CN104384876B - 高精度齿轮制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度齿轮的制造方法，通过优化氮化过程参数以及采用柔性定位网，使零件在趋向自由状态下进行氮化，在后续工序中采用吹砂的加工方法均匀辐板表面的残余应力，以及通过自适应性磨齿夹具，增加吹砂工序等，克服了齿轮加工过程中的变形问题和精度无法保证的问题。本发明的方法保证了氮化的稳定性，提高了磨削精度，防止了辐板变形，使加工和氮化过程中的变形得到有效的控制，保证了零件的加工质量。

Description

高精度齿轮制造方法
技术领域
本发明涉及一种高精度齿轮制造方法，用于高精度薄壁齿轮加工和氮化变形控制。
背景技术
齿轮作为常用的传动零件，广泛应用于机械***中。在航空传动领域，齿轮作为不可缺少的传动零件，为保证航空传动的可靠性和稳定性，需要保证齿轮的各项指标。如在某航空传动***中的齿轮，材料为E32CDV13，直径为67～119mm，在齿轮上设置有壁薄辐板，辐板的厚度为2～4.5mm，要求齿轮制造后的齿廓总偏差在6μm以内,螺旋线总偏差在6.5μm以内，同时为保证齿轮的耐磨性等指标，还需要进行加工后的氮化处理。目前常规的加工方法包括：锻造-加工外形和内孔-粗加工辐板-滚齿-磨齿-加工倒角倒圆-抛光-精加工辐板-氮化，由于齿轮辐板壁薄，齿轮参数公差严，以及氮化后不能进行磨削，在加工后，尺寸公差很难保证，给齿轮的加工带来了很大的困难。
通过大量的试验数据对热处理前后的齿轮变形进行分析，用多元分析的方法确定影响齿轮变形的主要因素，主要包括：
①氮化处理过程中，零件采用的是传统夹具支承方式放置，在氮化过程中各位置受力不均衡，致使氮化过程不稳定，无法满足稳定热处理要求；
②因零件结构导致加工辐板中产生的残余应力在氮化过程中应力释放，导致零件辐板产生不规则变形；
③因氮化后不能进行磨削，零件公差需要在加工前磨削及后续热处理过程中进行合理分配，在保证氮化变形的基础上，分配后的磨齿公差极小，现有加工方法无法满足公差要求；
④齿轮倒角倒圆无法达到设计图纸要求，影响齿轮在加工过程中的测量精度，导致后续参数的设置不合理，使最终产品不能达到要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度齿轮的制造方法，保证氮化的稳定性，提高磨削精度，防止辐板变形，控制加工和氮化过程中的变形，保证零件的加工质量。
本发明的技术方案是，所述的方法包括以下步骤：
1)锻造成毛坯；
2)对毛坯外形进行粗加工，加工后齿端面单侧留有余量2～4mm；
3)采用真空炉进行调质工序，调质后零件的硬度为HV290～337，机械性能为Rm＝930～1080MPa；
4)半精车外形，在零件齿端面φ100以上区域预留磨量0.1～0.3mm，
如尺寸小于φ100则该步骤取消,直接进行下一步骤；
5)滚齿加工，加工后齿型面单侧预留余量0.18～0.3mm，清理滚齿产生毛刺；
6)对辐板及内孔进行半精加工，加工后辐板预留0.1～0.3mm的余量；
7)稳定回火，回火温度不小于500℃，升温时间＞2h，保温时间在5～5.5h；
8)磨顶尖孔精修基准，加工后端面、齿顶对顶尖孔跳动≤0.02mm；
9)精磨，精磨齿端面至要求尺寸；
10)进行磨齿，采用成型磨齿机设备，磨齿过程中采用自适应磨齿夹具；所述的自适应磨齿夹具包括配重部分和随动部分，配重部分根据所加工零件选配安装在辐板上端与零件辐板完全贴合以避免零件在加工中产生振动，随动部分安装在机床座位置，随动部分设置有高精度的分度结构，该结构拨棒带动与零件相连的夹箍进行转动；
粗磨齿过程：对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动≤0.005mm，找正完毕后进行磨齿，预留余量0.04～0.06mm；
测量：零件进行检验，根据检验结果设置精磨的加工参数；
精磨齿：重新对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动≤0.005mm，主要参数齿廓倾斜总偏差fHα加工至0～-3μm,螺旋线倾斜偏差fHβ加工至2.5μm以内；加工前检查自适应磨齿夹具的配重及随动夹箍；
11)倒角：对齿轮进行倒角至要求尺寸，期间每倒5～10齿对加工倒角的胶轮进行检查，若不合格进行更换；
12)抛光：用橡胶束抛光轮对齿进行抛光，加工中零件每接触扇面抛光时间为3～4分钟；加工完一周后，匀速不间断转动齿轮进行抛光4-8分钟；抛光后对零件进行测量，如不合格按本步骤进行补充加工；
13)吹砂，对辐板表面进行吹砂，吹砂粒度为100#，吹砂压强为0.15～0.3MPa,吹砂时间5～8min；
14)精车，对齿轮辐板进行精车至要求尺寸；
15)氮化，采用真空炉对零件进行氮化，炉内温度不小于500℃，保温时间保证11～11.5h；采用柔性定位网定位零件；所述的柔性定位网设置在真空炉内，所述的柔性定位网上在支架设置的柔性网，柔性网之间设置有定位零件孔并使零件与地面平行，柔性网支撑在零件的辐板上，使零件呈浮动支撑状态；
16)精磨基准和装配位置；
17)最终检验。
上述步骤中，在所述的吹砂前和氮化后，分别对齿轮的参数进行测量。根据测量结果，形成数据库后，可以对后续的相关零件的加工提供指导。
本发明在氮化过程中，通过优化氮化过程参数以及采用柔性定位网，使零件在趋向自由状态下进行氮化。氮化过程中因柔性定位网起到浮动支承的作用，即避免了零件无支承定位导致在自重作用下产生变形，同时也最小化的降低了与零件的外部接触，又因其网状结构对氮气均匀渗透起到了良好的作用，解决了零件在氮化过程中不稳定问题；在后续工序中采用吹砂的加工方法均匀辐板表面的残余应力，达到减小变形的目的；在磨削过程中，为稳定精磨齿的加工过程，自主研究制造自适应性磨齿夹具，通过配重部分避免了磨削产生的振动影响，通过随动部分提高了精磨齿的分度精度，满足了磨齿加工要求；分步骤分工序把复杂加工步骤通过人工的分解成多简单操作步骤，并使零件倒均匀。本发明在原有工序的基础上，有针对性的对影响加工质量的步骤进行改进，解决了高精度齿轮在加工和热处理过程中的变形问题。
具体实施方式
一种高精度齿轮的制造方法，其具体步骤为：
1)锻造成毛坯；
2)对毛坯外形进行粗加工，加工后齿端面单侧留有余量2～4mm；
3)采用真空炉进行调质工序，调质后零件的硬度为HV290～337，机械性能为Rm＝930～1080MPa；
4)半精车外形，在零件齿端面φ100以上区域预留磨量0.1～0.3mm，
如尺寸小于φ100则该步骤取消,直接进行下一步骤；
5)滚齿加工，加工后齿型面单侧预留余量0.18～0.3mm，清理滚齿产生毛刺；
6)对辐板及内孔进行半精加工，加工后辐板预留0.1～0.3mm的余量；
7)稳定回火，回火温度不小于500℃，升温时间＞2h，保温时间在5～5.5h；
8)磨顶尖孔精修基准，加工后端面、齿顶对顶尖孔跳动≤0.02mm；
9)精磨，精磨齿端面至要求尺寸；
10)进行磨齿，采用成型磨齿机设备，磨齿过程中采用自适应磨齿夹具；所述的自适应磨齿夹具包括配重部分和随动部分，配重部分根据所加工零件选配安装在辐板上端与零件辐板完全贴合以避免零件在加工中产生振动，随动部分安装在机床座位置，随动部分设置有高精度的分度结构，该结构拨棒带动与零件相连的夹箍进行转动；
粗磨齿过程：对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动≤0.005mm，找正完毕后进行磨齿，预留余量0.04～0.06mm；
测量：零件进行检验，根据检验结果设置精磨的加工参数；
精磨齿：重新对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动≤0.005mm，主要参数齿廓倾斜总偏差fHα加工至0～-3μm,螺旋线倾斜偏差fHβ加工至2.5μm以内；加工前检查自适应磨齿夹具的配重及随动夹箍；
11)倒角：对齿轮进行倒角至要求尺寸，期间每倒5～10齿对加工倒角的胶轮进行检查，若不合格进行更换；
12)抛光：用橡胶束抛光轮对齿进行抛光，加工中零件每接触扇面抛光时间为3～4分钟；加工完一周后，匀速不间断转动齿轮进行抛光4-8分钟；抛光后对零件进行测量，如不合格按本步骤进行补充加工；
13)吹砂，对辐板表面进行吹砂，吹砂粒度为100#，吹砂压强为0.15～0.3MPa,吹砂时间5～8min；
14)精车，对齿轮辐板进行精车至要求尺寸；
15)氮化，采用真空炉对零件进行氮化，炉内温度不小于500℃，保温时间保证11～11.5h；采用柔性定位网定位零件；所述的柔性定位网设置在真空炉内，所述的柔性定位网上在支架设置的柔性网，柔性网之间设置有定位零件孔并使零件与地面平行，柔性网支撑在零件的辐板上，使零件呈浮动支撑状态；
16)精磨基准和装配位置；
17)最终检验。
上述步骤中，在所述的吹砂前和氮化后，分别对齿轮的参数进行测量。根据测量结果，形成数据库后，可以对后续的相关零件的加工提供指导。
实施例
某试验用的WZ16产品上的齿轮，所述的齿轮的材料为E32CDV13，直径为119mm，辐板的厚度为2，要求齿轮制造后的齿廓总偏差在6μm以内,齿廓形状总偏差在4.5μm以内，齿廓倾斜总偏差在±3.7μm以内，螺旋线总偏差在6.5μm以内，螺旋线形状偏差在4.8μm以内，螺旋线倾斜偏差4.8μm以内。渗氮表面硬度HV≥800，心部硬度HV290～337。其具体步骤为：
1)锻造成毛坯；
2)对毛坯外形进行粗加工，加工后齿端面单侧余量3mm；
3)采用真空炉进行调质工序，调质后零件的硬度为HV320，机械性能为Rm＝1032MPa；
4)半精车外形，在零件齿端面φ100以上区域预留磨量0.25mm；
5)滚齿加工，加工后齿型面单侧预留余量0.2mm，清理滚齿产生毛刺；
6)对辐板及内孔进行半精加工，加工后辐板预留0.24mm的余量；
7)稳定回火，回火温度为580℃，升温时间2.3h，保温时间在5.25h；
8)磨顶尖孔精修基准，加工后端面、齿顶对顶尖孔跳动≤0.005mm.
9)精磨，精磨齿端面至要求尺寸；
10)进行磨齿，采用成型磨齿机设备，磨齿过程中采用自适应磨齿夹具；所述的自适应磨齿夹具包括配重部分和随动部分，配重部分根据所加工零件选配安装在辐板上端与零件辐板完全贴合以避免零件在加工中产生振动，随动部分安装在机床座位置，随动部分设置有高精度的分度结构，该结构拨棒带动与零件相连的夹箍进行转动；
粗磨齿过程：对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动为0.004mm，找正完毕后进行磨齿，预留余量0.047mm；
测量：零件进行检验，根据检验结果设置精磨的加工参数；
精磨齿：重新对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动为0.004mm，主要参数齿廓倾斜总偏差fHα加工至-2μm,螺旋线倾斜偏差fHβ加工至2μm，加工前检查自适应磨齿夹具的配重及随动夹箍；
11)倒角：对齿轮进行倒角至要求尺寸，期间每倒6个齿对加工倒角的胶轮进行检查，若不合格进行更换；
12)抛光：用橡胶束抛光轮对齿进行抛光，加工中零件每接触扇面抛光时间为4分钟；加工完一周后，匀速不间断转动齿轮进行抛光7分钟；抛光后对零件进行测量，抛光结果合格；
13)吹砂，对辐板表面进行吹砂，吹砂粒度为100#，吹砂压强为0.25MPa,吹砂时间6.5min；
14)精车，对齿轮辐板进行精车至要求尺寸；
15)氮化，采用真空炉对零件进行氮化，炉内温度不小于509℃，升保温时间11h；采用柔性定位网定位零件；所述的柔性定位网设置在真空炉内，所述的柔性定位网上在支架设置的柔性网，柔性网之间设置有定位零件孔并使零件与地面平行，柔性网支撑在零件的辐板上，使零件呈浮动支撑状态；
16)精磨基准和装配位置；
17)最终检验。
结果：齿轮制造后的齿廓总偏差Fα为1.0～2.8μm，齿廓形状总偏差ffα为1.5～2.3μm,齿廓倾斜总偏差fHα为-1.2～-2.4μm，螺旋线总偏差Fβ为0.6～2.5μm,螺旋线形状偏差Fβ为1.5～2.6μm。螺旋线倾斜偏差fHβ为0.1～2.0μm,渗氮表面硬度HV0.5＝801，心部平均硬度HV0.2＝441。结论，加工后的零件合格。

Claims (2)

1.一种高精度齿轮的制造方法，其特征在于,所述的方法包括以下步骤：
1)锻造成毛坯；
2)对毛坯外形进行粗加工，加工后齿端面单侧留有余量2～4mm；
3)采用真空炉进行调质工序，调质后零件的硬度为HV290～337，机械性能为Rm＝930～1080MPa；
4)半精车外形，在零件齿端面φ100mm以上区域预留磨量0.1～0.3mm，
如尺寸小于φ100mm则该步骤取消,直接进行下一步骤；
5)滚齿加工，加工后齿型面单侧预留余量0.18～0.3mm，清理滚齿产生的毛刺；
6)对辐板及内孔进行半精加工，加工后辐板预留0.1～0.3mm的余量；
7)稳定回火，回火温度不小于500℃，升温时间＞2h，保温时间在5～5.5h；
8)磨顶尖孔精修基准，加工后齿端面、齿顶对顶尖孔跳动≤0.02mm；
9)精磨，精磨齿端面至要求尺寸；
10)进行磨齿，采用成型磨齿机设备，磨齿过程中采用自适应磨齿夹具；所述的自适应磨齿夹具包括配重部分和随动部分，配重部分根据所加工零件选配安装在辐板上端与零件辐板完全贴合以避免零件在加工中产生振动，随动部分安装在机床座位置，随动部分设置有高精度的分度结构，该结构的拨棒带动与零件相连的夹箍进行转动；
粗磨齿过程：对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动≤0.005mm，找正完毕后进行磨齿，预留余量0.04～0.06mm；
测量：零件进行检验，根据检验结果设置精磨的加工参数；
精磨齿：重新对零件精轴径及齿端面进行找正至跳动≤0.005mm，主要参数齿廓倾斜总偏差fHα加工至0～-3μm,螺旋线倾斜偏差fHβ加工至2.5μm以内；加工前检查自适应磨齿夹具的配重部分及随动部分的夹箍；
11)倒角：对齿轮进行倒角至要求尺寸，期间每倒5～10齿对加工倒角的胶轮进行检查，若不合格进行更换；
12)抛光：用橡胶束抛光轮对齿进行抛光，加工中零件每接触扇面抛光时间为3～4分钟；加工完一周后，匀速不间断转动齿轮进行抛光4-8分钟；抛光后对零件进行测量，如不合格按本步骤进行补充加工；
13)吹砂，对辐板表面进行吹砂，吹砂粒度为100#，吹砂压强为0.15～0.3MPa,吹砂时间5～8min；
14)精车，对齿轮辐板进行精车至要求尺寸；
15)氮化，采用真空炉对零件进行氮化，炉内温度不小于500℃，保温时间保证11～11.5h，采用柔性定位网定位零件，所述的柔性定位网设置在真空炉内，所述的柔性定位网为在支架上设置的柔性网，柔性网之间设置有定位零件孔并使零件与地面平行，柔性网支撑在零件的辐板上，使零件呈浮动支撑状态；
16)精磨基准和装配位置；
17)最终检验。
2.如权利要求1所述的高精度齿轮的制造方法，其特征在于,在所述的吹砂前和氮化后，分别对齿轮的参数进行测量，根据测量结果，形成数据库后，可以对后续的相关零件的加工提供指导。
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