弧齿锥齿轮热后硬齿面刮削工艺试验

汽车驱动桥作为汽车的重要传动部件，对整车的承载能力和舒适性有很大影响，其中主被动锥齿轮是驱动桥中最重要的零件。传统的弧齿锥齿轮加工流程为制坯—软齿面切削（干切或湿切）—热处理—热后研齿或磨齿。

常规的加工工艺过程中，在热前将齿面接触区修正完成后，由于材料或其他方面的原因，热处理变形的存在，导致热处理后齿面接触区形状与位置发生很大变化。为此，热后对齿面接触区修正成为必不可少的工序，目前国内应用较普遍的是研齿或磨齿工艺。

磨齿工艺的开展需要花费巨资引进弧齿磨齿机，与弧齿铣齿机相比较，弧齿磨齿机工艺复杂，机床调整繁琐，修要经常对砂轮进行修正。并且由于磨削过程中切削液的存在，不可避免会对环境产生影响。研齿工艺的开展，也需要引进研齿设备，并且机床调整较为复杂，由于研齿工艺无法修正变形较大的齿面接触区，只能对其做小部分修正。因此，研齿后的齿轮副其本身几何精度并无太大提高。

基于以上原因，需求更经济、环保有效的热后加工工艺成为必然选择。随着刀具材料技术和淬硬切削技术的进步，淬硬工件的加工已得到大规模推广应用。为此，决定尝试在弧齿锥齿轮铣齿机上，利用新型切削刀具，进行硬切削试验。

1.热后硬切削应用的可行性分析
本次工艺试验决定使用PCBN复合焊接刀具进行试验。PCBN即聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）作为利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料，是目前高速切削铁系金属最合适的刀具材料。

根据相关资料介绍，用PCBN刀具加工淬硬钢时，要求工件淬火硬度高于60～65HRC，加工硬铸铁时，只要硬度达到中等硬度水平(45HRC)，就会取得良好的加工效果。目前公司内被动锥齿轮热后内孔精加工即使用CBN刀片，切削余量为0.3mm，使用效果良好。而目前我公司内锥齿轮副热处理后硬度范围为58～62HRC，完全满足该类型刀具的使用条件，对其进行工艺试验完全可行。

PCBN刀具的制造主要通过CBN粉末和结合剂经超高压高温烧结而成.大致步骤有;混合粉末--模压成型/与硬质合金底层组装成整体--超高压高温烧结--深加工。在CBN聚晶体中也可以不加粘结剂直接烧结而成聚晶立方氮化硼。CBN在烧结时发生再结晶和晶粒长大过程，烧结后的CBN多晶体的晶粒已不是原来的CBN单晶体颗粒。这种PCBN刀具耐磨性好，寿命长，但较脆且温度条件苛刻，难以制成高韧性及大尺寸的刀片。 故本次试验中采用焊接式结构，将刀齿做成三部分结构。

本次工艺试验采用AC16被动锥齿轮进行，使用12英寸铣刀盘，其刀齿参数主要借鉴目前所使用的热前精切刀齿参数。刀齿由三部分组成：高速钢刀具基体、硬质合金基体、PCBN切削刃。各部分间焊接成型。





图1 复合式焊接刀具

2.热后硬切削切削参数的确定

根据相关资料介绍，PCBN刀具适合的切削速度为80-120m/min，结合刀具直径，算出的刀具转速应为：
n=1000*V/(3.14*d)=104r/min-125r/min

本次试验在格里森NO.26机床上进行，所选取的速度挂轮为：20/70*28/62，刀具主轴转速为114r/min。
PCBN刀具的吃刀量范围为0.15-0.25mm，本次切削试验中所采用的切削余量为0.2mm左右。进给量选择在0.03r/min。

3.热后硬切削工装设计

由于热处理前后的重复装夹，不可避免会在热后加工时出现乱齿现象，为此，对切齿工装更改了设计，增加一套对齿机构。此外，将定位碟簧尺寸进行了更改，使用了热后研配用碟簧，提高了工装整体的刚性。

4.热后硬切削加工情况

在本次工艺试验中，采用大轮双精刀盘进行加工，通过对齿机构的调整，实现了凹面与凸面的单独切削。切削过程中，机床无明显震动，刀具无损坏，加工中出现明显火花。由于切削热大部分被切屑带走，切屑颜色为微蓝色，因此，切削后工件仅有微热感。



图2 切削情况



图3 切削后齿轮齿面

切削后工件表面发亮，粗糙度达到Ra0.5左右，高于外圆磨粗糙度。

5.热后硬加工质量情况

经过热后硬加工的零部件进行检测，齿圈跳动可达0.05，远低于产品图纸成品要求。与小轮研配后的齿面接触区如下：




图4 成品接触区图片

距离啮合点0.5米时，检测噪音结果如下：



按常规工艺加工的齿轮副检测结果为：



由此可以看出，热后切削加工的齿轮副其质量水平较正常加工零件质量要高。

6.结论

1.目前在国内，对于硬度超过HRC50的锥齿轮产品，大部分采取的为热后磨削工艺或者研齿工艺，热后硬切削加工方法和装备在中国重卡制造领域属于空白。对于我公司，此次为首次引进热后硬切削技术，属于公司内首创，且在国内重卡行业处于领先地位。

2.通过进行工艺试验，验证了热后弧齿锥齿轮硬齿面刮削工艺的可行性，为以后生产高精度齿轮副奠定了基础，加工后的齿轮副质量状况完全满足要求，从根本上消除了热处理变形对接触区的影响。