齒輪作為重要的傳動(dòng)零件，在整個(gè)機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用極其廣泛，隨著科技技術(shù)的發(fā)展，齒輪的轉(zhuǎn)速和載荷的增高，其運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視，同時(shí)對(duì)齒輪的結(jié)構(gòu)要求越來越嚴(yán)。齒圈(見圖1)是機(jī)械齒輪中較為普遍的一種樣式，為了保證齒輪強(qiáng)度以及相配件的強(qiáng)度，齒圈的內(nèi)外徑尺寸多受限制，導(dǎo)致齒圈輪緣較薄，齒圈直徑與輪緣厚度的比值高達(dá)15以上，其內(nèi)圈有兩個(gè)用于跟軸連接的對(duì)稱鍵槽，為了達(dá)到齒圈和軸的配合效果，兩鍵槽對(duì)內(nèi)孔有對(duì)稱度的位置要求，使得齒圈剛度較差，抗疲勞性差，在加工過程中極其容易使零件變形，導(dǎo)致齒部扭曲，影響齒部載荷分布以及零件的可靠性和穩(wěn)定性。

　　由于鍵槽齒圈的鍵槽與軸配合工作時(shí)，沿其齒內(nèi)圈方向存在較大的切向相對(duì)滑動(dòng)力，因而會(huì)產(chǎn)生較大的切向力;另一方面，齒輪鍵槽與鍵接觸時(shí)，其接觸應(yīng)力會(huì)很大，致使齒輪鍵槽過早被壓饋，使齒輪磨損加劇，如果齒輪的齒面出現(xiàn)不同的齒牙有不同的滲碳層深度，也影響齒輪的抗疲勞性能。所以對(duì)于加工精度、齒面粗糙度和滲層深度要求很高的鍵槽齒圈，其加工工藝顯得尤其重要，也就 證明在齒圈加工過程中需要有一個(gè)穩(wěn)定的熱處理方式、精確的定位精準(zhǔn)進(jìn)行鍵槽及齒形的加工，保證零件抗疲勞性的同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

　　一、帶鍵槽薄壁齒圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　本文研究的帶鍵槽薄壁齒圈材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼 12Cr2Ni4A，內(nèi)孔尺寸為 Ø100+0.030，齒數(shù)為 48，模數(shù)為 2.5mm，壓力角20°，齒面粗糙度為 Ra0.4，齒圈最薄處為3.5mm，齒圈直徑與輪緣厚度的比值高達(dá)29.8，鍵槽對(duì)內(nèi)孔的對(duì)稱度為0.03mm，零件熱處理方式為滲碳淬火，齒面硬度為59～63 HRC，芯部硬度 d=3.1-3.55，齒輪精度等級(jí)為 GB/T100955.1-2022-6級(jí)。

　　二、工藝方案設(shè)計(jì)

　　此類薄壁齒圈內(nèi)孔有兩對(duì)稱鍵槽，輪齒部位作為傳動(dòng)、內(nèi)孔鍵槽作為固定連接零件，其高轉(zhuǎn)數(shù)和高載荷的使用工況，對(duì)其制造工藝提出了較苛刻的要求，由于尺寸和技術(shù)條件的偏離，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)不能正常工作，使可靠性穩(wěn)定性降低，因此必須考慮提供一種精度高、熱處理穩(wěn)定、不易變形、適用于批量生產(chǎn)的帶鍵槽薄壁齒圈的加工工藝，去保證零件的性能。

　　零件特點(diǎn)及加工難點(diǎn)分析

　　分析圖 1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)，鍵槽對(duì)內(nèi)圈的對(duì)稱度為 0.03mm，齒圈最薄處為3.5mm，內(nèi)孔尺寸為 Ø100+0.030，尺寸精度和位置精度要求高。帶鍵槽齒圈不同于常用齒圈的是其徑向尺寸與壁厚尺寸相差懸殊，達(dá)到29.8倍，剛性差，硬度高(≥HRC59)，在車削階段必須采用基準(zhǔn)先行的方式，保證內(nèi)孔與外圓的圓軸線同軸度、端面與內(nèi)孔軸線的垂直度以及兩平面的平行度，滿足齒輪粗加工的定位要求和精度要求;精加工內(nèi)孔的夾具設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，保證經(jīng)過內(nèi)孔(粗插鍵槽后)磨削余量均勻及夾緊力均勻分布，減小裝夾引起的變形;另外需要選擇合適的切削條件，優(yōu)化工藝流程及工藝參數(shù)，合理安排加工工序，加工路徑，減小變形及精插鍵槽余量，從而保證薄壁齒圈精度等級(jí)，提高加工效率。

　　高精度齒圈的鍵槽和輪齒加工，需采用粗精加工相結(jié)合的方式，其中齒輪粗加工一般采用滾齒、插齒，齒輪精加工采用磨齒;鍵槽的粗精加工采用插鍵槽的方式。控制基準(zhǔn)精度、滲層深度及磨削余量，以保證齒輪齒面滲碳層深度的一致性和表面完整。在保證其他尺寸及技術(shù)條件合格的情況下，齒面滲碳層深度的一致性，一直是行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

　　在實(shí)際加工過程中主要存在以下難點(diǎn)：(1)整體結(jié)構(gòu)方面：薄壁零件易變形，內(nèi)孔精度難以保證。(2)表層方面：齒面滲碳層深度的一致性控制難。(3)表面方面：齒面磨齒后有黑皮現(xiàn)象，齒面表面粗糙度 Ra0.4控制難。

　　解決制造難點(diǎn)的方案設(shè)計(jì)

　　綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、加工難度、人工操作和設(shè)備要求等各方面因素，結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)以上加工難點(diǎn)，分別提出了解決方案，每個(gè)方案并不是相互獨(dú)立的，而是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的，具體如下。

　　零件整體結(jié)構(gòu)易變形控制方案設(shè)計(jì)：(1)“粗插鍵槽+穩(wěn)定處理、磨內(nèi)孔+以內(nèi)孔為基準(zhǔn)精加工鍵槽及齒輪+穩(wěn)定處理”的構(gòu)思

　　由于零件是薄壁結(jié)構(gòu)，鍵槽的加工勢(shì)必進(jìn)一步導(dǎo)致零件的變形，本文創(chuàng)造性地使用粗、精插相結(jié)合，同時(shí)在粗、精插工序之間采用穩(wěn)定處理、精磨基準(zhǔn)、鍵槽和齒輪的加工基準(zhǔn)統(tǒng)一的方式，很好地解決了零件變形的難點(diǎn)。粗插鍵槽去處大部分余量，在對(duì)零件進(jìn)行穩(wěn)定處理(低溫回火時(shí)間2.5～3h，溫度145±10 ℃，低溫回火開始時(shí)間為粗插鍵槽加工完成后的0～3h)，精插時(shí)修正尺寸和技術(shù)條件，鍵槽和齒形精加工時(shí)采用同一基準(zhǔn)，避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換造成的形位誤差的偏離。

　　(2)采用節(jié)圓夾具以齒牙定位，磨加工內(nèi)孔的方式

　　圖2中齒圈放置在節(jié)圓夾具的內(nèi)圓孔中，夾具的內(nèi)圓孔并不是圓，而是帶有三等分微小弧度的內(nèi)孔，即等圓心角分布在內(nèi)圓孔表面的三個(gè)弧度，然后將3根定位銷(直徑為4.14)均勻放置在齒槽中，利用內(nèi)圓孔的三等分微小弧度自定心的作用，旋轉(zhuǎn)齒圈并固定，這里可以把三個(gè)弧度理解為三個(gè)弧形缺口，旋轉(zhuǎn)齒圈時(shí)定位銷進(jìn)入該缺口定位，然后采用3塊壓板壓緊齒圈端面，磨加工齒圈的內(nèi)孔，該內(nèi)孔作為鍵槽基準(zhǔn)和磨齒基準(zhǔn)，使鍵槽和齒部的基準(zhǔn)一致，能很好地保證鍵槽與齒部的位置關(guān)系，也能較好地消除熱處理帶來的變形，使磨齒時(shí)每個(gè)齒牙的去除余量一致，保證齒部的硬度和滲碳層深度。

　　齒輪表層滲碳層深度一致性控制方案設(shè)計(jì)：為保證齒面滲碳層深度的一致性，采用滲碳前控制零件精度-滲碳和機(jī)械加工時(shí)減小零件變形-減小齒輪的磨削余量的方法。(1)滲碳前控制零件精度主要是控制齒厚公差在0.05mm 以內(nèi);(2)考慮零件的抗疲勞性，在加工過程中，應(yīng)盡量多產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，因此齒面的磨削余量一般在滲碳深度的10%～20%;(3)磨齒的齒厚公差控制在0.05mm 以內(nèi)。因此，在工藝編制中，齒輪的磨削余量設(shè)定為：0.15±0.05mm，齒輪在熱處理滲碳工序中，滲碳層深度設(shè)定為1±0.1mm，滾齒加工是齒面的凸起量設(shè)定 為0.2～0.3mm。

　　通過上面兩方面的控制，在磨齒加工中，最小磨削余量為0.1mm，最大磨削余量為0.2mm，齒面的滲碳層深度得到了控制，齒廓的凸起也得到了保證。

　　齒輪表面磨齒后局部有黑皮現(xiàn)象及齒面粗糙度 Ra0.4控制方案：(1)齒面磨齒后有黑皮由三方面因素共同引起的，第一是熱處理變形大，導(dǎo)致齒部扭曲;第二是兩對(duì)稱鍵槽在加工后，齒圈最薄處為3.5mm，零件的剛性變差，整體產(chǎn)生不規(guī)則變形;第三是由于磨齒余量較小 0.15±0.05。因此在磨齒前做好砂輪的平衡，使砂輪處于一種良好的工作狀態(tài);在零件裝夾時(shí)保證零件內(nèi)孔同心于機(jī)床的兩頂尖。

　　(2)齒面粗糙度 Ra0.4一般是在磨齒加工保證，在加工前首先要將磨削砂輪先進(jìn)行初平衡，砂輪精修整完成后，再次進(jìn)行砂輪的平衡，以確保砂輪磨削加工的平穩(wěn)性;其次要保證零件的剛性裝夾;最后在磨齒進(jìn)刀前，機(jī)床進(jìn)行空轉(zhuǎn)20分鐘以上，使機(jī)床處于穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后方進(jìn)行零件的磨齒加工。

　　加工工藝路線制定

　　根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)及精度要求，以“粗插鍵槽+穩(wěn)定處理、磨內(nèi)孔+以磨好的內(nèi)孔為基準(zhǔn)精加工鍵槽和齒輪+穩(wěn)定處理”的構(gòu)思擬訂以下工藝方案：

　　(1)粗車外形，該外形作為下一工序的裝夾基準(zhǔn)。

　　(2)精車內(nèi)孔，該內(nèi)孔作為滾齒加工基準(zhǔn)。

　　(3)滾齒，齒厚公差控制在0.05mm 以內(nèi)，齒厚留余量0.15±0.05mm 用于磨齒加工。

　　(4)倒角和去毛刺，齒輪輪廓按 R0.5±0.2加工，其余按 R1±0.5加工。

　　(5)熱處理，包括滲碳和淬火，保證齒部滲碳層深度設(shè)定為 1±0.1，其余部位沒有滲層，齒面硬度為 59～ 63HRC，芯部硬度d=3.1-3.55。

　　(6)車加工內(nèi)孔，如采用數(shù)控車床用三爪卡盤裝夾齒頂圓加工時(shí)，夾緊力要適中，在加工前需要找正內(nèi)孔跳動(dòng)在0.1mm 以內(nèi);如果采用節(jié)圓夾具裝夾零件時(shí)，需以熱處理后的齒部輪廓為裝夾基準(zhǔn)(見圖2)。該工序的目的是消除熱處理后齒圈內(nèi)孔的變形，進(jìn)而將該內(nèi)孔作為鍵槽粗加工基準(zhǔn)。

　　(7)粗插鍵槽，粗插鍵槽前找正內(nèi)孔在 0.01 mm 以內(nèi)，留余量加工。

　　(8)穩(wěn)定處理(低溫回火);低溫回火開始時(shí)間為粗插鍵槽加工完成后的 0～3h，溫度 145±10 ℃，保溫時(shí)間2.5～3h。

　　(9)磨兩端面至設(shè)計(jì)尺寸，保證兩端面的平行度在0.015mm 以內(nèi)，平面度在0.01mm 以內(nèi)。

　　(10)穩(wěn)定處理(低溫回火)，低溫回火開始時(shí)間為磨兩端面加工完成后的 0～3h，溫度 145±10 ℃，保溫時(shí)間 2.5～3h。

　　(11)磨內(nèi)孔，采用節(jié)圓夾具裝夾零件，以齒部輪廓為裝夾基準(zhǔn)、端面為定位基準(zhǔn)(見圖2)，精磨內(nèi)孔至設(shè)計(jì)尺寸，該內(nèi)孔將作為鍵槽精加工和齒形精加工的基準(zhǔn)。

　　(12)穩(wěn)定處理(低溫回火)，低溫回火開始時(shí)間為磨內(nèi)孔加工完成后的 0～3 h，溫度 145±10 ℃，保溫時(shí)間2.5～3h。

　　(13)精插鍵槽，加工前找正內(nèi)孔在0.01mm 以內(nèi)，將鍵槽加工至設(shè)計(jì)尺寸。

　　(14)穩(wěn)定處理(低溫回火);低溫回火開始時(shí)間為鍵槽加工完成后的 0～3 h，溫度 145±10 ℃，保溫時(shí)間2.5～3h。

　　(15)齒形精加工;機(jī)床采用磨齒機(jī)床、夾具采用帶錐度芯棒裝夾加工，單面去除余量在0.15±0.05mm 之間， 按齒輪精度等級(jí)為 GB/T100955.1-2022-6級(jí)加工，齒面進(jìn)行燒傷檢查，并保證齒面粗糙度 Ra0.4。

　　(16)穩(wěn)定處理(低溫回火)，低溫回火開始時(shí)間為磨齒加工完成后的 0～3 h，溫度 145±10 ℃，保溫時(shí)間2.5～3h。

　　(17)拋光齒端面邊緣。

　　(18)檢驗(yàn)。

　　(19)表面處理。

　　三、結(jié)語

　　(1)通過帶鍵槽薄壁齒圈的加工試驗(yàn)研究，以“粗插鍵槽+穩(wěn)定處理、磨內(nèi)孔+以磨好的內(nèi)孔為基準(zhǔn)精加工鍵槽和齒輪+穩(wěn)定處理”為構(gòu)思，優(yōu)化了加工方法，得到合理可行的加工工藝。

　　(2)解決了帶鍵槽薄壁齒圈的變形問題，加工內(nèi)孔時(shí)，設(shè)計(jì)了節(jié)圓夾具，采用節(jié)圓定位，較好地消除熱處理帶來的變形，使磨齒時(shí)每個(gè)齒牙的去除余量一致，提高定位精度。

　　(3)采用滲碳前控制零件精度-滲碳和機(jī)械加工時(shí)控制零件變形-齒精加工時(shí)控制磨削余量的方法，保證齒面滲碳層深度的一致性，提高零件的抗疲勞性能。

　　參考文獻(xiàn)略.