工艺技术_锥齿轮加工工艺课件

李益 杨坤 罗曦 锥齿轮加工工艺 目录 引言直齿锥齿轮加工工艺螺旋锥齿轮加工工艺螺旋锥齿轮电化学光整加工工艺 引言 直齿锥齿轮加工工艺 主要内容 锥齿轮加工方法介绍 仿形铣削法 展成铣齿法 精密锻造法 冷挤压法 粉末冶金方法 最常用 伞齿刨 按照不同行业和现有设备 锥齿轮加工方法 直齿锥齿轮数控加工条件 直齿锥齿轮数控加工必要条件 选择合适的数控机床 引入合适的专用夹具 选择合适的加工刀具 直齿锥齿轮数控加工条件 数控机床选择 选用普通数控铣床 直齿锥齿轮数控加工条件 专用夹具设计 直齿锥齿轮数控加工条件 加工刀具选择 刀具的选择原则是强度和加工效率 由于盘铣刀的加工效率和强度能满足加工要求 因此选择用盘铣刀 不同规格不同形状的齿轮加工刀具也不同 数控铣削加工原理 依然是利用范成法对齿形铣削成形 展成运动原理 展成运动时 两台电机根据要求联动 实现待加工齿轮的复合运动 分齿时 摇台电机不动 仅由工件头电机转动实现分齿 以下以加工一对啮合的锥齿轮 齿数为Z1 Z2为例讲解展成运动关系 展成运动时 两电机的转角关系为 加工齿数为Z1的锥齿轮时 加工齿数为Z2的齿轮时 展成加工过程 数控铣削加工步骤 生成程序导入机床加工 数控铣削加工步骤 刀轨参数确定 数控铣削加工步骤 刀轨计算 由于刀轨是直接决定加工质量的高低 因此刀轨的正确与否十分重要 由于被加工齿轮与盘铣刀之间的相对展成运动 产形齿轮的节锥面与被加工齿轮节锥面啮合作纯滚动 盘铣刀到面与被加工齿面时刻相切 刀轴方向矢量 其中 为压力角 90 为节锥角 1 2为每铣削一次被加工齿轮绕X和Y轴转动的角度 由齿轮啮合原理得出上式 为轴交角 确定铣刀 毛坯相对位置 在编写刀轨文件的过程中还需要控制刀具中心的位置 该加工是从齿根处开始加工 之后铣削到齿顶 因此计算刀具中心轨迹坐标以节锥面为基准 现采用增大到半径的方式来实现使得刀具半径增大为R 1 2M 这样既没有改变刀具中心的轨迹又能够使得刀具与被加工齿轮完全啮合 每经转动一次后的刀具中心坐标 刀具与节锥面相切时刀具中心坐标为 x n1 X R sin cos y n2 Yz n3 Z R cos 数控铣削加工步骤 刀轨参数化 获取刀位文件 将文件分成相互独立的块 为所有的块找出公共父类 派生 子类对象 CNC加工伞齿轮的优势 1 相比于伞齿刨 能加工锥角大于90度的伞齿轮 2 相对于五轴机床加工 操作简单 成本低 3 利用UG等CAM软件可以进行数控编程仿真 程序经后置处理可直接用于机床 4 通过计算机仿真可以减少试切次数 降低生产成本 5 参数化建模使得程序具有通用性 螺旋锥齿轮加工工艺 2019 12 29 螺旋锥齿轮加工 在齿轮加工中弧齿锥齿轮的加工是比较复杂的 主要表现在切齿工序上 螺旋锥齿轮是成对设计 制造和使用的 所以大 小 主 从动 轮的加工工艺是同时考虑的 汽车 拖拉机等车辆中使用的弧齿锥齿轮大多采用格里森齿制 批量生产的切齿工序多采用 固定安装法 并以大轮两齿面为基准 用调整小轮两齿面的加工参数去获得需要的接触区和啮合侧隙 2019 12 29 螺旋锥齿轮 直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮 2019 12 29 加工工艺路线 制坯 轮坯及安装连接部位的粗 精加工 研齿 安装连接部位的精加工 热处理 切齿 磷化 配对 光整加工 2019 12 29 制坯 1 汽车 拖拉机等车辆中使用的弧齿锥齿轮毛坯绝大多数经模锻制成 材料为低碳合金钢 盘形大轮毛坯采用碾扩孔工艺 轴类小轮毛坯采用立锻工艺可以降低材料消耗 2019 12 29 制坯 2 锻坯需经正火处理 以消除锻造应力 改善组织和获得良好的加工切削性能 采用等温正火处理更有利于后续渗碳淬火处理时产品的金相组织和变形的改善 正火后的硬度值一般规定为156 207HBS 合适的硬度值为160 190HBS 这样有利于降低切齿的齿面粗糙度和提高刀具的耐用度 3 锻坯正火处理后应进行清理 以除去锻坯表面的氧化皮 可采用抛丸或酸洗处理 酸洗处理可能污染环境 应尽量避免采用 2019 12 29 轮坯加工 1 轮坯加工可以采用多轴车床工序集中的方法 也可以采用普通车床和仿形车床用工序分散的方法 采用数控机床工序集中的方法更能保证轮坯精度 2019 12 29 轮坯加工 2 轮坯加工主要控制面锥角 轮冠距和工艺定位面精度 面锥角和轮冠距决定了安装在切齿机床夹具上切齿后齿轮的齿深和齿顶高 它直接影响成对齿轮啮合时的底隙和接触区在齿面上的位置 所以面锥角和轮冠距尺寸的控制与圆柱齿轮齿顶圆尺寸控制要求是相似的 为防止轮齿小端可能产生的齿顶 齿根干涉 面锥角公差取 8 轮冠距公差取 0 1 0 15mm 成批生产时 应用 标准齿坯 和齿坯检验仪对轮坯进行比较测量 为保证大轮的切齿安装定位要求 定位平面的平面度应 0 03mm 粗糙度Ra 1 6 m 并要求在一次装夹中同时加工定位圆孔和平面 保证圆孔尺寸精度 圆度及圆孔与平面的垂直度 需要注意的是 大平面上要加工齿轮安装螺钉孔 由于刀具等原因 在大平面螺钉孔口处可能留有飞边毛刺 所以在齿轮安装螺钉孔加工后再磨大平面是合理的 2019 12 29 轮坯加工 3 其余安装连接部位尺寸如螺孔 螺钉通孔 花键 开口销孔 槽及小轮螺纹等 与其他机械零件的加工方法和要求相同 对热处理后不再加工的部位 应充分考虑其变形的冷热数据配合 2019 12 29 切齿 切齿工序是弧齿锥齿轮加工中最为重要的工序 尤其是作为轮齿部位最终加工工序时 因为后面没有磨齿工序修正 1 弧齿切齿机床是一类专门的机床 按切削方式可分为 分齿切削法 亦称面铣法 和 连续切削法 亦称面滚法 采用分齿切削法的机床有格里森No 116 No 26等 苏式525 528等及国产Y2250 Y2280 YH605等 采用连续切削法的机床有奥利康SM2等 采用六轴联动全数控的格里森凤凰系列切齿机和奥利康C系列切齿机均可以完成上述两种切削方式 2019 12 29 切齿 2 成批生产中通常采用固定安装法 大轮可以采用展成法 滚切法 加工 也可以采用格里森No 607 No 609和Y2950等进行成型法加工 采用成型法加工可以获得较高的生产率 但条件是被加工齿轮副的传动比 2 5时才能采用 小轮都是采用展成法加工 大轮采用成型法加工 小轮采用展成法加工时也称为半展成法 采用固定安装法加工大 小轮是一种工序分散的方法 成对弧齿锥齿轮同时连续加工时 需要粗切大轮 精切大轮 粗切小轮 精切小轮凹面 精切小轮凸面共5台切齿机 前3台采用双面刀盘 后两台采用单面刀盘 分别精切小轮凹凸面 可以更方便地调整和控制凹凸两面的接触区质量 2019 12 29 切齿 成对生产的弧齿锥齿轮应先加工大轮 再加工小轮 把在生产中调试完成并经热处理后验证 符合齿轮精度和接触区要求的产品留一对作为 样件大 小轮 以它们来分别检验控制生产中的大 小轮是合理的做法 2019 12 29 热处理要求 1 汽车 拖拉机等车辆中使用的弧齿锥齿轮材料为低碳合金钢 采用渗碳淬火热处理工艺 以达到轮齿表面硬而心部韧的性能要求 表面硬度为58 64HRC 齿根心部硬度为30 45HRC 有效硬化层深视齿轮模数大小而定 小轮有效硬化层深比大轮有效硬化层深增加0 1mm 小轮表面硬度比大轮表面硬度高1 2HRC 2 热处理后齿轮会产生一些变形 在不同材料 齿轮结构及热处理方法和条件下 变形是不同的 在齿轮批量生产中 希望在材料 齿轮结构及热处理方法和条件相同时 热处理后齿轮的变形稳定 以便机加工切齿等工序进行冷热配合修正 必要时可将少量齿轮送热处理后进行接触区 花键尺寸 孔径 孔中心直径等的检验验证 根据变形情况再行修正 2019 12 29 热处理要求 3 大轮的安装螺孔 小轮螺纹 卡簧槽等部位均应进行防渗处理 较大截面的采用渗碳淬火后磨成的螺纹部位可不防渗 但应进行退火处理 硬度应小于45HRC 或按图样要求 过渡区的硬度和尺寸应符合图样工艺要求 在螺孔内旋入防渗螺塞是个好办法 既能防止螺孔螺纹渗碳 又能减小变形 4 大轮压淬时采用No 537 Y9050等淬火压床和专门的淬火压模 以达到齿轮允许的大平面的平面度和内孔的圆度及余量大小的要求 结构比较厚的齿轮可以考虑不压淬 小轮应进行校直 校直前应对两端中心孔进行研磨 较小齿轮要求中部轴承部位的跳动量 0 03mm 较大齿轮要求中部轴承部位的跳动 0 05mm 5 齿面应力抛丸可以增加轮齿表面残留压应力 提高轮齿强度和使用寿命 应力抛丸机可以采用QZG T200等 控制覆盖面 98 在控制区内 测阿尔门弧高值0 4 0 6mm 据资料介绍 齿面应力抛丸后可以提高疲劳强度20 30 2019 12 29 安装连接部位的精加工 1 盘形大轮热处理后需要磨削定位内孔 达到图样尺寸精度和表面粗糙度要求 2 小轮热处理后精磨前应对两端中心孔进行研磨 修整卡簧槽 轴颈 端面部位可采用斜置砂轮的端面外圆磨床MB1632 H234等加工 采用磷化后精磨轴颈 端面部位的应增加一道半精磨工序使之与研齿夹具定位研齿 奇数齿花键的外圆直径应测量换算后的弦长 磨螺纹工序后 为防止后续过程中磕碰 可以采用塑料保护套 2019 12 29 研齿和磷化 1 研齿工序是不采用磨齿作为齿形加工手段的弧齿锥齿轮加工工艺中的必备工序之一 研齿可以改善啮合质量 降低齿面粗糙度和啮合噪声 不能指望完全用研齿来达到产品所要求的接触区质量 也不要因为接触区质量较好而不研齿 2 磷化层的组织疏松贮油 有利于齿轮副在跑合期防止早期剧烈磨损 磷化后的齿轮美观 防腐 2019 12 29 安装连接部位的精加工 磨齿 3 磨齿工艺以往多用于航空齿轮等精密锥齿轮的加工 近年来在车辆锥齿轮特别是高档豪华客车的锥齿轮上应用越来越多 采用磨齿工艺的齿轮精度高 啮合噪声小 由热处理变形等造成侧隙变动量大的产品只能采用磨齿方法修正 修磨时不一定要把全部齿面都磨光 只要能使接触区和侧隙变动量符合规定要求就行 磨齿后可再进行研光齿面 2019 12 29 光整加工 光整加工是为了提高齿面的精度 表面粗糙度等 是传动更加平稳 2019 12 29 配对 配对工序是锥齿轮制造过程中啮合质量的最终检验 用检验机 在安装条件下进行接触区 侧隙及侧隙变动量和啮合噪声的常规检验 使之成对出厂 螺旋锥齿轮电化学光整加工工艺 目录 背景螺旋锥齿轮电化学光整加工的主要难点螺旋锥齿轮电化学光整加工工艺螺旋锥齿轮电化学光整加工的应用效果 3 1背景 3 1 1制约传统加工方法的因素 热处理的影响齿制的影响结构的影响 为获得较好的耐磨性 延长使用寿命等 螺旋锥齿轮一般都要经过热处理使其获得高达HRC57 63的表面硬度 属于硬齿面范畴 同时 由于螺旋锥齿轮经过热处理后齿面变形较大 使螺旋锥齿轮所获得的原有机械加工精度普遍降低 因此 螺旋锥齿轮齿面的研齿工艺方法有其局限性 不仅表现为生产效率低 而且还难以弥补因热变形所丧失的机械加工精度 螺旋锥齿轮齿制上的差异 使螺旋锥齿轮齿面磨齿工艺的应用也受到一定的限制 例如 在上世纪九十年代之前的机械式铣齿时代 圆弧收缩齿制的螺旋锥齿轮可以用研齿和磨齿工艺方法进行热处理后的精加工 但摆线等高齿制的螺旋锥齿轮只能用研齿的工艺方法进行热处理后的精加工 螺旋锥齿轮几何结构上的特点也使传统的磨齿工艺方法难以发挥自身的优势 例如 对格里森圆弧收缩齿制的螺旋锥齿轮而言 当传动比比较大时 由于螺旋锥齿轮运动副大轮齿廓形状接近于直线 因而为提高生产效率而采用成型法加工 当用筒形砂轮直接磨削用成形法加工的螺旋锥齿轮齿面时 砂轮与齿面会产生全齿面接触 不仅因冷却液难以进入磨削接触区而易使齿面烧伤而且还使排屑十分困难 3 1 2隐性缺陷 a 表面微观几何轮廓存在缺陷 由于受磨齿和研齿加工机理的影响 所获得的表面微观几何轮廓呈尖峰状 这种表面微观几何轮廓存在的缺陷 不仅使齿轮摩擦系数 磨损量较大 而且也使精度保持性较差 因而并不利于提高齿轮的使用性能 b 存在平整假象 由于表面材质塑性与加工机理等因素的影响 其齿面微观几何轮廓并未实现真正意义上的整平 原因 前角基本上是负前角以及随着磨削时间的增加使切削微刃钝化 等高性改善 磨削区的瞬间高温使表面微观儿何轮廓的尖峰部位软化 结果 一部分尖峰填塞入表面微观几何轮廓之间的缝隙或由脱落的微小颗粒在齿面上挤辗出的沟槽之中 使之看起来平整 后果 随着齿轮齿面磨损量的增加 已镶嵌于表面微观几何轮廓缝隙或由脱落的微小颗粒在齿面上挤辗出的沟槽之中的尖峰变形部位或粘接着的散落微粒势必从基体表面脱落 这种脱落的微粒 无疑相当于磨粒 会使齿面严重划伤 从而影响齿轮的使用性能 c 易在齿轮齿面的表层产生新的缺陷 磨削区域内的瞬时温度一般可达800一1200 极易形成磨削烧伤并且使表面呈现多种颜色 颜色的变化仅仅反映了较为严重的烧伤现象 但当齿轮齿面的颜色不变时 其表层金相组织也可能已发生了烧伤而变化 即暗烧伤 当在高速 重载的使用条件下 由暗烧伤所导致的齿轮齿面表层物理机械性能的丧失势必也会影响齿轮的使用性能 由此可见 我国齿轮制造业在发展机遇来临之际 己面临着更为严峻的考验 特别是面临着 质 的飞跃的考验 需要研发先进的加工方法来打破技术垄断 3 2螺旋锥齿轮电化学光整加工的主要难点 难点1 如何根据螺旋锥齿轮的几何结构特点选择便于实施的电化学光整加工工艺方法 电化学机械复合光整加工和移动脉冲电化学光整加工的选择 机械作用的介入使工件阳极表面高点的钝化性阳极膜的致密性 连续性受到破坏 更易于加工 脉冲电流以及移动式工具阴极的共同作用 可实现在更小极间间隙条件下稳定的电化学阳极溶解 不仅要求机械作用单元与工件阳极表面之间存在相对运动 而且还要求机械单元的作用具有浮动性以便控制机械作用的强弱 使之与电化学阳极的溶解作用相匹配 由于移动式脉冲电化学光整加工工艺方法的整平是小间隙条件下工具阴极表面高点扫描作用与极间流场 温度场以及电化学阳极溶解产物排出等条件改善共同作用的结果 这使得移动式脉冲电化学光整加工工艺方法的整平过程对极间间隙的变化相对比较敏感 所以 移动式脉冲电化学光整加工工艺方法对实现工具阴极运动的装置或工装的运动精度要求相对较高 结论 根据需要选择合适的加工方法 分析 3 2螺旋锥齿轮电化学光整加工的主要难点 难点2 如何根据螺旋锥齿轮的几何结构特点确定移动式工具阴极的几何结构 移动方式 加工原理等以保证极间良好流场 温度场等条件 分析 由于螺旋锥齿轮的齿面节线为曲线 因而工具阴极的简单直线往复式移动不仅不能满足电化学光整加工对极间间隙稳定与均匀性的要求 而且更不利于螺旋锥齿轮加工质量的提高 这不仅仅是因为工具阴极的运动方向对稳定 均匀极间流场等条件产生影响 而且在整平的过程中 工具阴极的运动方向必须与工具阴极的几何结构形状相匹配 否则不仅难以使极间流场稳定 均匀 而且也可能会发生工具阴极的几何结构形状与螺旋锥齿轮齿面相互干涉的现象 工具阴极的几何结构 移动方式以及移动方向是相互联系 相互制约的 结论 几何结构 平面直边几何轮廓 移动方式 旋转扫描式平面直边几何轮廓阴极的运动轨迹 加工原理 小轮必须采用展成法加工 大轮可采用展成法也可采用成形法加工 传动比比较小 小于3 时 大轮必须采用展成法加工 传动比比较大 大于3 时 为提高生产效率 大轮一般采用成形法加工 3 2螺旋锥齿轮电化学光整加工的主要难点 难点3 如何根据螺旋锥齿轮齿面的几何结构特点 在工具阴极移动的条件下 获得稳定 均匀的极间流场建立条件 分析 螺旋锥齿轮电化学光整加工可能的工艺方法所需的极间流场的稳定与均匀 不仅涉及到工具阴极的几何结构及其移动方式 而且还涉及到获得极间流场稳定与均匀的建立条件 这是因为螺旋锥齿轮齿面沿齿向与齿形方向非封闭 当工具阴极移动时 使极间稳定 均匀流场的建立条件不稳定 结论 极间流场的建立方式 a 难以获得稳定 均匀的极间流场 容易出现无液区以及电解液分流等现象 进而影响所获得的整平效果 b 更易保障极间流场的稳定与均匀 结论 电解液引入段流道设计 主要应考虑电解液边界层分离现象所产生的涡流区对极间流场等的影响 a 电解液在阴极A点处附近产生边界层分离 其结果是在该处导致涡流 会使电化学阳极溶解产物不断聚集 容易造成短路 工作电流不稳定等 进而影响光整加工的整平质量 b 光滑 过渡的电解液引入流道设计有助于减小涡流的产生 结论 电解液流向与工具阴极运动方向的问题 工具阴极的运动速度大小为vc 电解液流速的大小为ve a 若vc ve 则在单位时间内进入极间收缩型流道内的电解液不足以充满在单位时间工具阴极收缩型流道产生的空间 进而在极间收缩型流道内导致无液区 影响整平的效果 因此 为获得良好的流场条件应满足vc ve 若电解液流速过高 易在工件阳极表面产生流痕等现象 b 工具阴极运动方向与电解液流向的匹配更为合理 3 3螺旋锥齿轮电化学光整加工工艺 电化学加工基本原理电化学光整加工原理加工对象加工设备加工效果 电化学加工原理 利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理 将工件加工成需要的形状 加工时 工件接电源的正极 工具接电源的负极 两极之间保持一定的间隙 0 2一0 5mm 其间充满电解液 通常是NaCl或者NaNO3的盐溶液 电化学反应过程中 电流密度可以达到10 300A cm2 工件阳极表面金属的溶解速度可以达到0 1一10mm min 随着电化学反应的不断进行 工件阳极表面会有电解产物生成 工具阴极表面会有气泡产生 因此 要求有一定压力的电解液从两极之间快速流过 能够带走电解产物 气泡及反应产生的热量 3 3 1电化学加工基本原理 3 3 2电化学光整加工原理 3 3 3加工对象 3 3 4加工设备 工具阴极设计 阴极结构设计中首先主要考虑的问题是流场的设计 其次是工具阴极各部位尺寸的确定及阴极材料的选择 流场的设计是否合理对被加工零件的表面质量有重要的影响 流场的均匀和稳定是获得良好