高精度硬齿面高速铣削加工技术

2022-07-16 11:54王作鹏
科学与财富 2022年4期
关键词:高精度齿轮

摘  要:本文阐述了一种双联齿轮高精度高硬度齿面的精密铣削加工方法,实现了高精度、高硬度齿轮的精密铣削加工。

关键词:齿轮;高精度;高硬度;精密;铣削

随着科技发展,齿轮的种类和制造工艺也越来越成熟。一般来说,齿轮按大类分为渐开线齿轮和非渐开线齿轮,渐开线齿轮包括直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿轮、螺旋锥齿轮、直齿锥齿轮、圆弧端齿几种。

齿轮的主要制造方法分为展成法和成型法两种。齿轮的主流制造工艺包括滚齿、插齿、磨齿和剃齿这几种方式。目前,绝大部分齿轮均可以通过该类方法完成,但尚有部分齿轮由于齿轮设计结构限制,应用齿加工专用设备和工具无法进行加工。 针对上述齿轮加工问题,拟通过开展齿轮建模技术研究、齿轮数控铣削工艺装备技术研究、齿轮数控铣削加工工艺技术研究、齿轮数控铣削仿真技术研究工作,解决上述齿轮加工工艺技术难题。

1.高精度硬齿面齿轮的加工

转速表双齿轮为双联盘齿轮结构,该零件材料为合金钢12CrNi3A,两个相邻齿轮之间的间隙仅为4mm,两个齿轮的精度均为5级,并且齿面经过渗碳淬火处理,要想保证齿面精度,必须在渗碳热处理后重新对齿面进行精加工。渗碳后齿面硬度为HRC≥60,大齿轮由于无干涉部位,齿部可以应用磨齿机进行精磨,但小齿轮由于空刀仅有4mm,即使应用能够应用最小砂轮的磨齿机,仍会与大齿轮端面产生较大干涉,导致无法应用磨削方式进行精加工。

目前,小齿轮的加工采用珩齿工艺,在珩齿机上应用珩磨轮进行精加工,但由于珩磨齿面的工艺方法受珩磨轮精度、珩磨机精度、珩磨夹具精度等综合影响,导致珩磨后小齿轮齿部各项精度指标均无法达到设计图纸要求,仅能够达到六级,并且齿面粗糙度也无法达到要求。珩齿时间也长达12小时/件,加工效率较低。

1.1工艺选择

使用成型磨进行加工时不仅序号考虑砂轮直径干涉问题,还需要考虑安装砂轮的刀杆及磨头端面與零件的空间关系,否则会出现磨头与零件大齿轮干涉的情况。因此,需要保证刀杆的有充分的长度。

由于砂轮受到零件结构的限制,直径要修整得较小,则在保证磨削时合适的线速度的前提下,砂轮的转速必然要很高,但是,刀杆的长度却要相对较长。在这两个客观因素的影响下,加工时,当砂轮高速旋转时,在离心力的作用下,必然会使刀杆发生弹性变形,导致砂轮产生振动。

加工中砂轮的振动对齿面的加工状态会产生极其不利的影响,表面粗糙度会变差,容易导致齿形公差、齿向公差不合格,公法线的尺寸一致性差,齿面还可能产生 “啃刀”现象,严重时甚至会导致零件报废。

该双联齿轮由于两个相邻齿空刀过小,无法实现磨削加工,珩磨方式无论是加工的精度还是效率,均无法满足设计和生产交付进度,由于齿面渗碳后硬度达 HRC≥60,插齿方式刀具无法加工该硬度齿部,采用上述方式均无法解决该零件小外齿的加工工艺难题。

由于之前开展过高精度硬齿面数控铣齿的工艺试验,通过对该小齿轮精度的综合分析,决定采用高精度硬齿面数控铣齿的加工方式,通过应用小齿轮精确建模技术、高精度硬齿面铣削数控编程技术、刀具选型技术、数控加工仿真技术、工艺过程控制技术、参数优化技术,解决高精高硬小齿轮加工工艺难题。

1.2高精密硬齿面铣削加工设备

在加工该高精度硬齿面齿轮时,需要兼顾机床的通用性、加工成本、加工精度和加工效率几个方面,主轴最高转速必须达到10000r/min,满足高效加工要求,机床的定位和重复定位精度必须控制在0.003之内,系统能够快速响应和预读,加减速功能。因此在选择机床时,必须选择满足上述机床,才能够满足要求。通过对车间现有设备调查,选择德马吉公司DMU80P五轴加工中心进行加工。

1.3高精度齿轮精确建模

高精度的齿轮模型是决定齿轮精度的先决条件。由于数控铣齿的加工精度受

零件材料、硬度、机床精度、编程精度、装夹找正精度、基准精度、刀具精度、刀具对刀精度、刀具磨损变化程度、机床运行温度变化精度、装夹刚性和让刀量、切削参数、测量误差等诸多因素综合影响,上述综合误差与齿部模型精度误差之和不能大于设计精度,因此,必须在建模时,保证齿轮具有足够高的精度(比设计要求的精度高2个等级以上),才能够在加工后最终满足设计图纸的要求。

为了提高建模精度,必须首先提高模型的精度等级,我们从UG软件的用户默认设置窗口→建模→常规→距离公差,将距离公差设置为0.0005,来提高齿部模型的加工精度。应用UG齿轮建模模块,根据小齿轮各项参数,建立小齿的高精度模型。

1.4  数控加工工艺及刀路设计

由于在加工前,齿面已经进行粗插齿和渗碳热处理,并且受热处理变形和基

准偏差的综合影响,余量不均匀。余量不均匀会导致加工时让刀量产生差异,影响齿面加工精度。因此,在编制程序时,为了保证最终精加工时余量均匀,编程时将铣齿分为粗铣齿和精铣齿两个阶段,粗铣完成后,保证余量均匀,再进行精铣齿,这样不仅能够保证精铣齿时余量和切削抗力均匀,而且经过粗铣齿后,将齿面最难加工的表层去除,能够有效减小精铣刀具的磨损程度,提高

精铣齿刀具寿命和加工精度。

同时,铣齿刀路采用固定轮廓铣中的曲面加工方式,刀路采用往复式加工方式,减少进退刀次数,仅需一次进、退刀就可完成一侧齿面加工,不仅刀路简洁,而且能够极大减小刀路长度,提高加工效率。

2.加工仿真

在正式加工前,为了保证编程正确性,避免加工出现程序错误导致撞刀、过

切欠切问题导致零件超差报废,应用仿真软件对数控加工过程进行了仿真验证。

3.加工操作

3.1夹具拼装

在五轴上数控铣齿时,需要将零件垫到足够的高度,才能够保证加工时不会与工作台产生干涉。由于该工序无夹具,采用拼装夹具的方式,将零件垫高。最初的拼装夹具无定心的心轴,直接将零件压在拼装垫块上,并且垫块长度较大,导致加工时需要频繁敲击零件,才能够保证与C轴回转中心重合,非常费时费力,并且无心轴的装夹方式也容易在加工过程中,零件产生轻微位移,影响零件加工精度和加工的安全稳定性,装夹刚性不足,为避免干涉刀具悬深达26mm,刀具装夹刚性一般,导致加工时让刀量较大,加工不稳定。

为了解决首次拼装夹具存在的上述问题,在拼装夹具上增加了心轴,并且重新对垫块进行拼装,减小垫块长度,這样仅需一次找正心轴中心即可,极大缩短了找正时间,提高了找正效率。同时,减小垫块长度使得刀具的悬长缩短,悬长仅14mm,极大提高零件和刀具的装夹刚性,提高加工过程的安全性和工艺过程的稳定性,减小了让刀量,从装夹方式上保证了齿部的高效、高精度加工。

3.2夹具装夹

夹具装夹前,清洁夹具端面和心轴配合表面,将夹具定位端面找正至0.005之内,然后将夹具心轴中心找正至与C轴回转中心重合,千分表跳动在0.005之内。

3.3零点设置

在选取工件加工零点时,为了避免引入五轴定轴加工方式的零点变换误差,提高加工精度,在进行零点设置时,将齿轮回转中心轴线与五轴C轴回转中心重合,在编程进行分度加工各个齿时,直接采用转动C轴方式,而不是定轴指令格式,这样影响齿部精度的因素就只有C轴回转精度和三个线性轴的重复定位精度,解决了五轴定轴分度加工方式引入变换公差的问题,提高了加工精度。

3.4角向找正

在加工前,必须将一个齿槽对准Y轴方向,这样就需要我们对小齿轮的角向进行找正。找正方法为将两个直径为φ5的滚棒分贝固定在两个齿槽内,两个滚棒之间间隔的齿槽数应为奇数,然后在X轴方向拉直两个滚棒,这样就能够保证齿的其中一个齿槽对准Y轴方向;

最初找正时,我们采用黄油固定两个滚棒,在固定的两个齿槽内存在大量黄油,非常难以清除。由于加工时采用干切削方式,加工时黄油粘附在刀具切削部位,切屑粘结在黄油上,切削时易导致切屑参与切削,划伤已加工工件表面,并且粘结的切屑与刀具刃带易产生挤压,造成刀具损坏。为了解决黄油固定滚棒找正的问题,我们采用皮筋固定的方式,将皮筋固定在齿轮外圆,利用皮筋的弹性,固定滚棒。该固定滚棒方式不仅灵活高效,固定滚棒稳定性好,并且不会对齿部产生污染,巧妙的解决了黄油固定滚棒找正角向的诸多问题

3.5加工刀具及参数选择

由于该齿轮材料为合金钢12CrNi3A,并且齿面硬度达HRC≥60,必须选择适合加工高硬度材料刀具,该刀具必须具有高耐磨性,优良的高硬切削性能,高制造精度,才能够满足高精度硬齿面加工要求。

通过对国际各大知名刀具品牌的试用,最终德国SCHNELL纳米涂层刀具远超其他竞争对手,完全满足高硬、高精度保持架窗口铣削加工要求,从而最终确立了该品牌刀具在高硬、高精材料加工的不可替代的地位。因此在加工该零件时,我们直接选择该品牌刀具。该齿轮齿根圆弧为R1±0.2,结合车间现有刀具情况,选择SCHNELL公司目前加工保持架的φ2球头铣刀进行加工。

加工高硬度的纳米涂层刀具要求在加工时,采用高转速、高进给、小切深的加工方式,切削方式为干式切削,冷却方式采用风冷,才能够最大的发挥该刀具的切削性能。

通过在现场对参数进行优化,确定如下切削参数:

主轴转速:10000r/min;进给速度:800mm/min(粗);450mm/min(精)

切削深度:0.3最大(粗);0.15最大(精);加工余量:0.1mm(粗);0.03mm(精)

冷却方式:风冷

3.6 加工结果

现场加工完成后,在齿轮测量机上对齿轮各项参数进行测量,无论是尺寸精度、形位精度还是粗糙度,都达到了设计图纸要求,实现了高精度硬齿面的铣削加工。

4.结束语

通过开展上述技术研究工作,并通过实际加工验证,加工的齿轮精度完全满足设计图纸要求,实现了高精度高硬度齿面的精密铣削加工,为齿轮加工提供了更为解决方案。

参考文献:

[1]方沂. 数控机床编程与操作[M]. 北京:国防工业出版社,1999.

[2]陈银清. 宏程序在数控加工中的应用研究. 机床与液压,2009.

作者简介:

王作鹏(1977.03-),男,汉族,黑龙江省哈尔滨市,大学本科学历,职称:高级工程师,研究方向:机械加工

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