一、零件分析

　　齒輪類零件按功能可分為運(yùn)動(dòng)傳輸齒輪和動(dòng)力傳動(dòng)齒輪，其中動(dòng)力傳動(dòng)齒輪常采用滲碳硬化以獲得高硬度、高耐磨性的表層，而芯部仍保留塑性和良好的韌性使零件能夠承受一定的沖擊載荷。與滲氮相比，滲碳硬化的優(yōu)點(diǎn)是滲層深度范圍更大、允許預(yù)留較大尺寸公差以精加工齒形，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于我廠傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪、軸銷等零件。

　　我廠承制的某輸出齒輪屬于典型的外齒+內(nèi)花鍵短軸型零件(見圖1)，材料牌號(hào)S82(低碳合金結(jié)構(gòu)鋼)，漸開線外齒徑節(jié)18，齒數(shù)39，壓力角25°，精度等級(jí)為AGMA8級(jí)(相當(dāng)于GB10095規(guī)定的7級(jí))。內(nèi)漸開線花鍵齒數(shù)16，徑節(jié)20/40,壓力角30°，ANSI標(biāo)準(zhǔn)圓角根側(cè)配合，7級(jí)精度。

　　圖1 零件結(jié)構(gòu)示意

　　該零件要求齒輪齒頂、齒面、齒根及齒側(cè)滲碳硬化至700HV以上(HRC≥62)，其余表面不滲碳。首次設(shè)計(jì)工藝方案時(shí)考慮到非滲碳表面及芯部在淬回火后硬度達(dá)到HRC42～47，而我廠加工花鍵的粉末冶金刀具所能應(yīng)對(duì)的零件極限硬度不超過HRC42。所以編制工藝規(guī)程時(shí)延用了傳統(tǒng)的“鍍銅-滲碳-除銅”方案——精加工齒坯后插內(nèi)花鍵，鍍銅后車去齒頂與齒側(cè)的銅層，滾齒時(shí)預(yù)留磨齒余量，并在熱處理過程中用銅層保護(hù)非滲碳面與活性碳元素隔離，流程如下圖所示：

　　圖 首批試制工藝方案

　　首批產(chǎn)品加工完成后，在匯總檢驗(yàn)工序計(jì)量?jī)?nèi)花鍵齒跳時(shí)發(fā)現(xiàn)合格率低于30%。復(fù)查熱處理前插齒工序的計(jì)量報(bào)告結(jié)果均合格。分析導(dǎo)致超差的原因有：

　　a)熱處理后經(jīng)過研中心孔、外磨兩道工序，測(cè)量基準(zhǔn)變動(dòng)。

　　b)機(jī)械加工及熱處理過程中產(chǎn)生的各種內(nèi)應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力釋放導(dǎo)致零件發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形。

　　通常應(yīng)對(duì)以上兩項(xiàng)影響的方法有以下幾種：

　　1) 合理分配冷加工尺寸公差，適當(dāng)提高內(nèi)花鍵加工精度,用富裕的尺寸和形狀精度彌補(bǔ)熱處理畸變。

　　2) 采用循環(huán)保溫、冰冷處理等去應(yīng)力手段,盡可能消除機(jī)械加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

　　3) 熱處理過程中嚴(yán)格控制升溫速度,采用較低的滲碳和淬火加熱溫度,減少熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力;在不影響滲碳質(zhì)量的前提下,將齒輪的表面碳濃度和滲碳層深度控制在下限范圍。

　　4) 使用專用夾具,提高齒輪的剛性,以減小熱處理畸變的程度。

　　據(jù)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了第二套方案，熱處理后精修工藝基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)，將插花鍵工序調(diào)整至熱處理后進(jìn)行，流程如下圖所示：

　　圖 調(diào)整插齒工序的工藝方案

　　第二批產(chǎn)品加工進(jìn)行至插花鍵工序時(shí)，操作者提出花鍵插刀異常崩刃的問題——首批試制時(shí)能連續(xù)加工15件零件的插刀，當(dāng)批僅加工4件就出現(xiàn)前刀面磨損和崩刃。

　　我們查證刀具設(shè)計(jì)圖的基體材質(zhì)及涂層材質(zhì)無誤，推測(cè)插齒刀崩刃主要原因是內(nèi)孔表面漏滲碳，局部存在高硬組織。分析其原因有以下兩點(diǎn)：

　　a)零件尺寸較小，鍍銅過程中銅離子難以擴(kuò)散至內(nèi)孔底部，孔底局部表面無銅層。

　　b)內(nèi)孔銅層不勻或加工過程中銅層剝落。

　　此后我們?cè)囼?yàn)在內(nèi)孔涂防護(hù)涂料等保護(hù)性措施，但由于涂料流動(dòng)性大、操作難度較高，改善效果并不理想。

　　二、改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

　　近年來我廠深入對(duì)接轉(zhuǎn)包模式，我們對(duì)硬質(zhì)合金刀具有了更系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)，在刀具供應(yīng)商技術(shù)不斷升級(jí)的過程中，我廠可插齒零件的硬度極限逐漸提升至HRC52～55范圍。我們通過梳理此項(xiàng)輸出齒輪試制階段的現(xiàn)場(chǎng)寫實(shí)記錄，在最新一次的改進(jìn)中創(chuàng)新采用余量保護(hù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍍銅保護(hù)，方案流程如下圖所示：

　　圖 最新改進(jìn)的工藝方案

　　新方案的改進(jìn)思路是熱處理前在非滲碳表面預(yù)留加工余量，零件整體滲碳后硬車去除余量，在HRC42～47狀態(tài)(熱處理后芯部硬度)插齒保證內(nèi)花鍵精度。雖然該方案增加了制造難度，但利用可靠的刀具能夠保證內(nèi)花鍵質(zhì)量，取消鍍銅、除銅工序后生產(chǎn)流程更加精簡(jiǎn)，大大優(yōu)化了熱處理前后的工藝基準(zhǔn)統(tǒng)一性。

　　為防止精車后切削應(yīng)力釋放導(dǎo)致零件二次變形，保護(hù)性余量的厚度應(yīng)盡量小，為此需要掌握零件表面至芯部的硬度變化規(guī)律。我們收集了試制階段的部分超差零件，沿徑向剖切齒輪部位制作試片(見圖)用于測(cè)試。

　　圖 放大500倍顯微觀察試片影像

　　在圖中可看出，滲碳處理僅改變了零件表層金屬的含碳量，淬火和低溫回火處理后，滲碳層和零件基體組織之間還存在硬度過渡層(排列緊密的回火馬氏體組織)?？紤]到目前我廠插削花鍵的極限硬度和刀具成本的經(jīng)濟(jì)性。我們采用顯微硬度法測(cè)量從表面到HV=463(HRC47)處的垂直距離，用于分析硬化層最大深度。

　　圖 靠近齒頂表面的硬度變化趨勢(shì)

　　我廠在氣體滲碳時(shí)采用甲苯作滲碳介質(zhì)，用甲醇作稀釋劑，滲碳介質(zhì)在滲碳溫度下發(fā)生分解并發(fā)生如下反應(yīng)：

　　2CO—CO₂+[C]

       CH₄—2H₂+[C]

　　注：式中[C]是指在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的活性碳原子。

　　表 本零件滲碳工藝參數(shù)

　　圖 測(cè)試位置與硬度實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律

　　檢測(cè)過程中，我們發(fā)現(xiàn)硬化層深度在齒形方向呈現(xiàn)出規(guī)律變化——齒根部位硬化深度最小，齒頂附近硬化層最厚，分度圓附近的齒面硬化層深介于二者之間。通過分析可得出結(jié)論：齒輪表面貧碳的奧氏體組織吸收活性碳原子后，碳濃度升高，零件表面與芯部材料的碳濃度差迫使碳原子向內(nèi)部擴(kuò)散，但由于齒輪表面輪廓的特殊性，活性碳原子在各部位擴(kuò)散速度存在差異，其原因是齒輪各表面接觸的活性碳原子數(shù)量不同——齒頂附近表面接觸量最大，齒面接觸量次之，齒根表面處于類似凹形型腔的底部，所以接觸活性碳原子量最少(見表)。

　　表 齒輪表面滲碳層深度系數(shù)

　　滲碳過程中，保護(hù)性余量應(yīng)均勻、連續(xù)地覆蓋所有非滲碳表面，所以在確定余量厚度時(shí)選取分度圓附近齒面采集的數(shù)據(jù)，公式為：

　　余量厚度≥齒面碳化層深度+硬度過渡層最大深度

　　在圖中可知從齒面到HV=463處的垂直距離集中在1.3±0.1mm范圍，實(shí)際應(yīng)用時(shí)軸向、徑向余量均按1.5mm處理。

　　三、硬車方案設(shè)計(jì)及切削參數(shù)

　　3.1 硬車技術(shù)特點(diǎn)及分析

　　S82鋼經(jīng)滲碳、淬回火后抗拉強(qiáng)度()提升至2270Mpa以上，相比軟狀態(tài)車削，硬車系統(tǒng)承受的切削力大約升高了2倍。提升體統(tǒng)剛性是我們首先面對(duì)的問題。

　　該輸出齒輪結(jié)構(gòu)屬于規(guī)則的回轉(zhuǎn)體，車削去除外圓及端面保護(hù)余量效率最高，但是受內(nèi)孔尺寸限制，Φ12以上規(guī)格的鏜刀不適用于此零件，所以去除零件內(nèi)孔余量?jī)?yōu)先選用鉆削，避免因鏜刀桿剛性不足導(dǎo)致鏜刀震顫。

　　圖 硬車前后零件結(jié)構(gòu)對(duì)比

　　刀片接觸零件時(shí)承受的瞬時(shí)沖擊是影響刀具壽命的主要因素，考慮到零件表層硬度達(dá)到HRC62以上，可采用重載低速切削以減少?zèng)_擊給刀具和機(jī)床造成的影響，刀具伸長(zhǎng)量應(yīng)控制在刀桿長(zhǎng)度的0.5倍以內(nèi)，并盡量減少懸伸以增加剛性。本零件短粗的結(jié)構(gòu)和較小的長(zhǎng)徑比非常適合用外圓定心、端面定位的夾持方法。為了最大限度地減小零件裝夾時(shí)的懸伸長(zhǎng)度，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖所示的車削順序：

　　圖 硬車定位方式及加工步驟

　　零件表層至芯部的材料依次為高碳、中碳、低碳的回火馬氏體組織，車刀刀片需要較高的抗刃口磨損性能以及大切深抗破碎性能以應(yīng)對(duì)變載荷連續(xù)切削。而且，為使刀片在不同組織材料切換時(shí)減少震動(dòng)，降低對(duì)零件表面質(zhì)量的影響，應(yīng)采用帶有抗振設(shè)計(jì)的外圓刀桿。

　　通過查找產(chǎn)品目錄，我們初期制訂了兩套車刀方案，表面余量分3次車削——粗車去除表面大部分硬化層，切深1～1.2mm，半精車均勻各表面余量至0.1mm，精車嚴(yán)格控制表面粗糙度、保證零件尺寸精度：

　　表 外圓刀片方案對(duì)比

　　系統(tǒng)剛性最大化意味著盡量減少零件和刀具的懸伸量，安排熱處理后硬車的零件具有較小的長(zhǎng)徑比(L/D)，細(xì)長(zhǎng)軸類零件刀具延伸和零件伸出適合于，薄壁齒圈、細(xì)長(zhǎng)軸

　　車削過程中仍然使用水基切削液，為使切削液能夠快速到達(dá)刀尖切削區(qū)域，我們調(diào)高了冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的壓力值，高壓切削液也可有效減少切削堆積，有利于提升零件表面質(zhì)量。

　　本零件硬車更傾向穩(wěn)定的夾持、刀片夾緊方式對(duì)我廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用的刀片夾持方式有三種，其中C型夾持系統(tǒng)的特征與本零件切削條件更吻合，

　　經(jīng)兩批在制品對(duì)比驗(yàn)證，A方案單刃可加工5～6件，單片刀片加工上限13件;B方案單刃可加工7件左右，單片刀片加工上限15件，最終選用B方案。

　　去除保護(hù)性余量后，零件露出的基體材料已轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻幕鼗瘃R氏體組織，

　　經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，硬車去除保護(hù)余量的方案可行，刀具壽命較理想，加工完成的零件表面粗糙度、尺寸精度、位置公差滿足要求。

　　四、硬插齒及其切削參數(shù)

　　以往我廠多用粉末冶金作為插齒刀的基體材料，此類刀具所能加工零件的硬度不大于HRC42。為適應(yīng)此零件后續(xù)大批量生產(chǎn)的需要，本次工藝改進(jìn)訂制了DATHAN公司制造的硬質(zhì)合金插齒刀，涂層材質(zhì)TiAlN。

　　與粉末冶金刀具相比，硬質(zhì)合金插齒刀耐磨性更優(yōu)，但抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性差，所以切削部位采用了較大的徑向負(fù)前角，以提升插齒刀抗沖擊、抗崩刃能力。

　　切削參數(shù)如下表所示：

　　使用該刀具現(xiàn)已插齒加工52件，刀具狀態(tài)良好，按目前刀具磨損速度判斷，預(yù)計(jì)刃磨周期可達(dá)到80件以上。

　　五、提升制造工藝性的其他措施

　　滲碳、淬回火后安排冰冷處理，相當(dāng)于對(duì)零件二次正火，能進(jìn)一步減少淬火過程中的過飽和馬氏體，降低晶格畸變，減少組織應(yīng)力，從而減少熱處理變形量。

　　零件表面經(jīng)滲碳處理后，表面5μm深度范圍的過共析層含有致密碳化物，在淬回火后形成一層非常薄的硬殼層，車刀刀尖接觸表層組織時(shí)最容易受損，所以硬車去除保護(hù)性余量時(shí)應(yīng)盡可能保持連續(xù)切削，被加工表面應(yīng)避免出現(xiàn)減輕孔、角向定位孔等結(jié)構(gòu)。

　　硬鏜孔需要很大的切削力，鏜刀桿承受的扭力和切向力成倍增加，刀具應(yīng)與零件同心或略高于零件中心，避免切削力引起的扭曲變形影響零件尺寸精度。

　　在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為進(jìn)一步延長(zhǎng)鉆頭壽命，我們?cè)诹慵た變?nèi)注入防護(hù)涂料，涂料經(jīng)短時(shí)間干燥后與內(nèi)孔表面浸潤(rùn)并產(chǎn)生一定附著力，熱處理后吹砂即可完全去除。經(jīng)同等車削條件驗(yàn)證，鉆頭刃磨周期可提升1.5～1.8倍。

　　本次改進(jìn)后，我們對(duì)比了204車間承制的此類有滲碳要求的齒輪零件，并總結(jié)出適用余量保護(hù)法的必要條件——零件滲碳區(qū)與非滲碳區(qū)應(yīng)具備合理的分界結(jié)構(gòu)，以本零件為例，齒輪兩端被設(shè)計(jì)了具有減重作用的端面槽，

　　結(jié)論

　　改進(jìn)后方案經(jīng)4批共52件零件驗(yàn)證，重載低速硬車去除保護(hù)性余量方案可行，插齒刀切削狀態(tài)良好，零件內(nèi)花鍵跳動(dòng)100%合格。工藝流程縮短為改進(jìn)前方案的2/3,取消鍍銅、除銅等工序也進(jìn)一步降低了制造成本。該方案對(duì)于類似齒面有滲碳要求的零件具有推廣借鑒價(jià)值。