度900℃、淬火溫度840℃，熱處理時零件受熱不均勻及零件加工熱應(yīng)力釋放易造成零件變形、齒形無法修復(fù)。

3.2 零件齒部產(chǎn)生裂紋。在進行高頻淬火加工時零件齒根部存在沿周向的裂紋（見圖四）。高頻淬火零件冷卻方式采用水噴射冷卻法，由于零件齒形面存在銳邊、尖角易產(chǎn)生應(yīng)力集中，零件加熱到900℃后急冷造成零件高頻淬火產(chǎn)生裂紋。

3.3 零件熱處理變形過大。在后續(xù)零件高頻淬火加工時加工有多件零件產(chǎn)生變形，內(nèi)孔橢圓達0.8mm，端面扭曲變形近1mm。經(jīng)分析、發(fā)現(xiàn)由于零件壁薄，夾具與零件接觸面大、零件裝夾支靠面環(huán)形接觸面長度為9mm左右、傳熱快且夾具跳動達2.5mm，加工過程中零件與感應(yīng)墊圈接觸不不均勻、導(dǎo)致零件加熱不均勻產(chǎn)生變形。在進行零件外圓及端面加工時為保證零件齒圈及端面垂直度要求0.04，工序要求找正齒圈跳動不大于0.1，由于零件熱處理變形內(nèi)孔橢圓達0.8mm，端面扭曲變形近1mm，難以找正齒圈保證要求。

3.4 零件齒部及倒角加工困難。零件需加工齒數(shù)為149齒，且端面需開149個35°和25°的齒輪嚙合引導(dǎo)槽，為保證發(fā)動機工作時起動齒輪與對象件的正確嚙合，零件齒形面與引導(dǎo)槽一次裝夾加工。加工方法如下：加工齒型面分兩次粗銑、一次精銑。倒角面分一次粗銑、一次精銑進行加工。加工齒型面分加工中發(fā)現(xiàn)由于零件加工齒數(shù)多，零件齒形面結(jié)構(gòu)小，造成加工用刀具剛性差，刀具易磨損，加工效率低，每加工一件需30多個小時。

4 解決措施

根據(jù)以上加工難點，針對以上加工難點進行了如下改進：

4.1 改進材料及熱處理工藝

4.1.1經(jīng)對比分析，改為45A中碳鋼且經(jīng)表面局部淬火處理更為理想，齒部高頻淬火表面硬度HRC≥50，心部硬度HB200-246。

4.1.2零件加工過程中，零件旋轉(zhuǎn)時與感應(yīng)墊圈的間隙可直接影響零件的受熱均勻性，明確零件加工前應(yīng)找正夾具跳動不大于0.05mm.，控制感應(yīng)墊圈與零件間隙在1-3mm且應(yīng)均勻分布。

4.1.3 零件淬火產(chǎn)生裂紋，主要發(fā)生在淬火冷卻的后期，原加工采用水噴射冷卻，冷卻速度過快，由于齒部存在棱角、截面凹槽，在這些部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致零件裂紋。為避免零件淬火產(chǎn)生裂紋，采用緩慢冷卻的淬火介質(zhì)，避免了零件高頻淬火裂紋。

4.2 調(diào)整機械加工工藝路線

為減小變形，對零件加工路線進行了較大調(diào)整，在進行高頻淬火前保證零件符合設(shè)計圖尺寸及形位公差要求，高頻淬火造成的零件徑向變形依靠組合時的過盈量校正，滿足零件裝配、試車要求。

同時為了消除零件內(nèi)應(yīng)力造成的零件變形，在零件粗車后安排了一道穩(wěn)定處理工序，以消除零件內(nèi)應(yīng)力。

改進后的工藝路線如下：

粗車型面—穩(wěn)定處理—磨工端面—精車型面—銑齒及倒角—去毛刺—高頻淬火—鍍鉻—檢驗

4.3 完善工裝

對高頻淬火用夾具進行了改進，將夾具零件定位支靠面外徑尺寸φ309調(diào)整為φ300，零件與夾具支靠面有效寬度由原9mm減少至4mm，并將零件固定用壓板取消，使零件在無外力影響的自由狀態(tài)下進行加工，同時保證零件內(nèi)圓與夾具配合間隙不大于0.1，且零件定位面相對夾具安裝定位基準跳動不大于0.05。通過改進使熱處理變形量控制在0.15mm 以內(nèi)。

4.4 優(yōu)化加工參數(shù)、提高工作效率

鑒于加工齒形面及倒角工作量大、尺寸精度要求高、加工效率低，對數(shù)控加工參數(shù)進行了優(yōu)化，調(diào)整后工作效率得到提高，每加工一件零件僅需18小時，提高工作效率44%。

5 攻關(guān)效果

按改進后的工藝方法，起動齒輪及其組件起動齒輪盤組合加工質(zhì)量、工作效率大幅度提高，零件成品合格率提高到90%以上。

（作者單位：中航動力株洲航空零部件制造有限公司）