齒輪內孔和齒輪軸外圓高硬度車削加工

摘要：根據齒輪內孔和齒輪軸外圓幾何結構特點，針對原工藝進行分析，結合實際生產，設計了新型硬車工藝，解決了磨削工藝效率低、硬車精度不穩定的問題，並給出了相應數據。

齒輪內孔和齒輪軸外圓，經滲碳淬火后， 硬度達50 ～62HRC。一般採用滲碳淬火熱處理前留余量，滲碳淬火熱處理后磨削加工至圖樣要求的工藝方法；採用滲碳淬火熱處理前留余量，滲碳淬火熱處理后，用CBN刀片車削至圖樣要求的方法。齒輪和齒輪軸配合處內孔和外圓有較高的精度要求，滲碳淬火熱處理前留余量，滲碳淬火熱處理后磨削加工的方法，磨削工序生產成本較高，生產周期長。滲碳淬火熱處理前留余量，滲碳淬火熱處理後用CBN刀片車削方法加工出的工件， 其表面粗糙度、形位精度不穩定，不能量產，經濟性差。

1. 磨削加工方法分析

為保證齒輪、齒輪軸滲碳淬火熱處理后正常加工，滲碳淬火熱處理前需留余量，避免滲碳淬火熱處理變形，使工件尺寸超差，無法加工至圖樣要求，尤其是厚度較薄的齒輪，長徑比較大的齒輪軸一般留1～3mm余量。磨削時存在以下困難：

（1）砂輪易鈍，批量生產時需經常修整砂輪，砂輪修整后需重新對刀，以確保加工尺寸。

（2）工件滲碳淬火熱處理變形，需反覆對刀，設置磨削起始點。

（3）磨削進刀速度有限，進刀過快，易造成工件表面燒傷，產生裂紋。

（4）對操作者的技能水平依賴性強，不能實現半自動化生產。

（5）長期磨削產生的氣霧，對操作者存在一定的健康影響。經測試，齒輪和齒軸單件磨削參數如表1所示。

磨削加工是目前較為普遍的加工工藝，能保證零件加工精度，但生產效率低，不環保，產品交貨期長，在市場經濟環境下競爭優勢不明顯。

2. 車削加工方法分析

CBN刀片硬度高，相比加工硬度低的材料，刀具需更硬、更耐磨、強度更大。切削本身是一種碰撞、摩擦及擠壓的過程，並且產生大量熱，尤其是刀尖部分溫度最高（見圖1)。

直接用CBN刀片進行半精車、精車加工，刀尖圓角極易出現后角磨損的情況，甚至出現圓角崩塌等不良情況（見圖2）。

工件表面會因刀尖角磨損、刀具刃口失效無法保證加工精度。工件表面也會因刀尖角磨損， 切削時無法進行切屑、排屑、斷屑，而使表面粗糙度質量變差（見圖3）。

從檢驗記錄和生產統計來看，用單個刀片刃口進行半精車、精車，如表2所示。

加工直徑100mm、長度86mm內孔，可加工62件，其中6件表面粗糙度值Ra=3.6～4.5μm，11件精度超差。因此用CBN刀片車削，雖能達到硬車目的，但質量不穩定，不能量產，發揮不出經濟效益。

在車床上採用CBN車削技術，加工高硬工件可成倍提高效率，但受目前國內刀具製造水平限制，刀片中的CBN成份需經特殊工藝冶鍊，國內目前只能提供可切削50HRC以下性價比較好的CBN刀片，50HRC以上時需要進口，進口SUMITOMO、Sandvik、KENNA等公司的刀片，國內可以提供整體CBN刀片，使用效果良好。

3. 改進后高效的硬車技術

改進后的硬車技術採用半精車與精車兩道工序加工零件至圖樣要求。

從檢驗記錄和生產統計來看，採用陶瓷刀片半精車，CBN刀片精車參數如表3所示。

半精車採用陶瓷刀片（ 見圖4）進行硬車，單邊留余量0.1～0.2mm。陶瓷刀片硬度次於CBN，但高於硬質合金，表面採用CVD化學塗層，具備高耐磨性，且刀片價格較CBN至少低5倍，用於半精車去除滲碳淬火熱處理后表面殘留氧化皮，滲碳硬化層，可獲得良好的性價比。

精車採用CBN刀片硬車。CBN刀片需選用帶后角刀片，一般7°即可，配合正前角車刀桿使用，因加工表面粗糙度值Ra需低於1.6μm，刀尖角應選用0.4mm以上，切削時的每轉進給應控制在0.04～0.08mm/r，線速度應控制在60～80m/min，切深應控制在0.1～0.2mm。為保證精車一刀即達圖樣要求，應試車一小段距離，確認精度后，精車至圖樣要求。精車時加高壓切削液，效果更佳。

單個刃口加工直徑100mm、長度86mm內孔，可加工151件，其中151件表面粗糙度值Ra=1.0～1.6μm，無零件精度超差。生產效率較磨削提高了68%～75%，單件加工成本降低48%左右；較單用CBN進行半精車、精車提高38%～50%，單件加工成本降低52.5%左右，且質量穩定，滿足批量生產要求。

4. 結語

高效的硬車技術是解決當前自動化生產的一個重要發展方向之一，結合數控機床應用，代替磨削工藝，具有廣闊的應用前景和優勢。是製造大國，在向製造強國晉陞的過程中，尤其在新技術、新工藝方面，應重視創新，為產品製造，乃至整個製造業的可持續發展輔平基路。

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☞本文發表於《金屬加工（冷加工）》2017年第3期49頁，作者浙江通力重型齒輪股份有限公司杜王靜

☞本文編輯：紫衣

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