電火花線切割在淬硬齒輪加工中的應(yīng)用

■ 山推工程機(jī)械股份有限公司 （山東濟(jì)寧 272073） 權(quán)中華 翟展新 宮 濤 李 炎

在齒輪加工領(lǐng)域，齒輪齒形表面根據(jù)硬度可分為軟齒面、中硬齒面和硬齒面三種。其中軟齒面硬度在280HBW以內(nèi)，中硬齒面硬度在280～400HBW，硬齒面硬度在45～64HRC。

1. 硬齒面齒輪的特點(diǎn)

提高齒輪齒面硬度，可以顯著提高齒輪的承載能力。當(dāng)齒輪齒形的表面硬度提高至滲碳淬火硬度（硬齒面）時，與一般調(diào)質(zhì)齒輪（中硬齒面）相比，其傳遞的扭矩可提高三倍左右。在傳遞扭矩不變時，齒輪副的質(zhì)量可降低至原來的40%。提高齒輪齒面硬度，同時還可顯著提高齒面的耐磨性。

2. 公司硬齒面齒輪制造現(xiàn)狀

推土機(jī)是一種低速重載機(jī)械，其終傳動及中央傳動部件中的齒輪表面硬度多在58～62HRC，屬于硬齒面齒輪。傳統(tǒng)加工方式為磨齒，工藝效率低、成本高。20世紀(jì)80年代，我公司引進(jìn)了大負(fù)前角整體硬質(zhì)合金焊接刮削滾刀，硬質(zhì)合金刀片焊接在高速鋼刀體上，采用硬齒面滾齒工藝代替磨齒工藝，提高了加工效率，降低了成本。

隨著推土機(jī)產(chǎn)品的升級換代，推土機(jī)終傳動結(jié)構(gòu)由原來的兩級外齒傳動改進(jìn)為行星傳動，行星傳動內(nèi)齒圈的淬火后加工成為一個新的工藝難題。國內(nèi)外企業(yè)對于該類型齒輪大多在滲碳淬火后，不對齒面處理或采用磨削加工。在公司現(xiàn)有工藝能力下，無法進(jìn)行淬硬內(nèi)齒圈齒面加工，而受制于熱處理水平因素，滲碳淬火后齒部變形，無法達(dá)到圖樣要求。

以公司某型號內(nèi)齒圈為例，模數(shù)9、齒數(shù)76、壓力角20°，圖樣要求精度國標(biāo)8級，齒面粗糙度值Ra=3.2μm，其材質(zhì)為低碳鋼，圖樣要求齒面硬度為58～62HRC，其現(xiàn)行加工工藝路線為：鍛造→正火→粗車→半精車→插齒→滲碳淬火→精車。

3. 采用電火花線切割加工淬硬內(nèi)齒圈的工藝方案

電火花加工是在一定的液體介質(zhì)內(nèi)，利用脈沖放電對導(dǎo)電材料的電蝕現(xiàn)象來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法。其特點(diǎn)是加工過程不受工件硬度的影響。

電火花線切割加工是利用移動的細(xì)金屬絲作工具電極，按預(yù)定軌跡進(jìn)行脈沖放電切割。按線電極移動速度的大小分為高速走絲和低速走絲線切割。

采用電火花線切割在淬火后對齒面進(jìn)行加工，其加工工藝路線為鍛造→正火→粗車→半精車→插齒→滲碳淬火→精車→線切割，在線切割工序?qū)?nèi)齒圈齒部精加工。該工藝方案的難點(diǎn)主要在于線切割的工序余量，從以下3方面對線切割工序余量進(jìn)行確認(rèn)：

（1）硬化層深度。圖樣對齒面硬化層深度要求為2～3mm，齒根部硬化層深度為1.5～2.5mm。而在公司現(xiàn)有熱處理水平下，齒面硬化層深度最深可到（4±0.3）mm，齒根部最深可達(dá)（2.3±0.2）mm。為保證線切割過程中的切削連續(xù)性，齒面及齒根部應(yīng)被同時切割，以余量較小的齒根部余量來確定線切割工序余量，最大不應(yīng)超過0.6mm（齒面單邊），換算為跨棒距M值余量約3.1mm。

（2）熱處理變形量。為保證線切割能完全切出齒面，線切割工序余量應(yīng)大于熱處理變形量。從現(xiàn)場任取3件該齒圈，在淬火后對齒圈的M值分別進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)如附圖所示。

從測量數(shù)據(jù)可以看出，淬火后M值的最大縮量為0.61mm，最小縮量為0.28mm，淬火后齒圈M值自身最大變動量為0.6mm。為保證所有齒圈均能被完全切出齒面，以淬火后齒圈M值自身最大變動量為參考，在此基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加0.6mm，將數(shù)據(jù)中的最小縮量0.28mm預(yù)留到淬火之前，綜合確定M值余量應(yīng)≥0.92mm。

（3）線切割用鉬絲直徑。為保證線切割時鉬絲可完全進(jìn)入金屬內(nèi)部，齒面單邊余量不應(yīng)小于鉬絲直徑，公司現(xiàn)用的鉬絲直徑一般為0.18mm。由此確定的線切割工序余量，最小應(yīng)＞0.18mm（齒面單邊），換算為M值余量約為0.7mm。

根據(jù)以上3方面的數(shù)據(jù)分析，確定以M值評價的線切割最小余量為0.92mm。

利用電火花線切割對該齒圈加工后，齒圈精度可達(dá)到國標(biāo)7級，齒面粗糙度值可達(dá)Ra=3.2μm，精度超過了圖樣要求。

淬火后齒圈M值變化量

4. 結(jié)語

該工藝方案實(shí)施后，淬硬內(nèi)齒圈齒面加工問題得到了解決。該方案尤其適用于新產(chǎn)品開發(fā)階段中的單件試制及小批量試制。在電火花線切割淬硬內(nèi)齒圈工藝方案成功實(shí)施后，我們將其推廣至硬齒面內(nèi)花鍵的加工上，同樣取得了成功。

[1] 齒輪制造加工速查手冊編委會.齒輪制造加工速查手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 郝建忠. 機(jī)械測量技術(shù)［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.