當(dāng)前被大眾普遍采用的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)方式便是齒輪傳動(dòng)。工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用較多的是需要降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩的工作場(chǎng)合，而減速機(jī)就是滿足此工作需求的傳動(dòng)設(shè)備。站在現(xiàn)代角度上來(lái)看，機(jī)械制造領(lǐng)域也開(kāi)始朝向設(shè)備智能化、設(shè)計(jì)精密化以及管理信息化等方向變化，由于檢測(cè)設(shè)備以及在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的大范圍普及，各行業(yè)對(duì)齒輪制造產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)相較于之前而言更為嚴(yán)格。絕大部分狀況下，企業(yè)主要以產(chǎn)品優(yōu)劣勢(shì)指標(biāo)作為未來(lái)開(kāi)拓市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
一、減速機(jī)中齒輪的材料選擇
齒輪的制造需要根據(jù)該零件的工作強(qiáng)度及工作條件來(lái)選取，首先要考慮到材料的整體性能，才能夠使制造出來(lái)的齒輪盡可能經(jīng)久耐用。其次，要考慮的就是材料的成本及加工精度的要求，在選材時(shí)，盡量考慮切削加工性能，因?yàn)橐浊邢鞯牟牧夏軌驕p少大量的損耗，使成本降至最低，同時(shí)可提高加工效率 ( 見(jiàn)表 1)。
表 1 常用減速機(jī)齒輪材料力學(xué)性能
在減速機(jī)齒輪箱中，因其工作強(qiáng)度大所以對(duì)材料要求高，一般采用低碳合金鋼作為齒輪的常用材料，熱處理方式采用滲碳，滲碳的主要優(yōu)點(diǎn)為：
(1)過(guò)熱敏感性小;長(zhǎng)時(shí)間處于一定高溫下仍然可以保持細(xì)晶粒狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)直接淬火，有效保證機(jī)械性能。
(2)淬透性良好;滲碳鋼具有很好的淬透性，使得材料內(nèi)部能夠達(dá)到較好的強(qiáng)度與韌性。另外，經(jīng)過(guò)冷卻后的材料，不易變形、開(kāi)裂，從而滿足減速機(jī)的齒輪工作的硬度要求。
(3)碳附著能力強(qiáng);滲碳鋼通常有較好的表面吸收碳的能力，且速度快，效果好。碳濃度梯度較為平和，碳化物于齒輪表面的分布形式都非常均勻，大大增強(qiáng)了材料的硬度，實(shí)現(xiàn)了齒輪表面要求硬度高，芯部要求韌性及強(qiáng)度的特點(diǎn)。
二、齒輪加工方法及工藝
齒輪加工方法
在齒輪加工時(shí)，滾齒、插齒、剃齒、磨齒等加工方法最為常見(jiàn)。由于減速機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，基于此針對(duì)齒輪而言需要其具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，滾齒加工方法應(yīng)用較多。近年來(lái)，伴隨機(jī)械技術(shù)水平持續(xù)提升和更新，相關(guān)企業(yè)也開(kāi)始采用高速滾齒技術(shù)。該技術(shù)便是將微量潤(rùn)滑優(yōu)化工藝同空氣冷卻系統(tǒng)與該技術(shù)相結(jié)合，以替代切削液和冷卻液的設(shè)置。從而致使切削工作時(shí)出現(xiàn)的熱量吸收于金屬切屑之中，在將齒形加工效率有效提升的基礎(chǔ)上也確保刀具使用年限增加。
滾齒工藝上，齒輪模數(shù)較小時(shí)通常會(huì)選擇粉末冶金整體滾刀亦或是帶涂層的高速鋼完成加工，在使用刀具之后應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行修磨，同時(shí)在此完成涂層。當(dāng)齒輪模數(shù)較大時(shí)，由于顧及刀具成本，通常會(huì)將其設(shè)計(jì)成鑲刀片滾刀，這種設(shè)計(jì)方式要求定期檢查道具磨損情況。當(dāng)齒輪模數(shù)較大時(shí)，需要借助齒輪銑刀完成加工。
加工工藝設(shè)計(jì)及分析
齒輪加工一般工藝流程為：鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→齒端倒棱→熱處理→磨端面及內(nèi)孔→磨齒→精度檢測(cè)→線切割鍵槽→磁粉探傷→超聲波清洗防銹。
齒輪加工質(zhì)量的好壞與多個(gè)方面的因素有關(guān)，包括了：滾切刀具選擇的合適性、刀具安裝與螺旋角設(shè)定偏差、人為操作熟練度、加工精度、加工尺寸等。接下來(lái)會(huì)從定位基準(zhǔn)角度和加工精度等不同方面展開(kāi)研究。參照工藝差異性完成加工任務(wù)能夠?qū)⒄`差控制在合理范圍內(nèi)，從而使得齒輪精準(zhǔn)度提升。
1)工藝分析
詳細(xì)了解圖 1 內(nèi)容，其中齒輪材料包含：20CrMnMo，具體精度達(dá)到 6 級(jí)，其他技術(shù)要求見(jiàn)圖 1，齒輪參數(shù)略。其加工工藝過(guò)程，見(jiàn)表 2。詳細(xì)了解表 2 內(nèi)容，齒輪加工流程具體包含的階段如下。
圖 1 齒輪零件
表 2 齒輪加工工藝過(guò)程
(1)第一階段是齒坯進(jìn)入機(jī)械加工。
該齒坯為鍛件，粗加工前應(yīng)進(jìn)行正火處理。本階段中具體工作是對(duì)齒輪外形尺寸進(jìn)行加工，該情況下要對(duì)外圓尺寸精度以及齒輪孔投以關(guān)注，由于齒形定位基準(zhǔn)同加工精度之間的關(guān)聯(lián)性較高，基于此，該階段工作是為接下來(lái)齒形加工打基礎(chǔ)，該過(guò)程中所有環(huán)節(jié)均需要借助統(tǒng)一性的幾何公差將加工難度簡(jiǎn)化。
(2)第二階段是齒形的加工。
對(duì)于減速機(jī)中使用齒輪，因其通常需要負(fù)載和低速，所以需要表面達(dá)到一定硬度。在此過(guò)程中要完成淬硬處理，一定要在該階段內(nèi)確保齒形精度達(dá)到相應(yīng)加工標(biāo)準(zhǔn)和要求，基于此，該階段加工工作也是確保齒輪加工達(dá)到理想精度的重點(diǎn)，齒部加工應(yīng)安排粗、精加工階段。
(3)第三階段是熱處理階段。
該階段中具體針對(duì)齒部完成淬火處理以及滲碳處理，主要選擇滲碳 S0.9，在處理齒部過(guò)程中選擇高頻感應(yīng)淬火從而確保最后結(jié)果同硬度要求相吻合。
(4)第四階段是齒形的精加工。
該階段工作任務(wù)是將由于淬火所導(dǎo)致的齒形變形情況進(jìn)行修正，在此過(guò)程中齒形粗糙度會(huì)降低，除此之外其精度也會(huì)有所增加，最終確保齒輪達(dá)到合理精度要求。處于該階段中第一步是修正定位基準(zhǔn)面，由于受到淬火影響而致使齒輪端面和內(nèi)孔均會(huì)出現(xiàn)變形，假如淬火結(jié)束后將該端面以及孔直接使用到齒形精加工中，這會(huì)導(dǎo)致齒輪精度不達(dá)標(biāo);而在齒輪精加工過(guò)程中采用修整結(jié)束的基準(zhǔn)面，如此一來(lái)可以確保定位穩(wěn)定卻準(zhǔn)確，除此之外還可以確保分布較為均勻化。
2)基準(zhǔn)的確定
齒形加工難度在很大程度上受到定位基準(zhǔn)精度影響，通過(guò)對(duì)齒輪進(jìn)行了解，其齒形加工過(guò)程中選擇的定位基準(zhǔn)有兩種。
(1)內(nèi)孔和端面定位。將定位基準(zhǔn)選擇為內(nèi)孔，該做法同測(cè)量和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工作相吻合。要對(duì)內(nèi)孔精度進(jìn)行嚴(yán)格管控，批量生產(chǎn)效率高。
(2)外圓和端面定位。以外圓充當(dāng)定位，通常選擇芯軸對(duì)齒坯進(jìn)行安裝，借助外圓定孔中心位要對(duì)徑向跳動(dòng)量進(jìn)行合理管控，不適應(yīng)批量生產(chǎn)。
由圖 1 可見(jiàn)，內(nèi)孔充當(dāng)定位基準(zhǔn)其標(biāo)注 65H6 的尺寸精度。基準(zhǔn)端面本身并未有較大的表面粗糙度，其數(shù)值是 Ra0.8.μm，基準(zhǔn)端面對(duì)基準(zhǔn)孔的端面圓跳動(dòng)為 0.005.mm。以上幾項(xiàng)都具有較高要求，基于此在加工齒坯時(shí)，第一是需要對(duì)內(nèi)孔以及端面垂直度進(jìn)行控制。第二是在處理基準(zhǔn)孔過(guò)程中要在完成熱處理工作后將相應(yīng)余量留下完成精加工，不然會(huì)導(dǎo)致后期裝配精度受到影響。對(duì)端面以及孔展開(kāi)精加工過(guò)程中需要借助磨削方式，首先借助孔來(lái)充當(dāng)定位基準(zhǔn)磨端面，隨后定位基準(zhǔn)磨孔選擇為端面以及齒輪分度圓，由此保證齒形精加工達(dá)到合理精準(zhǔn)度。
三、熱處理在減速機(jī)齒輪加工中的應(yīng)用
減速機(jī)的齒輪在工作中受到一定接觸應(yīng)力及其他應(yīng)力的作用，主要體現(xiàn)為材料中網(wǎng)狀滲碳體、殘余奧氏體的數(shù)量和分布，同時(shí)齒輪表面承受載荷，工作中要傳遞扭矩。因此減速機(jī)的齒輪表面必須具有較好的硬度和耐磨性、晶體細(xì)化，芯部應(yīng)該具有良好的塑性和韌性以便于達(dá)到工作需求。針對(duì)齒輪展開(kāi)熱處理時(shí)總計(jì)涵蓋階段有兩個(gè)，首先為預(yù)熱處理鍛件毛坯，其次是熱處理齒部。
減速機(jī)齒輪的熱處理流程：一般先下料鍛造，然后用正火加工，再清洗、淬火、回火、 噴丸，之后再一遍清洗，最后檢驗(yàn)、包裝。可是不同因素均會(huì)影響到材料熱處理方式，在這里面涵蓋時(shí)間和冷卻方式以及保溫方式等等，對(duì)于做減速機(jī)齒輪較多的低碳合金鋼，通過(guò)熱處理實(shí)驗(yàn)證實(shí)鍛件毛坯在材料進(jìn)行粗加工后正火處理材料硬度會(huì)有顯著的提升。具體實(shí)驗(yàn)流程為：確保正火爐溫度提升至 400 以及 500℃，確保爐內(nèi)材料升溫，確保溫度提升到 600℃ 以及 650℃的狀態(tài)保持 3h，隨后將溫度提升為 860℃以及 880℃，確保時(shí)間維持 2h，隨后取出材料的同時(shí)將溫度下調(diào)到 350℃以及 400℃。
熱處理在齒輪齒部中的，齒輪的耐磨性還有疲勞強(qiáng)度等均可得到有效的提升，這道工序是齒輪機(jī)加工時(shí)必備的，對(duì)于一些材料如低碳的，或者是其合金鋼等來(lái)說(shuō)，滲碳淬火的熱處理是其采用最頻繁的一種方式，其會(huì)導(dǎo)致彈性形變，在齒部熱處理中，最為核心的就是對(duì)彈性進(jìn)行控制及改善。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，滲碳量和滲碳及淬火的溫度均是影響因素。以煤油作為滲碳劑，采用井式氣體滲碳爐，將滲碳以及淬火的溫度分別設(shè)置了三種，了解到由于持續(xù)升高的滲碳以及淬火的溫度，材料就會(huì)出現(xiàn)較大程度的變形，奧氏體組織在材料內(nèi)部更易被溫度所影響，進(jìn)而出現(xiàn)膨脹，由于加大的碳勢(shì)，會(huì)將碳濃度在材料滲碳層中的直接加大，這樣會(huì)促使不穩(wěn)定碳化物還有馬氏體都會(huì)出現(xiàn)不同程度的加大，最終對(duì)變形量都會(huì)造成一定的影響。
所以對(duì)于低碳及其合金鋼材料做減速機(jī)齒輪的熱處理要嚴(yán)格控制溫度、時(shí)間和冷卻方式，控制滲碳溫度和淬火溫度，獲取最佳機(jī)械性能的同時(shí)，可將其變形量盡可能地降低，從而保證工作過(guò)程更加穩(wěn)定。
四、結(jié)束語(yǔ)
由于制造業(yè)持續(xù)發(fā)展，在機(jī)械加工制造時(shí)，對(duì)智能數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行了普遍應(yīng)用。對(duì)齒輪加工技術(shù)如何更好地進(jìn)行應(yīng)用，才能在成本減少的前提下還能將產(chǎn)品的精度與質(zhì)量以及生產(chǎn)的效率進(jìn)行提升，是齒輪工藝研究的重要方向。減速機(jī)械設(shè)備中齒輪加工時(shí)從合適選擇材料、改善滾齒工藝、改進(jìn)加工工藝等方面入手，進(jìn)一步改善齒輪加工工藝水平。同時(shí)通過(guò)不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)，嚴(yán)格控制質(zhì)量環(huán)節(jié)，以求實(shí)現(xiàn)提高齒輪的尺寸精度、承載能力并延長(zhǎng)其使用壽命。
參考文獻(xiàn)略