工程機(jī)械齒輪軸加工工藝分析與優(yōu)化

秦磊

摘要：齒輪軸在機(jī)械設(shè)備當(dāng)中具有著十分重要的作用，因此我們應(yīng)該從多個(gè)方面來對(duì)齒輪軸的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化和分析。通過對(duì)齒輪軸的加工材料選擇、表面化學(xué)處理、熱處理等措施進(jìn)行具體的探討，并通過生產(chǎn)中的實(shí)踐來進(jìn)行分析，從而研究出能夠優(yōu)化齒輪軸加工質(zhì)量和加工效率的加工工藝，更好地發(fā)揮出齒輪軸的作用。本文針對(duì)工程機(jī)械齒輪軸加工工藝進(jìn)行分析，并提出具體的優(yōu)化對(duì)策，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員起到一些參考作用。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;齒輪軸工藝分析;優(yōu)化措施

0 ?引言

在工程機(jī)械當(dāng)中，齒輪軸的主要作用是對(duì)回轉(zhuǎn)零件起到支撐作用，從而使回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠得以實(shí)現(xiàn)，并傳遞相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力，其主要具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊以及使用壽命長等相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，在通用機(jī)械尤其是工程機(jī)械傳動(dòng)當(dāng)中，是十分重要的一種零件。現(xiàn)如今隨著我國拉動(dòng)內(nèi)需的啟動(dòng)，基礎(chǔ)建設(shè)也將得到良好的發(fā)展，而工程機(jī)械需求和產(chǎn)量也都會(huì)不斷的提高。因此我們應(yīng)對(duì)齒輪軸材料的選用、熱處理方式以及機(jī)械加工等進(jìn)行有效的優(yōu)化，從而提高齒輪軸的加工質(zhì)量和加工效率，延長齒輪軸的使用壽命[1]。

1 ?齒輪軸加工工藝分析及優(yōu)化

1.1 零件結(jié)構(gòu)分析

齒輪軸對(duì)精度具有較高的要求，需要在齒輪軸加工時(shí)注意相關(guān)問題。具體包括齒輪軸的材料基準(zhǔn)熱處理、以及齒型加工等方面要進(jìn)行正確的選擇和分析，從而確保能夠提高齒輪軸的加工質(zhì)量。以輸入齒輪軸為例，其外圓表面尺寸的公差多數(shù)都可以控制在±0.01mm以內(nèi)，而表面的粗糙度，則主要為Ra3.2～0.8μm，位置精度一般為尺寸精度數(shù)值的三分之一到五分之一，齒輪的精度等級(jí)則為7-5級(jí)[2]。加工前需要了解齒軸的各項(xiàng)技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)工藝性，按照?qǐng)D紙要求的定位基準(zhǔn)合理安排加工順序。

1.2 材料的選用

以減速機(jī)為例，常用的齒輪軸主要采用的材料具體包括合金鋼中的42CrMo、20CrMnMo、20Cr2Ni4、17CrNiMo6等。根據(jù)齒輪軸的不同用途和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的不同，對(duì)其材料的選用以及熱處理的工藝要求也會(huì)存在著一定的差異。20CrMnMo、20Cr2Ni4、17CrNiMo6等材料一般會(huì)采用調(diào)質(zhì)后用磨前滾刀滾齒后采用滲碳淬火工藝然后磨齒成成品，最終齒部硬度可以達(dá)到50-62HRC。

1.3 毛坯的選擇

在加工過程當(dāng)中，由于對(duì)齒輪軸的機(jī)械強(qiáng)度具有較高的要求，而且其各個(gè)階梯直徑也具有較大的差別，因此為了能夠有效地減少材料消耗以及加工的勞動(dòng)量，我們通常會(huì)選擇鍛件毛坯。以圖1的產(chǎn)品為例（M=9，Z=17），該產(chǎn)品要求使用17CrNiMo6的電渣重熔材料。毛坯的原材料應(yīng)使用精煉鋼，該鋼由轉(zhuǎn)爐冶煉，并在爐內(nèi)鎮(zhèn)靜和真空脫氣處理，加上二次電渣重熔，嚴(yán)格控制H、O、N等氣體的增量。采用電渣重熔鋼錠，可以提高鋼的純凈度，明顯改善鋼的塑性及韌性，減少枝晶偏析，杜絕了疏松及縮孔的出現(xiàn)，可明顯改善鋼的等向性[3]。

該軸的鍛造工藝流程為：

原料開坯→下料鋸切→加熱→鍛造→鍛后熱處理→機(jī)加工→探傷檢尺。

該鍛件采用鍛前開坯的方式，過程中采用小十字交叉的變形方式，對(duì)原料進(jìn)行拔長、鐓粗鍛造，使鍛造比大于6以上，可最大程度改善原料原始的成分不均勻、枝晶偏析等缺陷;成型鍛造使用小摔子，將小直徑拔長摔圓鍛出。使鍛件達(dá)到組織均勻、流線合理、變形比均勻的目的，提高了產(chǎn)品的等向性能。

鍛后快速冷至300～400℃左右，裝電爐進(jìn)行正火+高溫回火，以改善組織和機(jī)械加工性能。

1.4 預(yù)備熱處理及半精車

鍛坯在鍛打粗車干凈黑皮以后，需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理就是指淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚矸椒?，其目的是使工件具有良好的綜合機(jī)械性能。高溫回火是指在500-650℃之間進(jìn)行回火。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。

圖1產(chǎn)品為例，調(diào)質(zhì)時(shí)采用正火加調(diào)質(zhì)的預(yù)處理工藝，加熱到在880℃溫度，然后保溫2.5小時(shí)，以油冷方式冷卻至室溫。然后以650℃進(jìn)行回火處理，保溫5h，空冷至室溫。預(yù)處理后硬度控制在160～200HBS，下道工序進(jìn)行半精車加工，半精車盡量選取較小的切削深度和進(jìn)給量，而切削速度則可以取高點(diǎn)。精車要求切削深度要小，走刀量也要小，半精車完畢后，不但工件的直徑幾何尺寸要合格，而且對(duì)表面的粗糙度要求也較高，而且也要合格。精車的加工精度可達(dá)IT8～I(xiàn)T6級(jí)，表面粗糙度Ra可達(dá)1.6～0.8μm。

1.5 齒部加工及精車

通常在機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，齒輪軸由于其精度不同，因此劃分為具體的級(jí)別。而插齒和滾齒可以有效的保證齒型所具有的精度，但二者相比滾齒的精度要更高，而且也具有更高的效率，因此對(duì)于外齒的齒輪軸，可以用滾齒機(jī)對(duì)其進(jìn)行小批量的生產(chǎn)和大批量的生產(chǎn)。根據(jù)生產(chǎn)方式不同，其加工程序也會(huì)有所不同，如圖1產(chǎn)品可以使用磨前滾刀進(jìn)行滾齒處理，然后進(jìn)行滲碳、淬火、精磨車、磨齒等加工工序。而對(duì)于需要進(jìn)行淬火處理的齒輪，需要在具體的淬火前將其精度提高。如圖2所示。

而花鍵則可以根據(jù)不同的形狀來將其具體的分為矩形花鍵和漸開線花鍵，通常后者在機(jī)械設(shè)備當(dāng)中具有普遍的應(yīng)用[4]。

精車時(shí)以齒輪軸兩端的頂尖孔來作為基準(zhǔn)并對(duì)其進(jìn)行精車外圓，如果想有效的提高加工效率和加工質(zhì)量，可以在精車的過程當(dāng)中采用數(shù)控車削的方法，從而來有效的提升加工效率并能夠確保齒輪軸弧面等特性的加工質(zhì)量。

2 ?表面化學(xué)處理及熱處理的注意事項(xiàng)

在齒輪軸的加工過程當(dāng)中，為了確保齒輪軸能夠正常使用，需要對(duì)其進(jìn)行表面化學(xué)處理及熱處理工藝。如圖3所示。

而在熱處理過程當(dāng)中，我們首先要對(duì)溫度進(jìn)行控制，并明確自己的冷卻速度以及冷卻介質(zhì)等相關(guān)的質(zhì)量因素。而對(duì)齒輪軸的危險(xiǎn)截面，即與齒寬對(duì)稱中心線成30度角的直線，與齒根圓角相切處，需要進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度檢測(cè)，除此之外還應(yīng)對(duì)重要的齒輪軸參照國外同類零件的要求或者是用戶協(xié)議等來對(duì)齒輪軸的齒心韌性和塑性進(jìn)行檢測(cè)。齒輪軸的直徑位置應(yīng)該位于齒寬對(duì)稱中心線與齒根圓相交處。在經(jīng)過具體的熱處理后，其兩端的頂尖孔需要進(jìn)行研磨處理，主要是對(duì)于其外圓表面和端面進(jìn)行磨削，并以兩端的頂尖孔來作為精基準(zhǔn)，確保滿足相關(guān)的加工要求。為了能夠?qū)X輪軸表面的輕度和韌性進(jìn)行保證，通常需要對(duì)齒輪軸進(jìn)行滲碳和淬火處理。以圖1產(chǎn)品為例，其滲氮層深度為2.1～2.5毫米。滲碳后對(duì)齒輪軸進(jìn)行淬火處理，淬火后齒部的硬度可以達(dá)到58-62HRC?；ㄦI齒部、凹槽等一些局部部位不需要進(jìn)行表面滲碳和淬火處理時(shí)，需要在其表面涂抹相應(yīng)的防滲透料，防止這些位置在后續(xù)加工中硬度高，難以加工。[5]

3 ?工藝路線

對(duì)于20CrMnMo、20Cr2Ni4、17CrNiMo6等材料的齒輪軸，其生產(chǎn)工藝的具體步驟為下料、鍛造、粗車、正火調(diào)質(zhì)、半精車、滾齒，隨后進(jìn)行滲氮和淬火，隨后精車、磨齒。在整個(gè)加工過程當(dāng)中，我們需要注意由于加工的工序較為復(fù)雜和繁多，因此需要對(duì)加工過程進(jìn)行精細(xì)化處理。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，對(duì)齒輪軸的加工工藝也在進(jìn)行著優(yōu)化和改進(jìn)，并在具體的生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中不斷的進(jìn)行著摸索和完善，從而有效的提高齒輪軸的加工質(zhì)量和加工效率，延長齒輪軸的使用壽命，確保能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的齒輪軸，從而使機(jī)械設(shè)備能夠更好的進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)，提高自身的生成量[6]。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)齒輪軸的工藝進(jìn)行分析，并根據(jù)對(duì)照產(chǎn)品裝備圖來分析了齒輪軸，對(duì)其性能、用途和具體的工作條件等進(jìn)行了解，明確了該零件在產(chǎn)品當(dāng)中的具體作用和主要位置。通過對(duì)齒輪軸以及各項(xiàng)技術(shù)條件進(jìn)行制定的依據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)技術(shù)的相關(guān)要求和關(guān)鍵技術(shù)，這樣可以在對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化的過程中更好地?cái)M定工藝規(guī)程，從而提高齒輪軸的加工質(zhì)量。具體來說，通過對(duì)齒輪軸加工材料的合理選擇、科學(xué)合理的表面化學(xué)處理以及熱處理，并優(yōu)化切削加工工藝等對(duì)策，使其在具體的生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中能夠得到有效的應(yīng)用，全面提高齒輪軸的加工質(zhì)量和加工效率，延長齒輪軸的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

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