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国内外齿轮加工现状和发展趋势,珩轮的设计与制作工艺

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发表时间:2019-05-13 11:25

1.国外齿轮加工现状和发展趋势


1.1降低汽车变速器中齿轮传动噪音,一直是汽车变速器行业的主攻对象。世界上大多数国家,特别是发达国家对汽车变速器规定了严格的噪音标准。为了降低噪音,汽车齿轮行业,从设计和制造两方面作了大量的工作。在制造方面,随着齿轮加工工艺的不断改进和制造精度的不断提高,使变速器齿轮传动噪音降低很多。上世纪九十年代以来,国外好多汽车齿轮行业,将原有的滚、剃工艺和滚、磨(展成法磨齿)工艺,逐步用滚、高效磨(蜗杆砂轮磨齿机)和滚、剃、珩(内齿圈砂轮珩齿机)工艺代替。我们最熟悉的美国EATON公司,在上世纪九十年代就成功地研制出了细高齿双中间轴变速箱,并且在齿轮加工上,采用了滚、剃、珩工艺。

国内外齿轮加工现状和发展趋势,珩轮的设计与制作工艺

1.2上世纪八十年代、九十年代,热后磨齿工艺比较盛行。但在变速器的使用过程中,人们发现,热后磨齿工艺,产生的磨纹与齿轮的运转轴线平行,平行波纹产生谐振,在高速运转时降低噪音并不明显。然而,热后珩齿工艺产生的细微珩纹与齿轮的运转轴线不平行,呈斜纹状态存在。这样,就不会导致高速运转时谐振的产生,齿轮传动噪音得到了很大程度的降低。同时珩齿时的挤压和震动作用可以减少齿面热处理的残余应力,增强齿面压应力,提高齿轮的使用寿命。所以,国外著名的汽车变速器行业,正在实施滚、剃、珩工艺,甚至发展到滚、珩工艺。世界上著名的汽车齿轮加工机床生产厂商,例如美国格里森-胡尔特、德国KAPP、莱斯豪尔、日本三菱公司都有强力绗齿机生产。但是,价格相当昂贵,而且机械加工各种零件相配的砂轮和砂轮修整器也相当昂贵,并且只适用于大批量生产。


2.国内齿轮加工现状和发展趋势


2.1上世纪九十年代,国内好多齿轮生产厂家,例如一汽齿轮箱厂、上汽齿轮箱厂、綦江齿轮箱厂、陕西汽车齿轮总厂等在上世纪九十年代开始采用滚、剃工艺和滚、高效磨工艺。由于高效磨齿机价格昂贵,进口格里森磨齿机每台价格大约在人民币700~800万元之间。磨齿成本高,多数厂家只是在高速运转齿上采用此工艺,大多数齿轮仍采用滚、剃工艺。本世纪初,陕西法士特公司后来者居上,大胆地进行技术改造,购买了大批国外著名品牌的数控加工机床和热处理设备,采用各种先进加工工艺,使变速箱质量领先,产量多年雄居世界。但是,对于大多数的小企业,由于资金不足,设备差,底子薄,想提高产品质量,只能望尘莫及。


2.2哈尔滨东安动力齿轮箱厂上世纪九十年代开始采用滚、剃、珩工艺,生产的微型车变速器以噪音低,寿命长,而雄居全国。他们的珩齿工艺采用的机床是国内生产的YW4232剃齿机(主轴电机经过改造),珩轮是自己制造的环氧树脂砂轮,珩轮几何形状跟剃刀的形状一样,珩削方法也与剃齿方法一样,只不过剃齿是在热前加工而珩齿是在热后加工,主轴转速比剃齿高好多倍。


上世纪九十年代至今,环氧树脂珩轮珩齿机在有些齿轮生产厂家得到了使用。这种珩轮只能起到一个抛光作用,对齿轮的热处理变形修正效果不佳。首先,超过3模数的齿轮,珩削力大,此环氧树脂砂轮强度不够,会发生打齿现象。其次,环氧树脂砂轮脱粒很快,加工不了多少工件。


2.3本人目前就职的奈尔奇电子科技有限公司,原来变速箱齿轮加工采用的是滚、剃工艺。尽管制造的齿轮,在热前都达到了国标8-7-7标准。但由于20CrMnTi钢材材质的缺点,热处理变形大。再加上生产中齿面残留毛刺和磕碰,会使齿部精度大大降低,装箱后增加了噪音。


为了减轻变速箱的噪音,现行工艺在完工检查工序,专门增加了一道工序:在综合检查仪上检查齿面毛刺,并用打磨机去掉毛刺和磕碰。至于齿面热处理变形问题一直是滚、剃工艺解决不了的难题。我公司近年来,接到美国等国家的定单,送来的大多数样件都是热后珩齿机械配件加工出来的。我公司为了保证质量,只能采用磨齿加工,存在加工费用高和生产效率低,盈利少的问题。

2.4新的修形珩齿工艺可以解决齿面热处理变形问题。


要彻底解决齿面热处理变形问题,必须走滚、剃、珩工艺的路子。但是,国外珩齿机价格相当昂贵,小企业根本买不起。要走滚、剃、珩工艺的路子势必增加生产成本,这是我们的小企业目前做不到的。那麽,有没有一种既省钱,又能解决齿面热处理变形问题的加工方法呢?有。那就是新的CBN珩轮珩齿工艺。(立方氮化硼简称CBN,我们将此工艺定为CBN珩轮珩齿工艺)为了这个目标,本人经过二十多年地努力。特别是最近几年对CBN珩轮、珩齿机床做了不断地改进,做了大量的工艺实验,终于圆满地完成了园柱齿轮热后齿部修形珩齿加工新工艺。首先,对我公司的YD4232CNC2数控剃齿机主轴转速进行改造,使其最高转速达到2000转/每分钟。在此机床上采用我发明的19552的CBN珩轮对我公司生产的富勒RT-11509C变速箱中间轴传动齿轮19552,进行热后齿部珩齿加工。齿轮的齿形、齿向变形都修正过来了,齿轮精度都达到8-7-7标准。图1和图2分别为我公司生产的富勒RT-11509C变速箱中间轴传动齿轮19552珩前和珩后齿形、齿向检测报告。图1为珩前检测报告。在图1中打*号的为超差项。从图1中可以看出,由于热处理变形,齿形、齿向有些检查项超过了8级精度。图2为珩后检测报告。在图2中,齿形、齿向按7级精度没有一项检查项超差。从图2中可以看出,由于珩齿,将齿轮热处理变形都修正过来了,达到了7级以上精度。我公司经过珩齿的19552和17568齿轮,经过装箱后台架实验,噪音明显降低,得到了用户的好评。如果变速箱所有齿轮珩齿,噪音会更低。


3.珩轮的设计与制作及珩齿工艺


3.1珩轮基体的设计和制作。


3.1.1珩轮基体的设计。采用剃齿刀设计软件,针对某一要珩齿的零件热后的各项参数设计出珩轮基体图纸。


3.1.2珩轮基体材料的选择。选用钢材作为基体。


3.1.3珩轮基体的加工工艺如下:


①下料→②热锻→③等温正火→④粗车→⑤精车→⑥磨前滚齿→⑦去毛刺,磨棱角→⑧割键槽→⑨热处理→⑩磨内孔,磨端面→⑾磨另一端面→⑿磨齿→⒀完工检→⒁清洗→⒂送电镀


3.1.4珩轮基体加工的关键工序是电镀前的磨齿工序。我公司采用的机床是格里森-胡尔特公司出品的SRS410数控剃刀磨床。可以修磨出理想的珩轮齿形。


3.2珩轮基体的电镀。


3.2.1修磨好的珩轮基体经过在齿轮综合检查仪上检测合格后,送电镀车间电镀。

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3.2.2电镀工艺如下:


①化学除油→②水洗→③酸洗→④水洗→⑤电化学除油→⑥水洗→⑦活化→⑧埋砂→⑨电镀→⑩镀后处理


3.2.3电镀工艺关键是电镀电源的选择。


3.2.4 CBN材质的选择。


3.2.5电镀配方的选择。


3.2.6电镀工装设备的设计和制作。


3.3珩齿工艺的研究制定。


3.3.1 CBN珩轮只能针对某一要珩齿的零件进行珩齿。


3.3.2珩齿机床为我公司现有的国产YK4232数控剃齿机。并对机床主轴进行改造,使主轴转速达到2000转/每分钟。


3.3.3珩齿夹具要设计和制作成涨胎式珩齿夹具,以提高珩齿精度。


3.3.4珩齿切削液为水性切削液。


3.3.5珩齿切削参数的制订。CBN砂轮最佳切削线速度为50m/S。CBN珩轮有它的特定环境,要求珩轮转速达到1300转/每分钟以上。无需径向进给,轴向走刀每件往返2行程即可。根据零件大小,珩齿时间一般在二分半钟到四分半钟之间。以摸数4.233、40齿、齿宽30毫米的齿轮零件为例只需三分钟。


4、珩齿工艺注意事项


4.1热前齿部精度的保证很重要。所有渐开线齿轮的热后珩齿一定要在热前达到以下精度:


4.1.1齿坯精车工序要在数控车床上,采用涨胎式精车夹具加工,要求端面对内孔的跳动不超过0.025mm。


4.1.2滚齿工序要在数控滚齿机上,采用涨胎式滚齿夹具加工。要求摸数在3~5.5mm之间、齿数在30~60之间的园柱齿轮齿圈跳动不超过0.03mm,周节累计误差不超过0.03mm。齿形齿向误差不超过9级。


4.1.3剃齿工序要注意剃刀的修形。齿形齿向误差完全符合产品图的各项要求。特别对K型齿形的变化进行冷热配合,有K齿形图要求的一定要在热前的K齿形框内。


4.2珩前齿部精度的保证:


4.2.1热后磨孔的齿轮要在数控内园磨床上,用节园夹具磨内孔,要求磨后的齿圈跳动不超过7级精度。以19552为例,齿圈跳动不大于0.03mm。


4.2.2珩轮基体的齿形刃磨一定要根据热后修形变化情况进行修磨。若检测到工件热后齿形齿顶正0.015mm,那么在刃磨珩轮基体的齿形时,齿根要正0.02mm,这样才能达到修形的目的。


以上工作做好了会对热后珩齿起到事半功倍的作用。


5、新的CBN珩轮珩齿工艺的市场前景


总而言之。此工艺是采用CBN砂轮在国产数控剃齿机上珩齿。CBN珩齿工艺的难点是要设计和制造出具有脱粒少,且切削力好的CBN珩轮。珩齿后的齿形齿向修正量可达到0.02~0.05mm,甚至更多。齿轮的热处理变形和磕碰完全可以修正过来。齿轮的齿形、齿向能提高一个精度等级以上,齿面粗糙度可达到Ra0.8以上。珩齿后齿轮使用寿命也会延长。变速箱长啮合和高速运转齿轮若全部珩齿,噪音会明显降低。目前,每把珩轮可以加工1000件左右齿轮,此珩齿费用每件只需2元人民币。珩轮用完后无需修磨就可以反复涂镀立方碳化硼砂粒。即经济又实用。我国目前至少有几百家齿轮加工企业,由于资金缺乏,而无力购买价格相当昂贵的进口珩齿机。然而,此工艺无需购买新设备,只需对现有的剃齿机主轴转速进行改造,就可以使你的齿轮产品质量提高一个或二个精度等级,我们何乐而不为呢!


市场竟争激烈,要求我们的企业生产出优质的齿轮产品,才能立足和发展。我相信经过我们不懈地努力,新的CBN珩轮珩齿工艺的普及,必定会对我国的齿轮加工行业带来一个很大的进步,我们的产品会更加具有国际竞争力。


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