工程機械變速器常采用硬度在 48 HRC 以上的硬齒面齒輪，此類齒輪的常用材料為 20CrMnTi、20CrMnMo、20CrMo 等，經(jīng)滲碳或碳氮共滲處理后進行淬火處理。從生產(chǎn)實踐看，熱處理工藝過程對齒輪精度的影響非常明顯，變形嚴重時可使齒輪的精度等級下降 3~4 級。由于變形嚴重，采用淬火壓床僅可以加以控制但不能完全消除變形，因此不能滿足齒輪的精度要求。而在熱處理過程中由于齒輪的變形規(guī)律較難掌握，在粗加工齒輪時采取預先留變形余量的補償措施來修正淬火變形也非常困難，無法滿足高精度齒輪的變形控制要求，因此在硬齒面齒輪熱處理后必須采取相應的措施，以消除熱處理變形，確保熱處理后硬齒面齒輪的加工精度。

　　1 硬齒面齒輪常用的加工方法

　　熱處理后的硬齒面齒輪常用加工方法包括研齒、磨齒、刮齒(用相應刀具進行光整加工)等。上述各種工藝方法的主要特點如下：

　　1.1 研齒

　　研齒工藝具有生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點，但不能消除齒輪熱處理后的徑向跳動、周節(jié)誤差、齒形誤差和其他熱處理變形引起的誤差。該工藝僅僅能改變齒形的表面粗糙度和接觸位置，因而其修整精度非常有限，對于精度要求較高的齒輪，無法滿足修復精度要求。

　　1.2 磨齒

　　磨齒工藝可以獲得很高的加工精度，對一些精度要求高的齒輪，磨齒工藝的應用非常普遍。但是磨齒的效率很低，特別是一些大型和高精度硬齒面齒輪，由于熱處理變形大，精度要求高，齒面的磨削加工常要花費大量工時，成本較高，且磨齒時需要專用機床，從而限制了磨齒工藝的應用。

　　1.3 刮齒

　　近年來，隨著齒輪加工機床和刀具材料技術(shù)的進步，使硬齒面刮削加工的應用日益得到推廣和普及，刮削工藝同磨齒工藝相比，除了都可以提高加工精度，降低表面粗糙度而外，還具有以下優(yōu)點：

　　1.3.1 生產(chǎn)效率高于磨齒

　　對于需要磨齒的高精度齒輪，可以用效率較高的刮削代替粗磨工藝，切除熱處理變形量，只留下很小和均勻的余量進行精磨，從而大大縮短磨齒工時，提高加工效率和經(jīng)濟效益。一般情況下，硬齒面刮削加工采用的切深比磨削要大得多，金屬切除率通常要高出磨齒 3~4 倍。對于普通精度的淬硬齒輪就可以用硬質(zhì)合金或立方氮化硼刀具直接進行刮削加工，從而以最低的加工成本保證硬齒面齒輪的制造精度，提高齒輪的使用性能，降低傳動噪聲。特別是對于大、中型硬齒面齒輪的精加工具有更好的經(jīng)濟效益。

　　1.3.2 可以獲得較低的表面粗糙度

　　采用刮齒工藝時，齒面的表面粗糙度可以達到Ra0.5 μm 以下。若刀具處于較好的使用狀態(tài)，其加工后的齒面粗糙度甚至可以小于 Ra0.3 μm。眾所周知，在一般情況下，表面粗糙度與加工零件的材料硬度呈反比關(guān)系，即材料越硬，加工后表面粗糙度就越低。因而對于滲碳淬火后的硬齒面齒輪而言，采用刮削工藝進行加工可以獲得理想的表面粗糙度。

　　1.3.3

　　可獲得較好的表面完整性

　　由于磨削加工對很多因素非常敏感，造成在磨削時經(jīng)常會出現(xiàn)磨削裂紋。通常情況下，造成磨削裂紋的原因是多方面的，有材質(zhì)方面的原因(如雜質(zhì)過多、碳化物分布不勻等)，有熱處理方面的原因(如熱處理應力)，也有材料的去除量、砂輪型號、冷卻液、加工環(huán)境溫度等諸多因素。此外硬齒面齒輪在磨削時還容易發(fā)生退火，從而降低齒面硬度，更為嚴重的是引起局部組織的轉(zhuǎn)變，使齒輪表面的應力再分配，造成齒面缺陷。而采用刮削工藝可以比磨削加工更能保持齒面的完整性，在去除同等材料體積的情況下，刮削加工不僅有更高的效率，其能量消耗僅為磨削的 1/5，產(chǎn)生的切削熱量較小，且絕大多數(shù)熱量會被切屑帶走。因此只要選擇適宜的加工參數(shù)，就可以有效避免加工過程中的熱損傷，提高齒面的加工完整性。

　　1.3.4 可以使齒面獲得較好的應力狀態(tài)

　　如果加工后的齒面應力較高，即使在加工時未開裂，也會由于不能消除加工后所形成的高內(nèi)應力，使工件始終保持較高的拉應力狀態(tài)，造成在齒輪的存放和使用中產(chǎn)生裂紋。因此，控制齒輪表面加工后的殘余應力，特別是應力形式非常重要。

　　一般情況下，采用整體感應淬火或滲碳、淬火方法熱處理后的齒輪(由于變形量大、易開裂等原因，齒輪類零件很少采用單純整體淬火工藝)，表面應力大小和形式會隨淬火方法、工藝參數(shù)、淬火介質(zhì)、冷卻速度等因素的不同而不同。雖經(jīng)低溫回火處理，但由于回火溫度較低或回火次數(shù)有限，殘余應力很難徹底得到消除。

　　如果表面應力的合力形式為拉應力，而應力值小于工件表層晶界的屈服強度極限，此時表層應力尚能處于平衡狀態(tài)，即使對于高碳馬氏體這一類比容比較大的組織，在工件表層也不會出現(xiàn)裂紋。如果表面應力的合力形式為壓應力，而壓應力對于提高表層硬度和質(zhì)量有較大的好處，更不會造成齒面產(chǎn)生裂紋。

　　但是在磨齒時，加工表面的應力主要是磨削熱載荷作用所致，由于表面溫度的升高和砂輪顆粒的擠壓切削，會在加工后齒輪表面形成拉應力，若此拉應力與熱處理后殘余的拉應力疊加或遠遠大于熱處理后表面的壓應力，就破壞了齒輪表面的應力平衡，在高拉應力的作用下，齒輪在加工和使用過程中就容易產(chǎn)生表面裂紋，降低齒輪的使用壽命，影響使用效果。

　　而采用刮削工藝加工的齒輪，齒面硬度會得到明顯提高，原因主要有兩個：一是加工過程中的加工硬化作用，由于刮削層較薄，刀具對齒面會產(chǎn)生較大的擠壓力，使表面金屬發(fā)生變形、晶粒破碎，組織結(jié)構(gòu)細化，且由于內(nèi)部晶粒位錯密度迅速增加，產(chǎn)生積壓群，使表面硬度有較大的增值，因而強化了齒輪表面;二是由于表面脫碳的影響，齒輪在滲碳過程中，碳濃度最高的部位并不是在最外表面上，由于加工時刮去了一層薄金屬，使碳濃度高的滲碳層露在表面，從而改變了齒面的硬度分布狀況。此外，在刮削時，已加工表面受刀具后面摩擦產(chǎn)生一定的拉伸彈性變形，變形收縮復原后，齒面形成的是壓應力，中和了熱處理時齒輪表面形成的拉應力(對于熱處理后呈壓應力的齒輪，壓應力則會疊加，會對齒面產(chǎn)生較大的益處)，從而降低或消除了齒面加工后的表面拉應力值，因而可獲得理想的表面應力效果，就不會產(chǎn)生裂紋等缺陷。

　　此外，對硬齒面齒輪采用刮削工藝還具有設備投資少，加工柔性好的特點。正是基于上述這些優(yōu)點，刮齒工藝的應用越來越普遍，在一些企業(yè)已經(jīng)完全替代了磨齒工藝。但由于其工藝的特殊性，采用刮削工藝時必須制訂合理的工藝流程，并配備相應的機床和刀具。

　　2 刮齒加工工藝的制定

　　由于刮齒工藝的實質(zhì)就是通過使用刀具切削去除加工余量而對齒側(cè)面進行光整加工，從而消除熱處理變形因素對齒輪精度的影響，因而刮齒前的工藝流程基本上與采用磨齒方法磨齒前的工藝流程一致，主要包括齒坯加工、粗切齒、精切齒(留加工余量)、熱處理、基準面加工，最后進行刮齒加工。以圖1所示零件為例，該零件為一帶漸開線內(nèi)花鍵孔的斜齒輪，齒輪模數(shù)為 4，齒數(shù)為 35，壓力角為20°，螺旋角為 14°15′，材料為 20CrMnTi，滲碳層深度要求為 0.8~1.2 mm，齒頂硬度要求為 56~62 HRC。

　　3 刮齒余量的確定

　　刮齒余量小，則熱處理引起的變形難以修復，會出現(xiàn)表層晶界的屈服強度降低，以及表層抗破壞能力差等問題;刮齒余量大，加工效率將降低且造成刀具成本和生產(chǎn)成本增加。因此刮齒余量的確定應結(jié)合材料、零件結(jié)構(gòu)和尺寸合理制定，在控制好熱處理變形的情況下，刮齒余量總的原則是能小則小，一般情況下模數(shù)在 5 以下的齒輪刮齒余量為0.15~0.2 mm; 模數(shù)為5~10的齒輪刮齒余量為0.2~0.25 mm; 模數(shù)為10~15的齒輪刮齒余量為0.23~0.3 mm。圖 1 所示零件模數(shù)為 4，因此刮齒余量定為 0.15~0.2 mm。

　　4 加工設備的選用

　　在機床設備狀況允許的情況下，硬齒面加工的機床可以和軟齒面加工時機床型號相同，對于條件不夠的企業(yè)甚至可以使用同一臺機床，因而不需要額外增加設備，加工經(jīng)濟性非常好?？紤]到刮齒時會產(chǎn)生較大的切削抗力及保證刮齒后零件的精度，因此在選擇滾齒機時宜選用精度、剛性較好的設備，同時為確保刮齒過程中工藝系統(tǒng)的剛性，滾齒機的型號也可以結(jié)合零件尺寸選大一些的型號，針對圖 1 所示零件尺寸和參數(shù)，選擇一臺精度較好的重慶機床廠生產(chǎn)的 YK3120 型滾齒機作為刮齒機床。刮齒前對工作臺分度蝸輪副的間隙要嚴格控制，同時將滾齒機軸向進給系統(tǒng)的間隙調(diào)整到最小，以避免滾刀出現(xiàn)“崩刃”情況。滾刀安裝時應檢查主軸錐孔的徑向跳動，使其控制在0.02 mm 以內(nèi)。

　　5 刮齒前熱處理控制和淬火介質(zhì)的選擇

　　如上所述，即使采取刮削的方法可以消除熱處理造成的變形，但也應該對熱處理變形量進行控制。首先應在滿足硬度、淬硬層深度等要求的情況下，優(yōu)先采用感應淬火方式，這樣既可以減小淬火變形，又可以使熱處理后表面應力以壓應力形式存在，杜絕齒面裂紋的產(chǎn)生。若必須采用整體加熱淬火工藝，則應采用滲碳后直接淬火的方式，淬火溫度為 840~860 ℃，淬火方法采用等溫淬火或分級淬火，并選用專用等溫分級淬火油作為淬火介質(zhì)。由于專用等溫分級淬火油具有蒸氣膜階段很短，高溫冷卻速度較快，對流開始溫度較高，淬火硬度均勻，有足夠的淬硬和淬透能力，可以在較低的淬火溫度時獲得較高的淬火硬度，并能很好地控制零件變形等特點，因此在淬火時，可以使用恒溫淬火油槽使等溫分級淬火油溫保持在 90~100 ℃的高溫狀態(tài)，將齒輪浸入油中冷卻 20~30 min 后，出油空冷至室溫，可以在較低的淬火溫度時獲得較高的淬火硬度，并能很好地控制工件變形。淬火后 1 h 內(nèi)需要馬上對零件進行低溫回火處理。對采用上述工藝方法熱處理后的齒輪進行檢驗發(fā)現(xiàn)，零件的變形量可得到有效控制，且變形有明顯的規(guī)律性，表層應力基本上表現(xiàn)為壓應力，為提高刮削質(zhì)量和加工效率奠定了基礎。

　　6 刮齒前基準的加工

　　對于精度要求較高的硬齒面齒輪，為提高刮齒時工件的裝夾定位精度，在刮齒前，應對定位基準進行必要的加工。圖 1 所示為盤形齒輪，基準要求主要包括齒輪端面與軸線的垂直度，內(nèi)孔表面與軸線的同軸度?？蓪X輪兩側(cè)面和定位孔進行磨削加工，使齒輪兩側(cè)面的平行度、兩端面與軸線的垂直度以及內(nèi)孔表面與軸線的同軸度得到有效控制，以提高滾齒時的裝夾定位精度。此外，滾齒心軸與零件定位孔尺寸公差的控制也非常重要，一般最大配合間隙應小于 0.025 mm，以減小齒輪定位時由于間隙而造成的幾何偏心誤差。

　　7 刀具

　　刮齒滾刀應采用硬質(zhì)合金刀片，該類刀具分焊接式結(jié)構(gòu)和可轉(zhuǎn)位兩種結(jié)構(gòu)，可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刮齒滾刀的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。同時，為提高效率，在確保剛性的前提下，應采用較小外徑的滾刀(如直徑 32mm 的滾刀)，若齒面硬度極高，就應采用立方氮化硼刀片(CBN)。由于刮齒的精度與刀具的制造精度密切相關(guān)，因此，為提高刮齒精度，應向?qū)I(yè)廠家定制刀具。刮齒滾刀應采用直槽、端面鍵結(jié)構(gòu)，小模數(shù)齒輪刮齒滾刀可選用 - 30°前角，中等模數(shù)齒輪刮齒滾刀可選用 0°或較小的負前角以承受較大的切削力。在使用上述刀具刮齒時，還應選擇合理的進給量、切削速度及切深，以提高刀具的使用壽命，保證齒輪加工精度。

　　8 刮齒工藝參數(shù)

　　在刮齒作業(yè)過程中，為保證齒形加工精度，刀具不能出現(xiàn)接刀作業(yè)情況，一般情況下小模數(shù)齒輪均采用一次刮削成形的工藝。因此如何在現(xiàn)有的刀具上，實現(xiàn)一次刃磨加工更多的齒輪，且加工完后，齒面的表面粗糙度要達到一定要求就需要制定合理的刮齒工藝來保證。刮齒時最重要的工藝參數(shù)包括：吃刀深度、軸向進給量、切削速度、一次刮削量(對于大模數(shù)齒輪需要制定)等，由于小模數(shù)齒輪多采用一次刮削成形，吃刀深度即為刮削余量，走刀量比粗滾時稍小一點，一般為粗滾時的 60%~70%，通常情況下剛開始制定切削參數(shù)的時候可稍大一些，觀察刮齒過程中的振動情況，若無振動或振動較小則可加大工藝參數(shù)，若振動較大則相應調(diào)小工藝參數(shù)，同時留意齒面表面粗糙度的變化，通過不斷地摸索最終確定最合適的工藝參數(shù)，刮齒基本工藝參數(shù)見表 1。

　　9 效果

　　刮齒工藝的加工節(jié)拍僅為采用成型片砂輪逐齒磨削節(jié)拍的 1/4～1/2，即其生產(chǎn)效率比采用成型片砂輪逐齒磨削通常要高 2～4 倍，且具有成本低、投資小，能源消耗低，所需配備的操作人員、設備維護及備品備件準備等方面均較為簡單等特點，加工精度能夠滿足一定要求，因此具有一定的使用和推廣價值。