內(nèi)花鍵齒輪機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)分析

孫 波

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)，江西 贛州 341000）

內(nèi)花鍵齒輪是齒輪箱的重要部件，發(fā)揮著傳遞扭矩和定心的作用，當(dāng)前，在重型車內(nèi)部的離合器等裝置，都得到推廣運(yùn)用。機(jī)械設(shè)施正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)其齒輪零件造成較高載荷，因此齒輪機(jī)械加工工藝十分必要[1，2]，但內(nèi)花鍵齒輪對(duì)加工規(guī)格要求高，加工過(guò)程中容易變形，工件硬度和形位公差都要達(dá)到指定要求。而傳統(tǒng)內(nèi)花鍵齒輪機(jī)械加工工藝，工藝流程會(huì)消耗較長(zhǎng)的加工操作時(shí)間，具體在加工過(guò)程中，沒有從加工需求出發(fā)改進(jìn)工藝，未做到有效控制齒輪零件的潛在變形風(fēng)險(xiǎn)，將切削零件的參數(shù)確定為徑向的車床進(jìn)給量，這些都會(huì)使加工過(guò)程很難達(dá)到預(yù)期的工藝效果，導(dǎo)致呈現(xiàn)比較顯著的零件變形現(xiàn)象。為此，對(duì)內(nèi)花鍵齒輪機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，最大化改進(jìn)傳統(tǒng)加工操作，考慮各項(xiàng)基本的加工操作參數(shù)，關(guān)注各個(gè)加工操作細(xì)節(jié)，結(jié)合齒輪零件固有的性能，靈活選擇各種加工工藝，使內(nèi)花鍵齒輪機(jī)械零件符合加工要求，并與傳統(tǒng)內(nèi)花鍵齒輪機(jī)械加工工藝進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文加工工藝的有效性。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)花鍵齒輪機(jī)械加工工藝

1.1 設(shè)計(jì)熱擠壓模具

根據(jù)內(nèi)花鍵齒輪的機(jī)械性能要求，對(duì)熱擠壓模具進(jìn)行優(yōu)化。首先選擇合適的加工刀具和毛坯，刀具型號(hào)要符合特定的內(nèi)花鍵齒輪加工標(biāo)準(zhǔn)，此次機(jī)械加工選擇插齒刀，首先確定插齒刀的壓力角，通過(guò)前期的修形處理，確保其符合零件模數(shù)，保證刀具良好的加工形態(tài)，避免插齒刀出現(xiàn)頂切現(xiàn)象或者跟切現(xiàn)象，使插齒刀的齒根圓弧半徑控制在0.5mm以內(nèi)。選用內(nèi)花鍵齒輪的毛坯時(shí)，則要保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的耐久性[3]，避免加工過(guò)程中，導(dǎo)致齒輪的變形，除此之外，還要重點(diǎn)考慮齒輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題，為此鍛件毛坯選擇碳鋼以及合金鋼，然后預(yù)先熱處理鍛件毛坯，細(xì)化鍛造坯件的晶體組織，對(duì)毛坯材料直接進(jìn)行正火處理，從而得到毛坯良好的切削機(jī)械性能。

設(shè)計(jì)熱擠壓模具，給正火處理的坯料一個(gè)變形力，選擇合理的模具材料，設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，提高模具的承載能力，使模具承載能力大于內(nèi)花鍵齒輪變形力，能夠順利擠出工件。首先設(shè)計(jì)出凸模工作部分的形狀和尺寸，進(jìn)而設(shè)計(jì)其余部分的尺寸，其凸模各部分尺寸如下表所示。

表1 凸模尺寸設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)熱擠壓模具的凹模時(shí)，要根據(jù)內(nèi)花鍵齒輪的形狀尺寸，并考慮其裝配、卸料、以及定位等情況，實(shí)現(xiàn)凹模內(nèi)腔的尺寸設(shè)計(jì)。至此完成熱擠壓模具的設(shè)計(jì)。

1.2 熱處理內(nèi)花鍵齒輪

利用熱擠壓模具確定內(nèi)花鍵齒輪的幾何形狀后，對(duì)毛坯進(jìn)行熱處理，全面控制齒輪的潛在變形量，熱處理選取連續(xù)式滲碳爐，工藝采取滲碳降溫后直接淬火[3]。首先控制淬火—冷卻過(guò)程的溫度變化，設(shè)內(nèi)花鍵齒輪邊界范圍為s，齒輪毛坯表面溫度為TW，表面溫度函數(shù)為TW(x，y，z，t)，該函數(shù)隨時(shí)間和位置的變化而變化，其中t為淬火時(shí)間，x，y，z為齒輪邊界坐標(biāo)值，齒輪表面熱流密度為q，邊界外法線為n，熱導(dǎo)率為λ，則淬火過(guò)程溫度T的計(jì)算公式為：

公式（1）中，q與邊界外法線n的方向相同。在內(nèi)花鍵齒輪冷卻過(guò)程中，設(shè)毛坯與其接觸流體介質(zhì)之間的對(duì)流換熱系數(shù)為G，介質(zhì)溫度為Tf，定壓比熱容為k，則冷卻過(guò)程溫度T'的計(jì)算公式為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定熱處理過(guò)程的溫度變化，將齒輪毛坯放入富含活性碳原子的滲碳介質(zhì)中，進(jìn)行猝火冷卻、加熱保溫，增加齒輪表層的含碳量，直至其表面與芯部組織形成一定的碳濃度梯度，從而提高齒輪表面硬度和耐磨性，在此過(guò)程中，要選擇滲碳工藝參數(shù)，避免齒輪出現(xiàn)變形。設(shè)滲碳時(shí)間為t，擴(kuò)散系數(shù)為D，內(nèi)花鍵齒輪表面碳濃度為Cg，Cg取值于滲碳爐內(nèi)碳勢(shì)，齒輪毛坯原材料碳濃度為C0，齒輪毛坯要提高的碳濃度為C，碳濃度為C%的深度為H，則滲碳層碳勢(shì)參數(shù)C'的計(jì)算公式為：

設(shè)定好滲碳所需的溫度和碳勢(shì)，將熱擠壓模具擠出的內(nèi)花鍵齒輪裝入滲碳爐，裝爐方式為筐裝，按順序疊放齒輪，避免每個(gè)齒輪之間輪齒的接觸，之后進(jìn)行滲碳加熱處理，采用煤油作為滲碳介質(zhì)，并轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇。齒輪毛坯經(jīng)過(guò)二次正火的處理后，對(duì)其進(jìn)行低溫回火并室溫冷卻，至此實(shí)現(xiàn)內(nèi)花鍵齒輪的熱處理。

1.3 精加工齒輪

對(duì)冷卻的內(nèi)花鍵齒輪進(jìn)行后期精加工，彌補(bǔ)熱處理對(duì)齒輪制造基準(zhǔn)和精度的破壞，精加工流程如下圖所示。

圖1 齒輪精加工流程

使用數(shù)控車床設(shè)備，校正內(nèi)花鍵齒輪的齒頂跳動(dòng)，將該部位作為齒輪精加工的關(guān)鍵，選擇劃線鉆孔的方式，以基準(zhǔn)端面做為校準(zhǔn)基準(zhǔn)，確保預(yù)留內(nèi)花鍵的空隙距離，要保證齒輪具有0.1mm左右的數(shù)值增大幅度，校準(zhǔn)后精拉內(nèi)花鍵，并確定內(nèi)花鍵齒輪固有的齒頂修緣量。在內(nèi)花鍵齒輪的齒形方面，將所要珩齒的齒輪以花鍵芯軸為定心，使齒輪沿軸向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)、以及沿徑向做給進(jìn)運(yùn)動(dòng)，兩頭頂住花鍵芯軸頂針孔，令珩輪帶動(dòng)齒輪進(jìn)行高速正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用該相對(duì)運(yùn)動(dòng)施加壓力，使珩輪與齒輪之間的嚙合狀態(tài)為無(wú)側(cè)隙，修正齒型在熱處理過(guò)程中的幾何形態(tài)偏差。至此完成內(nèi)花鍵齒輪的后期精加工，實(shí)現(xiàn)內(nèi)花鍵齒輪機(jī)械加工工藝的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

齒輪材料選取8620H，毛胚淬透性較差、韌性好，毛坯化學(xué)成分如下表所示。

表2 毛坯化學(xué)成分（%）

毛胚硬度為150～180，晶粒度為7級(jí)，毛坯帶狀和組織都為2級(jí)，內(nèi)花鍵模數(shù)2、齒數(shù)38、壓力角30°、量棒直徑Φ3、熱前跨棒距為72.43～72.47，拉刀跨棒距為79.55～79.58、量棒直徑Φ3，拉削速度為1.5m/min～1.8m/min，齒輪棒間距和跨幫距變形量小于0.03mm，使內(nèi)花鍵一次拉削成型。外齒輪模數(shù)3、齒數(shù)50、壓力角20°、量棒直徑Φ5、熱前跨棒距為156.6～156.65，將本文工藝與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩種工藝的外齒加工都為滾齒后剃齒，傳統(tǒng)工藝的熱處理則為表面淬火，采用電子管式高頻振蕩電流，控制在200kHz～300kHz，對(duì)齒輪毛坯進(jìn)行電接觸加熱，淬硬層厚度為0.8mm～1.2mm，本文工藝的熱處理方式則為提出的滲碳淬火，采用AICHILIN連續(xù)式滲碳爐，裝夾方式為掛裝，熱處理工藝參數(shù)如下表所示。

表3 熱處理工藝參數(shù)

正火預(yù)熱時(shí)間為2h，進(jìn)行冷卻，之后進(jìn)行溫退火，時(shí)間控制為2h，最后進(jìn)行室內(nèi)冷卻，為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，兩種加工工藝各取10件內(nèi)花鍵齒輪進(jìn)行熱處理，并檢驗(yàn)齒輪的變形量，記錄熱處理前后兩種工藝的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，其對(duì)比結(jié)果如下表所示。

表4 內(nèi)花鍵棒間距尺寸對(duì)比

表5 外齒跨幫距尺寸對(duì)比

由上表可知，本文工藝內(nèi)花鍵平均變形量為0.03mm，傳統(tǒng)工藝平均變形量為0.07mm，相比傳統(tǒng)工藝減少了0.04mm，而本文工藝外齒平均變形量為0.05mm，傳統(tǒng)工藝平均變形量為0.12mm，相比傳統(tǒng)工藝減少了0.07mm。提高了內(nèi)花鍵齒輪的尺寸精度，驗(yàn)證了此次提出工藝的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

本次提出工藝優(yōu)化了內(nèi)花鍵齒輪熱處理工藝，解決了傳統(tǒng)工藝齒輪變形的問(wèn)題，提高了內(nèi)花鍵齒輪的機(jī)械性能。但此次研究沒有考慮到裝夾方法對(duì)齒輪變形的影響，在今后的研究中會(huì)進(jìn)一步完善。