磨齿加工齿面黑皮原因分析及对策

齿轮磨削加工是目前淬硬齿轮齿面精加工的主要方法，随着汽车行业对齿轮传动噪声、传动效率和使用寿命的要求越来越高，我公司磨削加工齿轮数量逐年攀升，年产10万只以上。由于齿面黑皮产生的废品率在5%～8%(见图1)，因此分析零件齿面黑皮的原因十分必要，理由可总结为以下三点：首先，使我们能找准问题所在，从而及时调整，避免后续的废品产生;其次，为现场废品的责任划分提供了依据，避免产生废品后互相扯皮无法追踪;最后，针对各种原因给出了对策，经过现场批量验证大幅降低了因齿面黑皮产生的废品率。

齿坯齿形齿向精度对零件齿面黑皮的影响

磨齿齿坯一般为热前滚齿加工，要求齿形齿向精度达到国标8级，现在多数数控滚齿机可达到此精度，因此滚齿齿形齿向精度超差导致齿面黑皮的发生概率较小。但由于滚齿加工齿部精度检测频次低，如果精度超差往往是批量出现，而且实际生产中也遇到过，所以仍然值得重视。

1.黑皮特征

(1)齿形倾斜误差大，滚齿报告中fHα超出工艺要求，这类零件黑皮情况为每个齿的齿顶或齿根出现并沿着齿向方向延伸。

(2)齿向倾斜误差大，滚齿报告中fHβ超出工艺要求，这类零件黑皮情况为每个齿的两端出现沿着齿形方向延伸。

(3)齿形齿向形状误差大，滚齿报告中ffα超出工艺要求，这类零件黑皮情况为齿面鼓形最大区域出现分散的凹点。

2.对策

(1)严格按照滚齿工序作业指导书要求，检查刀具里外的刀台径向跳动，其跳动里边和外边均不大于0.015 mm，且跳动方向一致。

(2)严格按照滚刀寿命管理要求及时更换新刀，若新刀加工的齿精度超差则及时联系厂家返修。

(3)严格按照工艺要求的滚齿切削参数加工。

零件齿坯径跳误差及磨齿对刀误差对齿面黑皮的影响

1.黑皮生成机理分析

在磨齿机运行正常且砂轮修整无异常情况下，齿轮磨削齿面黑皮主要是由零件相对机床各轴的偏心(中心不重合)引起的。为方便研究，我们将偏心分解为两项：一是砂轮齿中心与零件齿槽中心不重合，即存在对刀误差;二是零件中心与机床主轴中心不重合，即存在径跳误差。

根据齿轮磨削原理，零件绕自身中心旋转，砂轮随主轴旋转并沿零件轴向进给完成磨削运动(见图2)，砂轮齿形截面为齿条，通过机床联动包络切削出齿形。为简化分析，我们将零件固定，砂轮相对零件旋转，进行加工状态模拟。

(1)正常加工状态

此时对刀误差和径跳误差都在工艺要求的范围内。由图3可知，砂轮齿与零件齿均等充分接触，零件不产生黑皮。

(2)只存在对刀误差情况

此时零件径跳误差在合格范围内，对刀点相对机床中心超差a。由图4可知，齿轮将出现黑皮，且黑皮分布在所有齿面的同一侧。

(3)只存在径跳误差-b，对刀点在零件中心远端

此时零件对刀误差在合格范围内，但由于零件径跳超差使零件中心相对机床中心偏置-b。若对刀点在零件中心远端，由图5可知，齿轮将出现黑皮，黑皮由对刀点所在齿槽开始对称分布，零件一部分齿的左齿面有黑皮，而另一部分齿的右齿面有黑皮，部分齿两面都有黑皮。

(4)只存在径跳误差b，对刀点在零件中心近端

我们再分析第3种情况中对刀点在零件中心近端的磨削状态。由图6可知，齿轮将出现黑皮，黑皮由对刀点所在齿槽开始对称分布，零件一部分齿的左齿面有黑皮，而另一部分齿的右齿面有黑皮，无两面都有黑皮的齿。

(5)同时存在径跳误差b和对刀误差a，且b

由图7可知，齿轮将出现黑皮，黑皮从某个齿槽开始对称分布，零件一部分齿的左齿面有黑皮而另一部分齿的右齿面有黑皮，b值过大时可能出现两面都有黑皮的齿。

(6)同时存在径跳误差b和对刀误差a，且b>a

由图8可知，齿轮将出现黑皮，黑皮从某个齿槽开始对称分布，零件一部分齿的左齿面有黑皮而另一部分齿的右齿面有黑皮，b值过大时可能出现两面都有黑皮的齿。

对现场的黑皮零件进行分类分析结果符合上述规律，汇总如表所示。

该表为我们分析齿轮出现黑皮原因提供了思路，若零件所有齿的黑皮在同一侧则只存在对刀超差，需要寻找影响对刀超差的因素及对策。若零件部分齿的黑皮在左面，部分在右面，则可能只存在径跳超差，也可能同时有对刀超差和径跳超差，这时我们先寻找影响径跳超差的因素，消除径跳超差后，若零件不出现黑皮，则零件只存在径跳超差;而消除径跳超差后，若零件出现黑皮且所有齿的黑皮在同一侧，则零件同时有对刀超差和径跳超差。

2.容易造成零件黑皮的原因及对策

(1)零件径跳误差的影响因素包括：车工走刀路径不合理，造成定位内孔有翻边;零件热前滚齿径跳超差;磨前工序对内孔有磕碰划伤;片齿轮热处理时椭圆;轴齿热处理时弯曲严重，后续校直加工径跳不满足工艺要求;磨齿工序夹具和上顶尖未校正;磨齿工序装夹时未吹干净孔内毛刺及杂物。

(2)消除零件径跳误差对策

①滚齿工序零件径跳必须满足工艺给定的公差要求。

②磨前各工序必须做好定位孔的防护。

③零件热处理后定位端面的跳动应控制在0.04 mm以内，齿圈径跳应控制在0.08 mm以内;对于热变形较大无法控制的零件，热后增加定位端面和内孔的精加工工序。

④磨齿工序设计夹具校准件，换工装时保证夹具内孔跳动在0.005 mm以内，顶尖跳动在0.01 mm以内。

⑤目前大多数的磨齿设备带有自动对刀检测系统，具有检测毛坯零件径跳误差的功能，零件磨削时可设置合理的偏差过滤值，将径跳误差太大的零件提前过滤，过滤后的零件隔离标识后可返回上游工序返修，减小工序废品率。

3.对刀误差影响因素及对策

虽然现在的数控磨齿机都带有自动对刀系统，但由于对齿传感器靠零件齿顶部的上升和下降趋势来产生电磁感应脉冲，零件旋转一周后对每个齿的脉冲进行平均分度，再选择任意一个齿槽进入磨削啮合，因此自动对刀精度易受零件齿部精度的影响，往往分度偏差较大。在采用手动对刀时，操作者将砂轮与齿槽两面分别接触至有微量火花，记录齿槽两面的机床坐标并计算中心坐标，工件磨削时砂轮将从此齿槽中心进入啮合，无分度误差，对刀精度较高。

磨齿机在更换砂轮或夹具后，必须重新手动对刀。对于加工精度要求较高的零件，尤其斜齿零件，应采用手动对刀。由于磨齿设备受温度及系统误差的影响，对刀点在工作过程中会慢慢偏移，磨削过程中应实时观察零件齿根沉切状况，若连续出现一侧沉切明显大于另一侧，则及时重新手动对刀，避免偏移过大造成齿面黑皮。

热处理齿部变形对零件齿面黑皮的影响

在分析径跳对齿面黑皮的影响时指出，零件热处理时的椭圆和弯曲变形在后续工序无法校正时，磨削易产生齿面黑皮。现在分析另一项热变形导致齿面黑皮的主要因素，即齿部变形。

1.齿形的变化

根据热处理变形经验，低碳合金钢齿轮渗碳淬火后一般齿形压力角增大，检测报告显示顶部下塌，左右齿面fHα变负，零件模数越大变形量越大，造成齿坯精度下降，磨齿齿顶易出现黑皮。以某一轴齿零件为例，法向模数Mn=4.305，压力角20.5°，螺旋角14.111°，经过批量跟踪零件热变形，fHα平均值由热前修正的+0.04，变为热后修正的+0.004，齿顶下塌量达0.03～0.04。

2.齿向的变化

直齿轮(螺旋角为0°)热处理时齿向变形较小，而斜齿低碳合金钢齿轮渗碳淬火后螺旋角变小，螺旋角越大齿轮变形量越大，表现在齿向报告上为一侧齿面的fHβ变负，一侧齿面fHβ变正，造成齿坯精度下降，磨齿齿向两端易出现黑皮。仍以前面提到的轴齿零件为例，根据齿向报告，一侧fHβ平均值由热前的+0.03变为热后的+0.003，另一侧平均值由fHβ热前的-0.03变为热后的-0.007，齿向整体倾斜量达0.025～0.035。

3.综合分析

可以看出，对于斜齿零件热处理齿形齿向综合变形达0.055～0.075，滚齿齿形齿向偏差在0.03，热处理后齿部偏差最大至0.1，而正常齿轮齿厚单边磨量在0.10～0.15，加上零件定位及设备系统误差后极易出现齿面黑皮，废品率在8%以上。

4.对策

由于热处理设备及热处理工艺相对稳定，每批次各个零件间和各个批次零件间的变形趋势及偏差值差别不大，我们通过批量跟踪抽样，建立每种零件的变形数据库，根据零件的变形量在热前滚齿工序预先补偿。

现介绍齿形齿向在滚齿工序的补偿方法。对于齿形可采用小压力角滚刀加工，即热前左右齿面齿形均要求fHα偏正值。对于fHα补偿值与滚刀压力角的对应关系，刀具设计人员已推导出成熟公式，此处不再赘述。对于齿向补偿近似如下：

β'=±ΔfHβm°

式中，β'为螺旋角补偿值，±规定为与β符号相同，ΔfHβm为齿向倾斜补偿值。滚齿加工时直接将滚齿机零件参数的β设定为β+β'，则可得到补偿后的齿向。

注意在工艺中设定fHβ补偿方向和值时，我们必须设定零件的精测摆放状态，并标明左右齿面。如图9所示，一般要求精测摆放方向与加工方向相同，否则加工时容易将fHβ补偿方向与要求弄反，造成零件报废。

仍以前面提到的轴齿零件为例，零件螺旋角β=14.111，补偿值ΔfHβm为0.035时，β'=0.035°，滚齿机零件参数中的β输入14.111°+0.035°=14.15°，得到的滚齿齿向fHβm实测值为0.033，经过验证，上述补偿方法合理。经过滚齿齿向补偿后的零件，热后齿面黑皮废品率降至1%以内。

结语

磨齿工序通常是齿轮工艺流程中的最后一道机加工工序，意味着在磨齿工序报废的零件成本是最高的，接近成品成本，因此控制磨齿工序的废品率对降低生产成本意义重大。本文从零件齿坯的热前工序到热后磨齿工序的整个工艺流程中，对可能会影响齿面黑皮的原因做了系统分析并提出了对策，总结出了根据齿面黑皮的分布情况判断引起黑皮原因的方法。这些方法在实际生产中能够帮助我们找到问题点，从而进行持续改进和废品责任区分。