大模數粉末冶金齒輪磨齒工藝

　　摘要：針對大模數粉末冶金齒輪的磨齒過程進行工藝研究，通過線切割齒形局部偏置的方法，在成形砂輪磨削時避開齒根轉接處的內凹敏感部位，解決了齒面表面粗糙度要求高和齒根燒傷等問題。

　　郝建勇; 岳劍龍; 劉勇; 許利利， 金屬加工(冷加工) 發表時間：2021-07-28

　　關鍵詞：粉末冶金齒輪;齒根;燒傷;線切割;齒形;磨齒

　　1 序言

　　粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經過成形和燒結，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金材料是用粉末冶金工藝制得的多孔、半致密或全致密材料(包括制品)。隨著對新材料應用的不斷探究，航空發動機齒輪類零件越來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，因此使得在磨齒時會出現尺寸不穩定、燒傷等現象。高精度齒輪精度要求在國標4～5級時，只能用磨齒、珩齒的方法來保證其加工精度。大模數齒輪(模數m≥5)磨齒時，齒根轉接處和根徑燒傷十分嚴重。

　　2 零件及材料性能分析

　　圖1所示齒輪零件加工要求：模數=6、齒數=11、壓力角=28°、齒圈徑向圓跳動公差= 0.028mm、公法線長度變動量公差=0.02mm、齒距極限偏差=±0.011mm、齒形總偏差=0.01mm、齒向偏差=0.01mm以及單個齒距偏差=0.008mm，達到了5級精度，屬于高精度大模數齒輪，在加工中必須依靠磨齒來保證最終精度。

　　該零件模數雖較大，但只有11個齒，屬于根切齒輪。零件的變位系數為0，沒有變位，這就意味著在零件的齒根轉接處會形成很大的轉接半徑R及內凹，在成形磨齒加工中，齒根轉接處的散熱性較差，容易產生燒傷。另外，在磨齒過程中由于模數較大，因而砂輪與齒面的接觸面積也較大，散熱受阻，嚴重影響了齒輪加工精度。

　　零件材料為AHP10V粉末冶金高釩工具鋼，材料中碳化物多，在滲氮處理后，其硬度高達65～ 70HRC，材料耐磨性高，其多孔性及高硬度直接影響了磨齒精度。

　　3 磨齒時齒根轉接處燒傷分析

　　經多次實際加工發現，此種大模數少齒數粉末冶金齒輪磨齒時，燒傷大多發生在齒根轉接處，分析其原因，主要有以下幾個方面。

　　1)粉末冶金材料本身具有難磨削性，滲氮處理后，其硬度高達65～70HRC，高硬度使得材料磨削困難。

　　2)由于模數大、齒數少以及沒有變位，因而齒輪本身就會有嚴重的根切，在齒根轉接處會產生內凹，這樣一來，磨齒時就會在轉接處積累大量的磨削熱，導致散熱性不好。

　　3)由于在轉接處切削液很難進入磨削區域，所圖1　齒輪零件示意 以齒根轉接處冷卻不充分。

　　4)零件經過滲氮處理后，齒根轉接處容易應力集中，導致此類齒輪在磨齒時，齒根轉接處燒傷以致產生燒傷裂紋。

　　4 線切割對齒根轉接處進行預處理

　　針對齒根處燒傷的原因，在加工時可以采用割齒的方法對齒根轉接處(見圖2)進行預先處理，提前去除加工余量，避免磨齒時此處燒傷。根據齒輪的嚙合原理，在不影響齒輪副正常嚙合的情況下，對齒根轉接處進行預處理，由齒輪參數可以計算出轉接處位于基圓以下，按共軛齒輪嚙合時的工作圓計算出工作圓半徑為 R1=m(z-2)/(2cosδ)式中，m是模數;z是齒數;δ是相嚙合齒輪頂圓上的壓力角(°)。經計算得出齒輪工作圓尺寸，如圖3所示。

　　根據計算結果，可在齒輪工作圓φ56.7mm以下到齒根圓φ52.6mm部分進行0.15mm的過切偏移。這是因為該部分沒有漸開線，不參與零件的嚙合，對齒輪副的嚙合不會產生影響。齒根轉接處偏移量如圖4所示。進行線切割割齒時，在此處的偏置容易實現。當最后進行磨齒加工時，所加工部分僅僅是齒輪的漸開線工作齒廓，不對齒根轉接處進行磨削加工，既保證了齒輪的加工精度，又避免了局部燒傷。

　　5 磨齒砂輪的選擇

　　對于大模數齒輪，由于磨齒砂輪和齒面在磨削時接觸面較大，而粉末冶金材料在滲氮后組織會發生顯著變化，材料本身的多孔性會導致砂輪表面出現微觀疲勞，所以當砂輪從孔到固體顆粒往復移動時，磨料持續受到沖擊，持續的小沖擊導致砂粒脫落;多孔性還會降低零件的導熱性，最后導致砂輪切削刃微崩，砂輪不鋒利，磨削過程中尺寸不穩定，致使零件發生燒傷現象。材料的高硬度成了制約磨削精度的主要因素，在砂輪的選擇上應考慮特殊磨料及粒度、材料硬度以及砂輪氣孔的變化。

　　滲氮處理后的粉末冶金材料磨削時容易黏附，堵塞砂輪，造成磨削過熱，表面完整性降低。要選擇黏附性小、磨損小以及不易堵塞的砂輪。因為成形磨齒機不同于展成磨齒機，其進給垂直于加工工件，即徑向進給，成形砂輪的形狀等于最終齒形，所以成形磨齒機砂輪的形狀比較復雜，切削量在各點不盡相同，它需要更好的保形性能，因而所選砂輪應具有較高的硬度，加之磨削容易燒傷，故砂輪需有氣孔。

　　綜上分析，經加工試驗，得出粉末冶金磨齒砂輪的選擇建議如下。

　　1)砂輪磨料選擇特殊陶瓷剛玉5SG磨料。

　　2)由于表面粗糙度值Ra=0.4μm，所以砂輪粒度通常以100# 為宜。

　　3)陶瓷結合劑熱穩定性與化學穩定性好，防水、耐熱、耐腐蝕、磨損小且可長時間保持磨削性能，具有多孔性、不易堵塞以及生產率高的優點，因此粉末冶金齒輪磨削首選陶瓷結合劑砂輪。

　　4)在保證齒面表面粗糙度的前提下，盡可能選擇較軟的砂輪。但是由于磨削原理不同，成形磨齒機的砂輪硬度要稍高于展成磨齒機的砂輪硬度，因此砂輪硬度為G較好。

　　5)選用的砂輪型號為5SG100-G15VS3P，規格為300mm×20mm×50.8mm(外徑×厚度×孔徑)。

　　6 磨齒加工參數的調整

　　成形磨齒機為雙面磨削，即砂輪對一個齒槽的左右齒面同時進行切削，沖程進給緩慢，不利于散熱和切削液的進入，因此成形磨齒機對齒面容易造成表層回火及二次淬火燒傷。磨削過程一般分為粗磨、半精磨和精磨三個階段。粗磨過程進給速度為3000mm/min，進給量為0.02～0.03mm/r;半精磨過程進給速度為2000mm/min，進給量為0.01～ 0.015mm/r;精磨過程進給速度為1000mm/min，進給量為0.008mm/r。對加工后的齒輪進行檢測，得到齒形公差均值為0.0048mm，齒向公差均值為 0.0053mm，公法線變動量為0.01mm，能夠滿足圖樣要求。因為零件齒數較少、模數較大，所以砂輪齒形修得較大，在磨削過程中砂輪的保持性較好。但是由于零件材料較硬，導致砂輪的鋒利性差，磨削時容易燒傷。經試驗得出，在進行完一次磨削之后，需進行一次砂輪的修整，以保持砂輪的鋒利性，減少磨削燒傷。

　　7 結束語

　　針對大模數粉末冶金齒輪的磨齒工藝進行分析和研究，總結出合適的加工方案，磨齒前對齒根轉接處進行線切割偏置加工，磨齒時僅加工齒輪的漸開線工作齒廓，通過砂輪和磨削參數的調整，最終解決了該類齒輪的加工難題。